vii
INTISARI
Kebutuhan masyarakat akan air sangatlah penting, sedangkan pemanfaatannya masih tergantung dengan energi fosil yang sudah ada. Sehingga masyarakat masih banyak menggunakan pompa air yang memanfaatkan energi fosil. Energi terbarukan perlu dikembangkan untuk menjawab ketergantungan energi fosil dalam pemanfaatan akan air. Penelitian ini dilakukan untuk menjawab ketergantungan itu dengan menggunakan energi termal dalam pemanfaatan pompa air. Tujuan penelitian ini membuat pompa air tenaga termal dengan memanfaatkan uap yang dihasilkan oleh fluida kerja yang mengalir pada delapan pipa pemanas dengan laju aliran fluida kerja 3 liter/menit. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Unjuk kerja yang ingin dicapai adalah debit, daya, efisiensi pompa dan efisiensi termal pompa maksimum. Parameter yang divariasikan adalah jumlah tabung udara yang digunakan 2 dan 1 tabung, head pemompaan 2,35 dan 1,35 m, dan volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan. Variabel yang diukur adalah temperatur pada pemanas, temperatur pipa pemanas (evaporator), tekanan uap fluida pada pipa pemanas, tekanan air dalam tabung air tekan dan tekanan udara dalam tabung udara tekan.
Hasi dari penelitian yang didapat, debit maksimum pemompaan sebesar 0,25 liter /menit tiap siklus pada variasi head pemompaan 1,35. Daya maksimum pemompaan sebesar 0,11 watt pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,01 % pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi termal maksimum sebesar 86,89 % pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan yaitu 1 tabung udara tekan.
vii
ABSTRACT
The public needs to be water is incredibly important while its use is still depends on fossil energy are already there. So the public still much use of a water pump that use fossil energy. Renewable energy needs to develop to answer dependence fossil energy in the utilization will water. The study is done to answer it by using energy thermal in the utilization water engines. Research purposes of this makes water pump thermal power by utilizing steam produced by a working fluid that flows in eight heating pipes to the rate of flow of a fluid work 3 liters per minute. A working fluid used is petroleum ether. On work to be achieved is debite, power, pump efficiency and efficiency thermal pump maximum. Of parameters varied is the sum the air tubes used 2 and a tube, pumping head of 2,35 and 1.35 m, and volume of air on heating and condenser when warming. Variable measured is temperature on heating, temperature heating pipes ( evaporator ), vapor pressure fluid at heating pipes, water pressure in water tubes press and air pressure in the air tubes press. The results of the research that earned the maximum debite pumping of 0.25 liters/min per cycle on the pumping head 1.35 variations. Maximum pumping power of 0.11 watt pumping head variations on 1.35. Maximum pumping efficiency of 0.01% variation on the pumping head 1.35. Maximum thermal efficiency of 86,89 % variation on tube compressed air used the compressed air tube 1.
i
UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL
MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER
DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 3 LITER/MENIT
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
RESTU INDRA GUMELAR
NIM : 105214073
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP
USING PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS WITH
DEBITE 3 LITRE/MINUTE
FINAL PROJECT
Presented as partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By:
RESTU INDRA GUMELAR
Student Number : 105214073
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
INTISARI
Kebutuhan masyarakat akan air sangatlah penting, sedangkan pemanfaatannya masih tergantung dengan energi fosil yang sudah ada. Sehingga masyarakat masih banyak menggunakan pompa air yang memanfaatkan energi fosil. Energi terbarukan perlu dikembangkan untuk menjawab ketergantungan energi fosil dalam pemanfaatan akan air. Penelitian ini dilakukan untuk menjawab ketergantungan itu dengan menggunakan energi termal dalam pemanfaatan pompa air. Tujuan penelitian ini membuat pompa air tenaga termal dengan memanfaatkan uap yang dihasilkan oleh fluida kerja yang mengalir pada delapan pipa pemanas dengan laju aliran fluida kerja 3 liter/menit. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Unjuk kerja yang ingin dicapai adalah debit, daya, efisiensi pompa dan efisiensi termal pompa maksimum. Parameter yang divariasikan adalah jumlah tabung udara yang digunakan 2 dan 1 tabung, head pemompaan 2,35 dan 1,35 m, dan volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan. Variabel yang diukur adalah temperatur pada pemanas, temperatur pipa pemanas (evaporator), tekanan uap fluida pada pipa pemanas, tekanan air dalam tabung air tekan dan tekanan udara dalam tabung udara tekan.
