5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Dasar Desalinasi
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu : perebusan, penyaringan, desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa padatan-padatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil. Proses desalinasi secara umum biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).
6 berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum natural adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube. Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Alasan penggunaan sistem desalinasi vakum natural dalam penelitian ini adalah karena penggunaan daya listriknya yang rendah, cocok untuk pemakaian skala besar terutama di pesisir pantai, dan keunikan sistemnya yang tidak membutuhkan pompa vakum untuk menyuplai air laut ke evaporator yang tingginya 10m. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum. Adapun kelebihan dan kelemahan dari sistem desalinasi vakum natural sebagai berikut.
Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk penyuplaian air laut
2. Biaya konstruksi termurah diantara semua jenis desalinasi tenaga surya 3. Pemanasan dapat menggunakan suplai panas rendah karena sistem dalam
7 Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan dengan ketinggian
2. Hanya cocok untuk pemakaian skala besar (untuk luas alas evaporator yang besar)
3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime sistem
Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem desalinasi bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis lain beserta prinsip kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab berikutnya.
10,34 m
C o n d e n s e r
Evaporator
Saline Water Tank Saline Water
Brine Condensate Heater
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural
2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi
2.2.1 Solar Still
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga
8 dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2 menunjukkan sistem solar still sederhana.
Kelebihan menggunakan Solar Still : 1. Konstruksi yang sederhana
2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondensasi terjadi pada kaca
3. Mudah dalam perawatannya Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat langsung jatuh kembali dan bercampur dengan air laut yang belum berevaporasi
3. Proses evaporasi lambat karena air laut dipanaskan pada tekanan atmosfer
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana
2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah uap saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin banyak dengan meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal sebelum disemprotkan ke dalam evaporator. Pemanasan terjadi pada dua fluida, yakni air laut dan angin. Pemanasan pada angin bertujuan untuk disirkulasikan ke dalam ruang evaporator - kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem ini, udara panas membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang berada tepat di
Sea Water Tank
Basin
Brine Tank Fresh Water Tank
Solar Radiation
Glass
9 sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam (Parekh dkk, 2004). Gambar 2.3 menunjukkan sistem desalinasi surya humidifikasi – dehumidifikasi.
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi : 1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah
3. Konsentrat garam yang masih mengandung air dapat diproses ulang
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi : 1. Konstruksi yang kompleks
2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke tempat penampungan dapat menimbulkan percikan air sehingga memungkinkan terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak baik
3. Meskipun menggunakan energi surya sebagai sumber pemanas, sistem masih menggunakan energi listrik untuk mensirkulasikan udara dan air laut
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi
Hot Air
Evaporator
Air in Solar Air Heater
Blower Hot Air Inlet
Brine Out
Brine Storage Tank
Solar Water Heater
Preheated Sea Water Hot Sea Water
Distillate Tank
Brine Recycle
Pump Dehumidified Air Outlet
Saline Water Tank
Sea Water In
10
2.2.3 Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik
yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbo-generator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter kolektor surya yang besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang tinggi. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca akan menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012)
Kelebihan sistem desalinasi solar chimney : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih 3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :
1. Konstruksi sistem kompleks
2. Biaya turbin dan kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat besar
3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut
Condensate Tank Condensate
Pump
Condenser
Air In Sea Water
Air In Sea Water
Transparent Plastic or Glass Cover SUN
Chimney
Humid Hot Air
Wind Turbine
11
2.2.4. Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah yang dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk berubah fasa pada tingkat berikutnya dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979)
Kelebihan solar multi stage flash desalination : 1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi
2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari kolektor surya
3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas selama 24 jam
Kelemahan solar multi stage flash desalination : 1. Konstruksi sistem yang kompleks
2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energy Storage) dan pompa vakum mahal
3. Perawatan sulit dan mahal
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash
Brine
Saline Water Tank
Saline Water Destilate Tank
Pump Condenser Preheated Feed Water
Solar Field
Thermal Energy Storage
Heat Transfer Field
Thermic Fluid Boiler
12
2.2.5. Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek yang dipertahankan pada tekanan rendah dengan pompa vakum. Panas yang dibutuhkan untuk mengevaporasi air laut pada efek pertama disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED (Mezher dkk, 2011)
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek 3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan solar multi effect distillation :
1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada pasaran pompa vakum sangat mahal
