Rancang Bangun Alat Desalinasi Air Laut Sistem Vakum Natural Dengan Media Evaporator Dan Kondensor Yang Dimodifikasi Flange

(1)

RANCANG BANGUN ALAT DESALINASI AIR LAUT SISTEM

VAKUM NATURAL DENGAN MEDIA EVAPORATOR

DAN KONDENSOR YANG DIMODIFIKASI FLANGE

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FRENKY CHRISTIAN NABABAN NIM. 110401099

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“RANCANG BANGUN ALAT DESALINASI AIR LAUT SISTEM VAKUM

NATURAL DENGAN MEDIA EVAPORATOR DAN KONDENSOR YANG DIMODIFIKASI FLANGE”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang tahu terima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan, dukungan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. Selaku Dosen Pembanding I dan Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc. Selaku Dosen Pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

(11)

ii 5. Saudara penulis, Jannery Nababan, Deniaty Nababan, ST, dan Juniaman Saragih, ST yang telah memberi dukungan dan semangat dalam penyelesaian skripsi ini.

6. Ayahanda Richie Wijaya, atas dukungan moril dan materil yang dibutuhkan penulis selama berlangsungnya penyelesaian skripsi ini.

7. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

8. Rekan-rekan satu tim skripsi grup desalinasi yaitu Peter Sumarwan, Richie Wijaya, Alexander Jos, Darman Sucitra, dan Novendy Leonard yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi ini.

9. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2011 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.

Medan, 25 Januari 2016

(12)

iii

ABSTRAK

Desalinasi air sistem vakum natural merupakan sebuah konsep inovatif sistem desalinasi baru yang menfaatkan gaya gravitasi natural dan tekanan atmosfer untuk membentuk ruang vakum dimana air laut di evaporasikan menggunakan sumber panas dengan tingkat yang rendah. Sistem kerja alat desalinasi vakum natural terdiri dari elemen pemanas dengan kebutuhan daya yang rendah, sebuah evaporator, sebuah kondensor, dan tangki sebagai penyuplai air laut dan pembuangan konsentrat garam. Evaporator dihubungkan dengan kondensor sebagai kondensasi uap air yang diambil sebagai produk. Proses pembentukan kondisi vakum dengan sistem natural dilakukan dengan meletakkan alat desalinasi pada ketinggian + 10 m (ketinggian yang dibutuhkan pipa air yang dapat menyeimbangkan tekanan atmosfer). Pada penelitian ini konsep dipelajari secara teoritis dan eksperimental. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pukul 09:00-17:00 WIB selama enam hari berturut-turut diperoleh, kinerja alat desalinasi berada pada temperatur rata-rata evaporasi 50˚C pada tekanan vakum rata-rata 61,083 cmHg dengan energi listrik rata-rata proses evaporasi selama pengujian adalah 1 kWh dan total kehilangan panas rata-rata 7,45 watt. Adapun kuantitas air bersih rata-rata perhari yang diperoleh ialah 1,15 Liter.

(13)

iv

ABSTRACT

Water Desalination Natural Vacuum System is a new innovative desalination concept which uses natural gravitational forces and atmosphere pressure to create vacuum conditions where seawater evaporated using low grade heat. The system consist of heater element with low power consumption, an evaporator, a condenser, and tank as a seawater supplier and withdrawal of brine. Evaporator is connected with condenser as vapor condensation which is the product of the system. The process of creating vacuum condition with natural system is done by positioning evaporator at the height of about 10 meter (which the water pipe need to balance the atmosphere pressure). In this research the concept was studied theoretically and experimentally. Based on research and analysis done from 09:00 – 17:00 West Indonesian Time for 6 days obtained, process of desalination system work at average temperature evaporation 50˚C in average vacumm of pressure 61,083cmHg with average power consumption need by desalination unit for evaporation is 1 kWh, and total average heat loss is 7,45 watt. The average quantity of fresh water for 1 day is 1,15 Litre.