Hasi dari penelitian yang didapat, debit maksimum pemompaan sebesar 0,25 liter /menit tiap siklus pada variasi head pemompaan 1,35. Daya maksimum pemompaan sebesar 0,11 watt pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,01 % pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi termal maksimum sebesar 86,89 % pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan yaitu 1 tabung udara tekan.
vii
ABSTRACT
The public needs to be water is incredibly important while its use is still depends on fossil energy are already there. So the public still much use of a water pump that use fossil energy. Renewable energy needs to develop to answer dependence fossil energy in the utilization will water. The study is done to answer it by using energy thermal in the utilization water engines. Research purposes of this makes water pump thermal power by utilizing steam produced by a working fluid that flows in eight heating pipes to the rate of flow of a fluid work 3 liters per minute. A working fluid used is petroleum ether. On work to be achieved is debite, power, pump efficiency and efficiency thermal pump maximum. Of parameters varied is the sum the air tubes used 2 and a tube, pumping head of 2,35 and 1.35 m, and volume of air on heating and condenser when warming. Variable measured is temperature on heating, temperature heating pipes ( evaporator ), vapor pressure fluid at heating pipes, water pressure in water tubes press and air pressure in the air tubes press. The results of the research that earned the maximum debite pumping of 0.25 liters/min per cycle on the pumping head 1.35 variations. Maximum pumping power of 0.11 watt pumping head variations on 1.35. Maximum pumping efficiency of 0.01% variation on the pumping head 1.35. Maximum thermal efficiency of 86,89 % variation on tube compressed air used the compressed air tube 1.
xi
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 24
4.1 Hasil Penelitian ... 24
4.2 Pembahasan ... 32
BAB V PENUTUP ... 41
5.1 Kesimpulan ... 41
5.2 Saran ... 42
DAFTAR PUSTAKA ... 43
xii
Gambar 3.5 Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor ... 20
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . jumlah tabung udara tekan ... 34
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan ... 34
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan ... 35
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . head pemompaan ... 36
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi head pemompaan ... 37
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi . head pemompaan ... 37
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . volume udara pada pemanas dan kondensor ... 39
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi ... volume udara pada pemanas dan kondensor ... 39
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi . volume udara pada pemanas dan kondensor ... 40
xiii
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1A Data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu
2 tabung dan 1 tabung ... 25 Tabel 4.1B Data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter
dan 1,35 meter ... 26 Tabel 4.1C Data penelitan pada variasi volume udara ketika kondensor
dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang
berisi udara ... 26 Tabel 4.1D Hasil perhitungn data penelitian pada variasi volume udara
tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung ... 31 Tabel 4.1E Hasil perhitungan data penelitian pada variasi volume udara
ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara ... 32 Tabel 4.1F Hasil perhitungan data penelitian pada variasi head pemompaan
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada hakikatnya setiap manusia selalu melakukan usaha untuk memenuhi kebutuhannya. Kebutuhan pokok bagi manusia merupakan kebutuhan akan pangan. Kebutuhan pangan dapat dibagi menjadi kebutuhan akan makanan dan minuman. Dalam perwujudan akan kebutuhan pangan, tentunya bergantung akan air. Air selalu dimanfaatkan dalam pemenuhan kebutuhan pangan, baik pada makanan maupun minuman. Namun pada kenyataannya, keberadaan air tidaklah selalu mudah untuk didapatkan. Keadaan wilayah dalam suatu tempat mempengaruhi akan keberadaan air. Sebagai contoh pada puncak gunung, maupun pada sekitar gunung, dan pesisir pantai, air sangat sulit didapatkan. Biasanya pemanfaatan air yang diambil dari sumbernya dibantu menggunakan pompa air, untuk mengalirkan air dari sumber mata air menuju tempat penampungan yang siap pakai, atau langsung digunakan untuk memenuhi kebutuhan manusia.