2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem 3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation
To Vacuum To Vacuum To Vacuum Preheated Feed Water
Saline Water Tank
Destillste Tank Destillate
Pump Condenser
Brine
13
2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Kompresi Uap, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas eksternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga uap yang diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006) Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga perawatannya lebih mudah
2. Konstruksi sistem yang sederhana
3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di kondensor Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Komponen sistem yakni pompa dan kompresor mahal 2. Masih menggunakan enegi listrik yang tidak sedikit
3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih untuk skala kecil
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik
Condenser
Destillate Tank Saline Water Tank Pump
Brine Tank Brine Out Compressor
External power Source Electic Heater
Hot Saline Water
Heated Vapor
14
2.2.7 Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut dibiarkan untuk didinginkan di bawah titik beku, sehingga kristal es dari air bersih yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung, desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan air laut pengumpan dalam pembeku sehingga panas dari air laut akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air bersih dalam bentuk kristal es. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis, sehingga dewasa ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas karena dapat mengkontaminasi kristal es. Ukuran dari alat pencairan dan pembersihan dapat diperkecil dengan memperkecil jumlah dalam air sehingga biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air laut yang tidak dicampur satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk kristal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam sistem desalinasi beku vakum, air laut umpan didinginkan di bawah three point dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensasi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination.
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Efisiensi sistem desalinasi sangat tinggi 2. Konstruksi mudah
15 Kelemahan Freeze Desalination :
1. Sistem masih menggunakan energi listrik 2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem mahal
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump
2.2.8 Desalinasi Adsorpsi
Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator, dudukan adsorpsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air laut yang menguap di evaporator diserap oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air terjebak di dalam dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air yang telah dipulihkan dikondensasikan dalam kondensor dan hasil kondensasi berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, adsorpsi berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan (Wu dkk, 2010)
Fresh Water Brine Water Waste Washing Water Line
Brine Fresh Water
B A
Evaporator or Condenser Evaporator or
Condenser
Solar PV or Thermal Powered Compressor Unit
16 Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi karena melalui distilasi ganda 3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat garam
Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan distilasi ganda 2. Perawatan sistem sulit
3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk mensirkulasikan air dingin dan air panas
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi
2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya
Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi mekanik yang dihasilkan oleh aliran fluida organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat
Brine Tank Ambient Temperatur Water Saline Water
V1 V2
Warm Water Out Warm Water Out Cold water In Hot water In
Adsorption Process
Desorption Process BED 1 BED 2
V3 V4
Chilled Water Warm Water Desalinated Water
Destillate Tank Condenser
17 memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012)
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam
2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler
3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem
Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua pompa bertekanan tinggi
2. Perawatan sistem yang sulit 3. Konstruksi kompleks dan mahal
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya
Saline Water Tank Saline Water
Condenser Solar Organic Rankine Cycle Organic Fluid
Turbine
High Pressure Pump
RO Module
Fresh Water Brine
Brine Tank Fresh Water Tank Heat Transfer Fluid
Thermal Energy Storage
Boiler
Solar Field
18
2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air laut dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air laut dan dipisahkan oleh membran pertukaran kation dan anion. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan anoda, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran pertukaran kation dan ion-ion ini akan terakumulasi dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai konsentrat garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009)
Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Tidak ada kemungkinan kontaminasi konsentrat garam ke air bersih karena melalui banyak membran
3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
2. Membutuhkan energi listrik yang besar untuk disuplai pada pompa dan unti elektrodialisis
3. Perawatan sistem sulit dan mahal
Gambar 2.11. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis
Saline Water Tank Pump
Fresh Water Tank Brine Tank
Saline Water
Anode Cathode
CEM AEM CEM AEM
CEM AEM
19
2.2.11 Distilasi Membran Tenaga Surya (MD)
Distilasi membran adalah proses pemisahan yang mana hanya uap yang diperbolehkan untuk melewati poros membran hidrofobik. Pemisahan ini dapat terjadi karena perbedaan tekanan uap antara permukaan membran. Ada empat jenis proses distilasi membran yaitu membran distilasi celah udara, sweeping gas distillation, membran distilasi kontak langsung dan membran distilasi vakum. Di semua proses ini larutan panas umpan berkontak langsung dengan permukaan membran (Qtaishat dkk, 2012). Penjelasan tentang keempat jenis proses distilasi membran dapat dilihat pada diagram berikut.