(14)

v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 2

1.2 Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Batasan Masalah Penelitian ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Metodologi Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Teori Dasar Desalinasi ... 5

2.2 Pengertian Air ... 7

2.3 Kebutuhan Air ... 8

2.4 Standar Kualitas Air Bersih ... 9

2.5 Klasifikasi Sistem Desakinasi ... 10

2.5.1 Solar Still ... 10

2.5.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi ... 11

2.5.3 Solar Chimney ... 12

2.5.4 Solar Multi Stage Flash Desalination ... 13

2.5.5 Solar Multi Effect Distillation ... 14

2.5.6 Desalinasi Kompresi Uap ... 15

2.5.7 Freeze Desalination ... 16

(15)

vi

2.5.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya ... 19

2.5.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED) ... 20

2.5.11 Distilasi Membran Tenaga Surya ... 22

2.5.12 Forward Osmosis ... 23

2.5.13 Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya ... 24

2.6 Material bahan Stainless Steel ... 25

2.7 Fenomena Evaporative Cooling ... 26

2.8 Analisis di Evaporator ... 28

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 32

3.1 Tempat dan Waktu ... 32

3.2 Metode Desain ... 32

3.2.1 Perancangan Evaporator ... 33

3.2.2 Perancangan Kondensor ... 34

3.2.3 Perancangan pipa APK dan pipa Fresh Water ... 35

3.3 Proses Pembuatan Alat Desalinasi ... 37

3.4 Alat dan Bahan ... 40

3.4.1 Alat ... 40

3.4.2 Bahan ... 49

3.5 Flowchart Penelitian ... 50

3.6 Prosedur Pengujian ... 51

3.7 Data Penelitian ... 51

3.8 Set-up Eksperimental ... 52

BAB IV HASIL DAN DISKUSI ... 55

4.1 Hasil Rancang Bangun Kinerja Alat Desalinasi Sistem Vakum ... 55

4.2 Grafik Suhu Pengukuran ... 56

4.3 Perhitungan Energi Listrik yang diperlukan Selama Pendidihan ... 59

4.4 Perhitungan Kehilangan Panas pada Evaporator... 60

4.4.1 Menghitung Kehilangan Panas Pada Sisi Alas Evaporator ... 61

4.4.2 Menghitung Kehilangan Panas Pada Sisi Dinding Evaporator .. 62

(16)

vii

4.5 Kuantitas Air Bersih yang Diperoleh ... 72

4.6 Kualitas Air Bersih yang Diperoleh ... 73

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 75

5.1 Kesimpulan ... 75

5.2 Saran ... 76

(17)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data perhitungan pemakaian energi listrik perhari ... 59 Tabel 4.2 Data perhitungan loses pada evaporator tiap 15 menit

(18)

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Desalinasi Sistem Vakum Natural ... 7

Gambar 2.2 Solar Still Sederhana ... 11

Gambar 2.3 Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi-Dehumidifikasi ... 12

Gambar 2.4 Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut ... 13

Gambar 2.5 Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash ... 14

Gambar 2.6 Solar Multi Effect Distillation ... 15

Gambar 2.7 Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik ... 16

Gambar 2.8 Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump ... 18

Gambar 2.9 Sistem Desalinasi Adsorpsi ... 19

Gambar 2.10 Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya ... 20

Gambar 2.11 Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis ... 21

Gambar 2.12 Tipe Proses Distilasi Membran ... 22

Gambar 2.13 Unit Distilasi membrane bertenaga surya ... 23

Gambar 2.14 Unit Forward Osmosis ... 24

Gambar 2.15 Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya ... 24

Gambar 2.16 Mekanisme Evaporative Cooling ... 27

Gambar 2.17 Diagram aliran massa pada Evaporator ... 28

Gambar 3.1 Desain Evaporator pada solidwork 2010 ... 33

Gambar 3.2 Desain Heater pada Autocad 2007 ... 34

Gambar 3.3 Desain tampak evaporator dilengkapi heater pada solidwork 2010 ... 34

Gambar 3.4 Desain kondensor dengan modifikasi flange pada solidwork 2010 ... 35

Gambar 3.5 Desain Pipa APK dari evaporator pada solidwork 2010 ... 36

Gambar 3.6 Desain Pipa APK menuju tangki air pada solidwork 2010 ... 36

Gambar 3.7 Desain alat desalinasi ... 37

Gambar 3.8 Pembuatan tangki evaporator... 37

(19)