yang memadai. Sehingga dalam penggunaan pompa air untuk menunjang kebutuhan hidup masyarakat masih belum maksimal. Masalah lain selain ketersediaan energi yang belum merata di Indonesia yaitu masalah krisis energi. Semakin pesat perkembangan zaman berimbas pada penggunaan energi yang berlebih. Imbas penggunaan energi berlebih yaitu masalah ketersediaan energi yang lambat laun mulai menipis, dan berimbas pula dengan harga-harga kebutuhan pokok tidak terkecuali air. Beberapa masyarakat yang belum tersentuh energi listrik maupun bahan bakar menggunakan cara tradisional untuk mendapatkan air dari sumbernya. Walaupun dinilai sangat murah apabila masyarakat melakukan cara tradisional untuk mendapatkan air, namun tidak sedikit pula tenaga dan waktu yang terbuang demi mendapatkan air.
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 tempat air tersebut diperlukan. Saat terjadi proses pengembunan tekanan fluida kerja akan turun, penurunan tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari sumber air kedalam pompa air. Proses penguapan fluida kerja memerlukan energi panas dan proses pengembunan memerlukan pendinginan. Energi panas diperoleh dari kompor pemanas 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.
Penggunaan fluida kerja dalam penelitian ini yaitu petroleum eter, yang memiliki titik didih sebesar 40 – 60oC dengan berat jenis relatif antara 0,6 hingga 0,8 gram/cm3 tergantung pada komposisinya.
dibandingkan jumlah massa fluida kerja yang lebih sedikit. Demikian juga pada proses pengembunan, jumlah massa fluida kerja yang lebih banyak dapat menghasilkan penurunan tekanan yang lebih besar tetapi dengan kecepatan pengembunan yang lebih lambat.
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) 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. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh volume udara tekan / udara yang terkompresi dalam tabung udara tekan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamika.
5. Penelitian ini juga meneliti bagaimana pengaruh volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamika
1.3 Tujuan dan Manfaat
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah :
1. Membuat pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas dan pemisah uap.
2. Meneliti debit maksimum pemompaan. 3. Meneliti daya maksimum pempompaan. 4. Meneliti efisiensi maksimum pompa. 5. Meneliti efisiensi termal pompa.
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini :
1. Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa termal.
2. Hasil-hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan hingga terbuatnya suatu produk pompa air termal yang dapat diterima masyarakat dan menjawab permasalahan kebutuhan air.
3. Menjawab tantangan akan krisis energi.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini :
1. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal menggunakan delapan pipa yang tersusun secara paralel sebagai pemanas fluida. 2. Pada penelitian ini, pemanfaatan panas dari surya didekati dengan
selanjutnya digunakan untuk memanasi pipa-pipa yang dialiri fluida kerja.
Kompor pemanas yang digunakan memiliki daya 1800 watt. Daya kompor pemanas ini disebut juga daya pemanas (input). Daya pemanas (input) ini digunakan dalam perhitungan mencari efisiensi termal pompa.
3. Untuk mencari 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 dan dipanasi dalam wadah berisi minyak sebagai penghantar panas dari kompor pemanas. 4. Dalam penelitian ini tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam
perhitungan kompresi udara. Diasumsikan tekanan udara sekitar adalah 1 bar.
5. Volume udara tekan divariasikan dengan jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 1 dan 2 tabung.
6. Head pemompaan divariasikan dengan mengatur tinggi air yang mengalir. Divariasikan tinggi air yang mengalir yaitu 2,35 meter dan 1,35 meter.