Gambar 2.12. Tipe Proses Distilasi Membran
Destilasi Membran Kontak Langsung
larutan umpan panas dan permeat dingin akan berada dalam kontak langsung dengan membrane
kondensasi uap terjadi dalammodul membran
panas hilang secara konduksi
Destilasi Membran Celah Udara
Kehadiran celah udara antara membran dan permukaan kondensat
kondensasi uap terjadi di dalam sel membran setelah melintasi celah
Pengurangan panas hilang secara konduksi
adanya udara meningkatkan resistensi perpindahan massa
Destilasi Membran gas Menyapu
gas menyapu digunakan untuk menyapu uap di sisi membran permeat
kondensasi terjadi di luar modul membrane
Pengurangan panas hilang secara konduksi
perpindahan massa ditingkatkan
Destilasi Membran Vakum
vakum dibuat dalam sisi membran
permeat
kondensasi terjadi di luar modul
membran
kehilangan panas oleh konduksi
diabaikan
20 Gambar 2.13. Unit distilasi membran bertenaga surya
2.2.12 Forward Osmosis (FO)
Forward Osmosis adalah sebuah proses di mana molekul air dari air laut
bergerak melalui membran semi permeabel terhadap larutan seimbang yang mana umumnya pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada larutan umpan. Utamanya FO menggunakan gradien tekanan osmotik dan bukan gradien tekanan hidrolik (Cath dkk, 2006).
Kelebihan Forward Osmosis : 1. Konstruksi sederhana
2. Perawatan mudah yaitu cukup dengan mengganti membran semi permeabel
3. Laju produksi air bersih yang tinggi Kelemahan Forward Osmosis :
1. Membran semi permeabel yang mahal
2. Kontaminasi konsentrat garam ke air bersih bergantung pada efektivitas membran semi permeabel
3. Usia membran semi permeabel singkat
Saline Water Tank Pump
Distillate
Brine Membrane
Condensate Solar Collector Field
21 Gambar 2.14. Unit Forward Osmosis
2.2.13 Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
Dalam sistem desalinasi, uap air bersih dapat diproduksi dari air laut pada tekanan operasi yang rendah jika vakum telah disediakan oleh pompa vakum, akan tetapi hal ini akan mengkonsumsi lebih banyak daya. Konsumsi energi listrik dapat dikurangi atau ditiadakan dengan memvakumkan ruangan secara alami, artinya dengan menggunakan gaya gravitasi yang diikuti oleh jatuhnya air dibawah gravitasi sehingga membentuk vakum pada ketinggian 10,34 meter.