x

Gambar 3.10 Pemasangan tangki dengan tutup evaporator ... 38

Gambar 3.11 Pembuatan kondensor ... 38

Gambar 3.12 Kondensor dengan modifikasi flange ... 38

Gambar 3.13 Rancangan pipa APK ... 39

Gambar 3.14 Instalasi total alat desalinasi air sistem vakum ... 39

Gambar 3.15 Evaporator ... 40

Gambar 3.16 Elemen Pemanas ... 40

Gambar 3.17 Kondensor dengan modifikasi flange ... 41

Gambar 3.18 Pipa APK ... 42

Gambar 3.19 Panel Termokontrol ... 43

Gambar 3.20 Termokopel ... 44

Gambar 3.21 Galon air ... 44

Gambar 3.27 Kompresor Udara ... 48

Gambar 3.28 Gelas Ukur ... 49

Gambar 3.29 Air laut untuk pengujian ... 49

Gambar 3.30 Diagram alir proses pelaksanaan penelitian... 50

Gambar 3.31 Diagram alir Variabel Pengukuran ... 52

Gambar 3.32 Set up Eksperimental ... 54

Gambar 4.1 Hasil rancang bangun desalinasi di ketinggian 10,34 m ... 55

Gambar 4.2 Grafik waktu vs temperature 12 Nov 2015 pukul 09.00 -17.00 (WIB) ... 56

(20)

xi Gambar 4.6 Grafik waktu vs temperature 17 Nov 2015 pukul

09.00 -17.00 (WIB) ... 58 Gambar 4.7 Grafik waktu vs temperature 18 Nov 2015 pukul

09.00 -17.00 (WIB) ... 58 Gambar 4.8 Diagram pemakaian energi listrik perhari ... 60 Gambar 4.9 Grafik waktu vs temperatur untuk sisi

evaporator dan lingkungan pada tanggal

12 Nov 2015 pukul 09.00-17.00 (WIB) ... 61 Gambar 4.10 Grafik waktu vs QLoss Total evaporator tanggal

12 November 2015 ... 66 Gambar 4.11 Grafik waktu vs temperatur

untuk sisi evaporator dan lingkungan pada tanggal

(21)

xii Gambar 4.19 Grafik waktu vs temperatur

(22)

xiii

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

.

Nu Bilangan Nusselt (tanpa dimensi)

RaL Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi)

l Panjang Karakteristik (m)

p Perimeter (m)

r Radius / Jari-Jari (m)

ls Tinggi Dinding Evaporator (m)

Pr Bilangan Prandtl (tanpa dimensi)

Cc Kapasitas Panas Air Laut Masuk Evaporator (kg m2/s2)

Ch

Kapasitas Panas Konsentrat Garam Keluar

Evaporator (kg m

2

/s2)

Cr Perbandingan Kapasitas Panas Air Laut dan

Konsentrat Garam (tanpa dimensi)

.

m Laju Aliran Massa (kg/m3)

NTU Number of Transfer Unit (tanpa dimensi)

UA Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (W/m2K)

(23)

xiv

k Konduktivitas Thermal (W/mK)

ReD Bilangan Reynold (tanpa dimensi)

Huruf Yunani

μ Viskositas Dinamik Fluida (N s/m2)

ε Efektivitas untuk Alat Penukar Kalor (tanpa dimensi)

θ Sudut Kemiringan (o)

α1 Koefiisen Empirik Faktor Koreksi

(=0.0054, tanpa dimensi) βT Koefisien Ekspansi Thermal Volumetrik (=5*10-4 /oC)

βC Koefisien Ekspansi Larutan (=8*10-3/%)

ρ Massa Jenis (kg/m3)

αm Koefisien Empirik Laju Penguapan

(=10-7 - 10-6

kg/m2.Pa.s.K0,5 Subskrip

s Seawater dalam Evaporator, Surface

i Inlet

w Withdrawal (Konsentrat Garam Keluar Evaporator)

e Evaporasi (Air yang Berevaporasi dalam Evaporator)

in Masuk

loss Kehilangan Panas

f Fresh Water (Air Bersih)

0 Kondisi Awal (Sebelumnya)

bottom Bagian Bawah (Alas Evaporator)

A Ambien (Lingkungan)

side Bagian Sisi (Dinding Evaporator)

ins,o Dari Pusat Evaporator ke Luar Permukaan Insulasi

(24)

xv min Minimum

max Maksimum

o Outlet