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Terdapat 2 klasifikasi pompa air energi termal yaitu dengan sistem termodinamik berpendingin udara dan berpendingin air. Pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pendingin air merupakan yang paling sederhana dan akan digunakan dalam penelitian ini. Pompa air dengan sistem termodinamik berpendingin air memiliki beberapa komponen yaitu kompor pemanas, kondensor, katup hisap, katup tekan, sumber air / sumur, tangki tekan air, tangki tekan udara, pompa benam dan bak penampung atas.
Kompor pemanas digunakan untuk memanasi fluida kerja (petroleum eter). Terdapat pipa header dan pipa risers yang disebut juga pipa pemanas. Kondensor digunakan untuk mengefektifkan pendinginan. Pendinginan dilakukan dengan menggunakan fluida pendingin air yang diperoleh dari kerja pemompaan sebelum masuk dalam bak penampung bawah. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk spiral terbuat dari bahan stainless steel.
2.2 Persamaan yang Digunakan
Unjuk kerja pompa air energi termal diantaranya dinyatakan dengan daya pompa dan efisiensi pompa. Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986) :
ρgQH
Ppompa (1)
dengan ρ adalah massa jenis air, g adalah percepatan gravitasi, Q adalah debit pemompaan, dan 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 h
Ppemanas A (2)
dengan h adalah koefisien perpindahan kalor konveksi, A adalah luas permukaan, dan ΔT adalah temperatur pemanasan (temperatur minyak atau temperatur evaporator rata-rata dikurangi temperatur permukaan pipa pemanas).
semua perpindahan kalor secara konduksi diabaikan, karena pengaruh perubahan daya pemanasan sangat kecil.
Koefisien perpindahan kalor yang terjadi di luar pipa (һo) dan yang terjadi di dalam pipa (hi) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Nu
k
h (3)
dengan k adalah konduktivitas termal, δ adalah panjang karakteristik pipa, dan Nu adalah bilangan Nusselt.
Untuk mencari nilai bilangan Nusselt pada konveksi luar pipa dapat menggunakan persamaan :
Nu = {0,6 + 0,387 Ra1/6 / (1 + (0,559/Pr)9/16)8/27}2 (4)
dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, dan Pr merupakan bilangan Prandtl.
Sedangkan untuk mencari nilai bilangan Nusselt pada konveksi dalam pipa dapat menggunakan persamaan :
Nu = 0,40 Ra0,20 (5)
Dalam menentukan persamaan bilangan Nusselt yang digunakan pada konveksi dalam pipa maupun luar pipa, bilangan Rayleigh (Ra) sebelumnya ditentukan terlebih dahulu. Bilangan Rayleigh (Ra) dapat dicari dengan menggunakan persamaan :
Ra = gβ (TS - T∞)δ3Pr / ⱴ2 (6)
dengan β adalah koefisien volume ekspansi, TS adalah temperatur permukaan (temperatur minyak atau evaporator rata-rata), T∞ adalah temperatur permukaan pipa yang didapatkan dengan metode iterasi, dan ⱴ adalah viskositas kinematik fluida.
Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
%
Efisiensi termal merupakan perbandingan antara daya pemanas output dengan daya pemanas input. Efisiensi termal dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
dengan P1 adalah tekanan udara awal, P2 adalah kompresi udara tekan, V1 adalah volume udara awal, dan V2 adalah volume udara akhir.
2.3 Penelitian yang Terdahulu
14
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Skema Alat
Pada penelitian ini pompa air energi termal memanfaatkan panas uap air panas sebagai sumber panas. Fluida yang di gunakan adalah petroleum eter (wasbensin). Gambar 3.1 merupakan skema alat yang digunakan dalam penelitian. Foto skema alat ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.1.