Gambar 2.15. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
Sea Water Tank
Fresh Water Tank Fresh Water
Solar Radiation
Draw Solution Brine Tank
Semi Permeable Membrane Sea Water
Condensate Brine
Saline Water
Saline Water Tank Solar Heating System
Evaporator
C o n d e n s e r
22
2.3 Pemodelan Matematik Sistem
Pada subbab ini akan dijelaskan pemodelan matematis dari setiap komponen yang ada dalam desalinasi sistem vakum. Pemodelan matematis yang akan dibahas adalah pada evaporator, sumber panas (heat source), alat penukar kalor tube in tube, dan kondensor. Pembahasan akan lebih sederhana apabila telah ditetapkan beberapa asumsi, antara lain :
1. Kapasitas panas di evaporator dan kondensor diabaikan
2. Temperatur pada masing-masing komponen adalah seragam atau tidak ada variasi temperatur di evaporator dan kondensor
3. Sumber panas menggunakan pemanas listrik agar suplai panas ke evaporator merata dan tidak mengganggu perhitungan konfigurasi evaporator dan kondensor
4. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan laminar karena kecepatan fluida kerja baik dalam alat penukar kalor, evaporator dan kondensor sangat kecil 5. Kenaikan konsentrasi air laut dalam evaporator sangat kecil sehingga
dapat diabaikan 6. Efek radiasi diabaikan
7. Panas hilang secara konveksi natural
8. Ketinggian air laut dalam evaporator konstan
2.3.1 Analisis pada Evaporator
Pada subbab 2.1 telah dijelaskan bahwa fungsi dari evaporator adalah sebagai ruang pemanasan air laut hingga sejumlah air laut dapat menjadi air bersih. Air laut akan masuk ke evaporator dari pipa pengumpan pada laju aliran massa yang disimbolkan mi[kg/s]. Kemudian akan terjadi penguapan dengan laju
e
23 Gambar 2.16 Diagram Aliran Massa pada Evaporator
Penerapan hukum kekekalan massa diberikan oleh persamaan berikut :
V s iVi wVw eVedt
d
(2.1)
Dimana V [m3] adalah volume air laut di evaporator, dan V[m3/s] laju aliran volume pada masing-masing sisi masuk dan sisi keluar evaporator. Akibat adanya penguapan, maka konsentrasi garam di dalam evaporator akan bertambah. Jika konsentrasi dinyatakan dengan C[%], maka perubahan konsentrasi garam di dalam tabung evaporator dapat dinyatakan dengan:
CV
s C iVi
C sVwdt
d
(2.2)
Dimana huruf s menyatakan sea water yang ada di evaporator.
Hukum kekekalan energi pada evaporator dapat didefenisikan sebagai banyaknya panas yang masuk dikurangi dengan panas yang keluar akan digunakan untuk menaikkan temperatur fluida di evaporator. Dalam bentuk persamaan menjadi:
CpVT
s Qin
CpT
iVi CpT
sVw Qe Qlossdt
d
(2.3)
24 Laju penguapan (evaporasi) dari air laut di dalam evaporator (dinyatakan dengan huruf "s") ke dalam air murni di kondensor (dinyatakan dengan huruf "f") dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:
adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen, nilainya6 7
10
10 m [kg/m2.Pa.s.K0,5] (Bemporad, 1995). Tekanan uap sebagai fungsi temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan:
63,042 7139,6 ( 273) 6,2558ln( 273) (2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Sementara massa jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida, yang dirumuskan dengan
/% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan Goswami, 2004).
Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan konsentrasi dan dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975):
25 Konstanta A dan B dirumuskan dengan
4
Laju panas penguapan di evaporator pada persamaan (2.4), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996):
)]
Untuk pengujian dengan suplai panas konstan, panas hilang dari evaporator dapat diasumsikan sebagai konveksi natural. Dalam perhitungan ini radiasi diabaikan, dan panas hilang diasumsikan dari tiga bagian, yaitu kerucut (atas), dinding, dan alas evaporator. Setiap bagian memiliki koefisien konveksi yang berbeda-beda. Panas hilang dari konduksi antara pipa outlet uap ke pipa kondensor diabaikan karena terdapat insulasi panas berbahan karet.
Panas hilang dari alas evaporator ke lingkungan dapat dihitung dengan persamaan:
(2.12)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural diberikan dengan persamaan :
(2.13)
dengan RaL adalah bilangan tanpa dimensi Rayleigh diberikan dengan :
(2.14)
26
(2.15)
dimana As dan p masing-masing adalah luas alas evaporator dan keliling evaporator.
Panas hilang dari sisi dinding diberikan dengan persamaan :
(2.16)
dimana rins,o dan ls masing-masing merupakan radius dari pusat evaporator ke permukaan luar dari insulasi dan tinggi dinding evaporator.
Koefisien perpindahan panas konveksi natural dari sisi dinding evaporator diberikan oleh :
(2.17)
Bagian atas dari evaporator dibentuk seperti kerucut terpotong dimana dapat dianggap sebagai plat miring dengan sudut kemiringan θ. Panas hilang dari bagian tersebut dapat dihitung dengan rumus :
(2.18)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian atas evaporator dihitung dengan :
(2.19)
2.3.2 Analisis Alat Penukar Kalor Tube in Tube
27 garam akan diambil kembali (heat recovery) dengan menggunakan sebuah Alat Penukar Kalor pipa annulus, seperti Gambar 2.16 berikut.