Gambar 3.1 Skema alat penelitian 1
2 3
4
5
6 7
8
9
10
11
12
`
Bagian-bagian utama alat pada Gambar 3.1 :
1. Kompor pemanas tembaga berukuran 60 cm x 25 cm x 9 cm. Berisi fluida pemanas (minyak) memenuhi kompor pemanas. 2. Pipa pemanas berbahan tembaga dengan diameter ½ inci untuk
risers dan diameter 5/8 inci untuk header. Yang dipanaskan dengan posisi horisontal dengan kemiringan 8,53o pada kompor pemanas. Foto pipa pemanas ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.2.
3. Tabung pemisah uap berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 5 cm dan tinggi tabung 25 cm. Foto tabung pemisah ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.3.
4. Tabung penampung fluida kerja berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 15 cm dan tinggi tabung 20 cm. Foto tabung penampung fluida ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.5. 5. Kondensor berbentuk pipa spiral dengan ukuran diameter ¾ inci,
panjang pipa 7 m dan jumlah spiral 6. Foto kondensor ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.4.
6. Tabung air tekan berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 40 cm dan tinggi tabung 100 cm. Foto tabung air tekan ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.7.
8. Pompa benam berbahan PVC dengan ukuran diameter 4 inci dan panjang 4 m. Foto pompa benam ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.8.
9. Katup searah sisi hisap.
10.Sumur berbentuk tabung berbahan PVC dengan ukuran diameter 4 inci dan kedalaman sumur 1 m.
11.Katup searah sisi tekan. 12.Pipa buang.
13.Penampung air.
Pada penelitian ini menggunakan tabung pemisah uap yang berfungsi untuk memisahkan uap fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa uap fluida kerja. Skema tabung pemisah uap sesuai Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Skema pemisah uap
Proses kerja alat pada penelitian ini, dimulai dengan memanasi pipa pemanas menggunakan kompor pemanas yang berisi fluida pemanas yaitu minyak. Katup penghubung kondensor dan tabung air tekan dalam kondisi terbuka. Katup penghubung tabung penampung fluida kerja dan pipa pemanas
Uap fluida kerja yang menuju kondensor.
Fluida cair kembali
menuju pemanas. Campuran uap fluida dengan
menyebabkan air dalam tabung air tekan naik, dan ketinggian air pada tabung udara menurun, sehingga udara dalam tabung udara tekan tidak terkompresi lagi. Penurunan tekanan pada tabung udara mengakibatkan kevakuman sehingga katup tekan tertutup sedangkan katup hisap terbuka. Terbukanya katup hisap menyebabkan air pada sumur masuk ke dalam pompa benam. Pada saat volume fluida cair kembali ke posisi semula, fluida kerja bisa kembali dipanaskan sesuai kondisi yang diinginkan. Siklus kembali dimulai dari awal.
3.2 Variabel yang Divariasikan
Variasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Volume udara tekan divariasikan dengan jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 1 dan 2 tabung.
2. Head pemompaan sebanyak 2 variasi : 2,35 m dan 1,35 m.
3. Volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan divariasikan sebanyak 2 variasi, yaitu :
a. Pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan volume 2,51 liter (tidak ada udara dalam pemanas dan kondensor). b. Kondensor yang berisi fluida kerja ( volume 1,25 liter)
Variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan dilakukan dengan mengatur jumlah tabung udara tekan yang digunakan. Volume udara mula – mula pada 1 tabung udara tekan sebesar 5,9 liter dan pada 2 tabung udara tekan yang digunakan sebesar 11,81 liter (Gambar 3.3)
Gambar 3.3 Variasi jumlah tabung udara yang digunakan.
Gambar 3.4 Variasi head pemompaan
Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan dilakukan dengan mengatur fluida kerja pada penampung fluida kerja (Gambar 3.5)
Gambar 3.5 Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor.
Volume udara pada pemanas dan kondensor (a) Gambar 3.5 ketika udara tidak mengisi pipa pemanas dan kondensor, namun berisi fluida
kerja dengan volume 2,5 liter. (b) Gambar 3.5 ketika pipa pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm, sedangkan pada kondensor berisi fluida kerja dengan volume 1,25 liter.