0
Gambar 2.17 Alat Penukar Kalor sebagai Heat Recovery
Perpindahan panas pada Alat Penukar Kalor ini dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan efektifitas ().
0
min T T
C
qr w (2.20)
Efektivitas untuk APK pipa ganda sepusat dirumuskan dengan
28 Perkalian koefisien perpindahan panas menyeluruh dengan luas bidang perpindahan panas untuk pipa ganda sepusat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
Sementara untuk koefisien perpindahan panas di luar pipa dalam diantara kedua pipa (annulus) dapat dihitung dengan metode berikut (Incropera dan DeWitt, 1996).Jika aliran adalah laminar, yang dinyatakan dengan bilangan Reynolds berikut:
2300
Maka Bilangan Nusselt diantara annulus merupakan fungsi perbandingan diameternya dan dapat dipilih dari Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Bilangan Nu di dalam pipa annulus aliran laminar
0
Tetapi jika aliran adalah turbulent ReD2300 maka koefisien di dalam annulus
akan sama dengan di dalam pipa dan persamaan berikut dapat digunakan :
4 evaporator dapat dihitung.
29
2.4 Evaporative Cooling
Fenomena yang terjadi pada evaporator untuk mengevaporasikan sejumlah fluida kerja bukan hanya bergantung pada pemanas air listrik, namun lebih bergantung pada fenomena evaporative cooling.
Untuk lebih memahami mekanisme evaporative cooling, bayangkan evaporasi air dari kolam renang ke udara. Asumsikan air dan udara bertemperatur sama pada kondisi awal. Jika udara bersaturasi (humiditas relatif 100%), maka tidak akan ada perpindahan panas atau massa selama kondisi isotermal terjadi. Namun apabila udara tidak bersaturasi (humiditas relatif < 100%), maka akan ada perbedaan diantara konsentrasi uap air pada lapisan antara uap air dan udara (yang mana selalu tersaturasi) dan posisi di atas lapisan tersebut (lapisan batas konsentrasi). Perbedaan konsentrasi adalah gaya penggerak untuk perpindahan massa, dan oleh karena itu perbedaan konsentrasi ini akan menggerakkan air ke udara. Akan tetapi air harus berevaporasi terlebih dahulu, dan untuk berevaporasi air membutuhkan panas laten evaporasi. Pada kondisi awal, seluruh panas penguapan berasal dari air di dekat lapisan uap air – udara karena tidak ada perbedaan temperatur diantara air dan sekitarnya sehingga tidak mungkin ada perpindahan panas. Temperatur air yang dekat dengan permukaan harus turun sebagai akibat kehilangan panas sensibel, dimana juga menurunkan tekanan saturasi sehingga terbentuk uap air pada lapisan air – udara.
30 keseimbangan energi pada lapisan tipis cairan pada permukaan dapat diberikan dengan rumus sebagai berikut.
atau
(2.28)
Gambar 2.18. Mekanisme Evaporative Cooling (Yunus A. Cengel, 2002)
2.5 Fortran PowerStation 95
Untuk menganalisa perhitungan matematik sistem yang membutuhkan perhitungan pada setiap detiknya, perhitungan secara manual akan lebih sulit dan rumit. Untuk itu digunakanlah bahasa pemrograman agar analisa dapat dilakukan secara kontinu. Dalam perhitungan ini, analisa data akan dibantu dengan program Fortran PowerStation 95. Fortran adalah sebuah bahasa pemrograman. Pertama kali dikembangkan pada tahun 1956 oleh John Backus di IBM Corporation
(International Business Machines). Digunakan dalam bidang sains selama 50
tahun kemudian. Ditujukan untuk mempermudah pembuatan aplikasi matematika, ilmu pengetahuan, dan teknik.
31 Kelemahannya pada operasi input/output yang lalu. Kode sumbernya juga sulit dipahami dibanding bahasa pemrograman tingkat tinggi lainnya.