3.3 Parameter yang Diukur
Parameter yang diukur dalam penelitian ini sebagai berikut:
1. Temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak (T1 dan T2). 2. Temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T3). 3. Temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T4). 4. Tekanan fluida kerja dalam evaporator (P1).
5. Tekanan air pada tabung air tekan (P2). 6. Tekanan udara pada tabung udara tekan (P3). 7. Kenaikan air pada tabung udara tekan (h). 8. Volume pemompaan (Vpompa).
9. Waktu pemompaan (tpompa). 10.Waktu pemanasan (tpanas). 11.Waktu pendinginan (tdingin).
3.4 Langkah Penelitian
Secara garis besar penelitian dilakukan dengan prosedur yang sama pada tiap variasi sehingga dapat diperoleh hasil untuk membandingkan tiap variasi. Berikut merupakan langkah-langkah yang dilakukan untuk pengambilan data penelitian:
1. Penelitian diawali dengan pembuatan dan penyiapan alat seperti pada Gambar 3.1.
2. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan massa fluida kerja mula-mula.
3. Sebelum pemanasan dimulai atur ketinggian air pada tabung udara tekan dan ketinggian pemompaan sesuai dengan variasi mula-mula yang diinginkan.
4. Ketika uap fluida kerja mulai melemah saat pemanasan, katup tabung penampung fluida kerja mulai dibuka dengan debit yang divariasikan. 5. Data yang dicatat adalah temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak
(T1 dan T2), temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T3), temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T4), tekanan fluida kerja dalam evaporator (P1), tekanan air pada tabung air tekan (P2), tekanan udara pada tabung udara tekan (P3), kenaikan air pada tabung udara tekan (h), volume pemompaan (Vpompa), waktu pemompaan (tpompa), waktu pemanasan (tpanas), waktu pendinginan (tdingin).
24
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Berikut adalah data dan hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan volume udara tekan, head pemompaan, dan volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan.
siklus tekan berakhir, dan merupakan awalan ketika siklus hisap, dan ΔVsumur yaitu volume air yang dipompa dari sumur dan keluar pada pipa buang selama satu siklus pemompaan.
Penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris pada data yang tersaji dalam bentuk tabel yaitu pada Tabel 4.1E – 4.1F dengan keterangan pada kolom tpanas yaitu lama waktu pemnasan fluida cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga akhir siklus tekan, tpompa yaitu lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai mengalir dari ujung tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir, Vair yaitu volume air hasil pemompaan dalam satu siklus, Qair yaitu debit air hasil pemompaan dalam satu siklus, Ppompa yaitu daya pemompaan dalam satu siklus pemompaan dan Ppemanas yaitu daya pemanas dalam proses pemanasan. Sedangkan keterangan pada baris variasi yaitu variasi yang dilakukan dalam penelitian.
Tabel 4.1A Data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung.
Tabel 4.1B Data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35
Tabel 4.1C Data penelitian pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara.
Perhitungan petama kali dilakukan dengan menghitung daya pompa. Persamaan yang digunakan adalah Persamaan (1), dengan variabel yang diketahui adalah :
Data 2 tabung udara tekan
Head = 2,35 m g = 9,81 m2/det tpompa = 667 detik ρair = 1000 kg/m3 Vair = ΔVsumur = 1,37 liter
Perhitungan daya pemompaan adalah :
Ppompa = ρair g Q H
Ppompa = 1000 kg/m3 × 9,81 m2/det × (1,37 × 10-3 m3 / 667 detik) × 2,35 m
Ppompa = 0,047 watt
Perhitungan daya pemanas dilakukan setelah menentukan sifat-sifat fluida dengan melihat Tabel L.1 Sifat-sifat Fluida yang digunakan dalam pehitungan mencari nilai bilangan Rayleigh, Nusselt dan koefisien perpindahan kalor.
Persamaan yang digunakan adalah Persamaan (6) untuk mencari nilai Ra, Persamaan (5) untuk mencari nilai Nu pada konveksi dalam pipa pemanas, Persamaan (4) untuk mencari nilai Nu pada konveksi luar pipa pemanas, Persamaan (3) untuk mencari nilai h, dan Persamaan (2) untuk mendapatkan daya pemanas. Dengan variabel yang diketahui adalah :
T3 = 59 oC T4 = 77 oC
dpipa = 0,5 in Lpipa = 0,6 m
Dari variabel yang sudah diketahui, sifat – sifat fluida perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa yang dapat diketahui adalah :
ⱴ = 3,5 × 10-8 m2/s Pr = 52,3 k = 0,1282 W/moC
Dari variabel yang sudah diketahui, sifat – sifat fluida perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa yang dapat diketahui adalah :
ⱴ = 5,98 × 10-8 m2/s Pr = 8,813 k = 0,1542 W/moC
Hasil dari perhitungan nilai Ra dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa adalah :
Ra = gβ (TS - T∞) δ3Pr / ⱴ2
Ra = 9,81 × 0,0028 × (89,6 - 68) × 0,0123 × 8,813 / (5,98 × 10-8)2
Ra = 2,68 × 10-9
Dengan Ts merupakan temperatur rata-rata evaporator ((T3 + T4)/2) dan T∞ adalah temperatur permukaan yang didapat menggunakan metode iterasi.
Hasil dari perhitungan nilai Ra dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa adalah :
Ra = gβ (TS - T∞) δ3Pr / ⱴ2
Ra = 5,8 × 10-6
Dengan Ts merupakan temperatur rata-rata minyak ((T1 + T2)/2) dan T∞ adalah temperatur permukaan yang didapat menggunakan metode iterasi.
Hasil dari perhitungan nilai Nu dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa adalah :
Nu = 0,40 Ra0,20
Nu = 0,40 × (2,68 × 10-9) 0,20
Nu = 30,75
Hasil dari perhitungan nilai Nu dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa adalah :
Nu = {0,6 + 0,387 Ra1/6 / (1 + (0,559/Pr)9/16)8/27}2
Nu = {0,6 + 0,387 × (5,8 × 10-6) 1/6 / (1 + (0,559/52,3)9/16)8/27}2
Nu = 32,15
Hasil dari perhitungan nilai dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa adalah :
= k Nu / δ
= 0,1542 × 30,75 / 0,012
Hasil dari perhitungan nilai dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa adalah :
= k Nu / δ
= 0,1282 × 32,15 / 0,012
= 388,69 W/m2oC
Perhitungan daya pemanas menggunakan salah satu nilai yang didapat. Perhitungan daya pemanas adalah :
Ppemanas = A ΔT
Ppemanas = 388,69 W/m2 × oC × π × 0,0127 m × 0,6 m × 8 × (114,5 oC – 89,6 oC)
Ppemanas = 1554 watt
Perhitungan efisiensi pompa dilakukan dengan menggunakan Persamaan (7) sebagai berikut :
ηpompa = (Ppompa / Ppemanas) x 100%
ηpompa = (0,047 watt / 1554 watt) x 100%
Perhitungan efisiensi termal dilakukan dengan menggunakan Persamaan (8) sebagai berikut :
ηtermal= (Ppemanas (output)/ Ppemanas (input) ) x 100%
ηtermal = (1554 watt / 1800 watt) x 100%
ηtermal = 85,78 %
Perhitungan kompresi udara dalam tabung udara tekan dilakukan menggunakan Persamaan (9) sebagai berikut :
P2 = P1 V1 / V2
P2 = 1 × 11,81 / 6,72
P2 = 1,75 bar
Dengan cara yang sama, seluruh data penelitian tiap variasi dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) sampai Persamaan (9). Berikut adalah hasil dari seluruh data penelitian yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 4.1E Hasil perhitungan data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35
dan efisiensi pompa yang didapatkan yaitu 0,059 watt dan 0,004 %. Sedangkan pada variasi 2 jumlah tabung udara tekan yang digunakan, daya dan efisiensi pompa yang didapatkan yaitu 0,0047 watt dan 0,003% . Hal ini dikarenakan oleh pengaruh jumlah uap yang dihasilkan pada pemanasan fluida kerja dengan laju aliran 3 liter/menit. Dengan jumlah uap yang sama, tekanan air pada tabung tekan air yang terdorong uap fluida hasilnya pun sama. Tekanan air dari tabung udara tekan yang dibutuhkan untuk mengkompresi udara pada 2 tabung udara tekan lebih besar, dibandingkan dengan 1 tabung udara tekan yang digunakan. Akibatnya dibutuhkan waktu yang lebih lama pada variasi 2 tabung udara tekan untuk memompa air dengan head pemompaan yang sama, dibandingkan pada variasi 1 tabung udara tekan yang digunakan. Sehingga debit, daya pemompaan, dan efisiensi pemompaan pada variasi 1 tabung udara tekan hasilnya lebih baik daripada variasi 2 tabung udara tekan.
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan.
pemompaan untuk ketinggian tertentu. Semakin tinggi head yang dibutuhkan untuk pemompaan, debit, daya dan efisieni pemompaan semakin rendah.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi head pemompaan.
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi head pemompaan.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
Hasil penelitian pada Gambar 4.7 , Gambar 4.8 , dan Gambar 4.9 menunjukan debit, daya dan efisiensi maksimal pemompaan pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara yaitu ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, namun berisi fluida kerja sebesar 0,15 liter / menit. Sedangkan pada variasi volume udara hanya mengisi pemanas debit yang dihasilkan kurang maksimal yaitu 0,11 liter / menit. Begitu pula dengan hasil daya dan efisiensi pemompaan yang dihasilkan. Untuk variasi ketika sejumlah udara tidak ada pada pemanas dan kondensor, daya dan efisiensi pemompaan yang didapat yaitu 0,093 watt dan 0,006%. Hal ini disebabkan karena pengaruh adanya udara dalam jalur uap fluida dari pipa pemanas menuju tabung air tekan. Udara menghambat laju uap menuju tabung air tekan dalam proses penekanan air menuju tabung udara tekan. Akibatnya udara yang terkompresi dalam tabung udara tekan kurang maksimal dan mempengaruhi proses pemompaan. Akibat dari kurang maksimalnya proses pemompaan, debit, daya dan efisiensi pemompaan yang dihasilkan menjadi kurang maksimal.
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi volume udara pada pemanas dan kondensor.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan head pemompaan 2,35 m.
Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan head pemompaan 2,35 m.
41 BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
1. Telah dibuat pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas dan pemisah uap.
2. Debit maksimum pemompaan sebesar 0,25 liter / menit tiap siklus pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
3. Daya maksimum pemompaan sebesar 0,109 watt pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
4. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,01 % pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.
5.2 Saran
1. Penambahan panjang pada pipa pemanas, untuk memaksimalkan penguapan pada fluida kerja.
2. Penggantian fluida kerja yang digunakan dalam proses pemompaan dengan titik uap yang lebih rendah daripada petroleum eter. Untuk meminimalkan waktu pemanasan. Agar mendapatkan debit, daya, dan efisiensi pemompaan yang lebih baik.
3. Konstruksi dan bahan untuk pipa kondensor dibuat lebih pendek dan menggunakan bahan dengan konduktivitas termal yang baik agar uap fluida kerja bisa maksimal sampai menuju tabung tangki tekan air dan bagus dalam proses pendinginan.
43
DAFTAR PUSTAKA
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
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 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.3 Pemisah uap Gambar L.4 Kondensor
Gambar L.7 Tangki air tekan Gambar L.8 Pompa Benam
TABEL SIFAT-SIFAT FLUIDA (MINYAK)
