i
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
IDA BAGUS KADE DWI MURDHIANA P. NIM : 105214068
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
DEBITE 1,4 LITRE/MINUTE
FINAL PROJECT
Presented as partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By
IDA BAGUS KADE DWI MURDHIANA P. Student Number : 105214068
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii
adalah salah satu kebutuhan pokok manusia untuk melangsungkan kegiatannya sehari-hari. Umumnya sumber air terletak berbeda dengan tempat air tersebut digunakan, maka perlu digunakan pompa air energi listrik untuk mengalirkan air dari sumber ke tempat yang memerlukan. Hal ini tidak dapat terlaksana pada daerah daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan pompa air energi termal. Tujuan yang ingin dicapai peneliti adalah membuat model pompa air termodinamik energi surya, meneliti debit pemompaan, daya pemompaan, dan efisiensi maksimum yang dihasilkan pompa air. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Evaporator terbuat dari pipa tembaga berdiameter ½ inci berbentuk paralel dengan posisi kemiringan 8,5o yang dipanaskan dengan media minyak. Kondensor dari bahan stainless steel berdiameter ¾ inci dengan panjang 7 m. Variabel yang divariasikan adalah head pemompaan 1,35 m dan 2,35 m, pipa pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja, menggunakan 1 tabung udara tekan dan 2 tabung udara tekan. Parameter yang diukur pada penelitian 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 di dalam evaporator (P1), tekanan air pada tabung tekan air (P2), tekanan udara pada tabung tekan udara (P3), kenaikan air pada tabung tekan udara (h), volume pemompaan (Vpompa), waktu pemompaan (tpompa). Hasil dari penelitian ini yaitu debit pemompaan maksimum sebesar 0,453 liter/menit, daya pemompaan maksimum sebesar 0,17 watt dan efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,0104 % didapat pada variasi, menggunakan 1 tabung udara tekan dengan volume fluida kerja awal mengisi kondensor dan pipa pemanas, ketinggian head 2,35 m.
viii
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, 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 Teknik Mesin yang telah memberikan bantuan teknis.
6. Nyoman Rusni dan Ida Ketut Suradarma selaku Ibu dan Bapak saya yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual hingga saat ini. 7. Andri Suhendra dan Yudha Edi selaku sahabat dekat saya yang memberikan
x
HALAMAN PENGESAHAN... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... v
LEMBAR PUBLIKASI ... vi
BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6
2.1 Dasar Teori... 6
2.2 Persamaan Yang Digunakan ... 9
2.3 Penelitian Terdahulu ... 13
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 15
3.1 Skema Alat ... 15
3.2 Variabel Yang Divariasikan... 19
3.3 Parameter Yang Diukur... 24
xi
BAB V PENUTUP... 45
5.1 Kesimpulan ... 45
5.2 Saran... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 47
xii
Gambar 3.1 Skema alat penelitian ... 15
Gambar 3.2 Skema pemisah uap... 17
Gambar 3.3 Katup terbuka ... 20
Gambar 3.4a Ketinggian head pemompaan 1,35 meter ... 21
Gambar 3.4b Ketinggian head pemompaan 2,35 meter... 21
Gambar 3.5a Variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja... 22
Gambar 3.5b Variasi kondensor yang berisi fluida kerja dengan volume 1,25 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm... 22
Gambar 3.6a Variasi 1 tabung tekan udara ... 23
Gambar 3.6b Variasi 2 tabung tekan udara... 23
Gambar 3.7 Posisi termologger dan manometer ... 25
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama ... 36
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan ... 37
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi jumlah tabung udara tekan ... 38
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi ketinggia head pemompaan... 39
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi ketinggian head pemompaan... 39
xiii
volume fluida kerja cair mula-mula ... 42 Gambar 4.9 Grafik Perbandingan efisiensi pemompaan pada variasi
pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor
xiv
tabung tekan udara. Pada keadaan mula-mula sama ... 30 Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi dengan ketinggian head 2,35 m dan
ketinggian head 1,35 m. Pada keadaan mula-mula sama ... 30 Tabel 4.3 Tabel 4.3 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi
1 tabung udara tekan dan menggunakan 2 tabung tekan udara ... 35 Tabel 4.4 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi ketinggian
head pemompaan 2,35 m dan 1,35 m ... 35 Tabel 4.5 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan air semakin lama semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya kebutuhan hidup manusia, baik di daerah perkotaan maupun daerah pedesaan. Air adalah salah satu kebutuhan pokok manusia untuk melangsungkan kegiataannya sehari-hari. Umumnya sumber air terletak berbeda dengan tempat air tersebut digunakan. Untuk memindahkan air dari sumbernya ke tempat yang memerlukan air umumnya digunakan pompa air atau dipindahkan secara manual yaitu dengan menggunakan tenaga manusia.
Pompa air umumnya digerakkan dengan energi listrik atau bahan bakar fosil. Beberapa daerah di Indonesia terutama di daerah yang masih terpencil belum terjangkau jaringan listrik. Di daerah terpencil seperti itu, penggunaan pompa air energi listrik untuk memindahkan air tidak dapat dilakukan.
memiliki peluang untuk dapat digunakan untuk memompa air di daerah terpencil. Kolektor termal surya merupakan teknologi yang sederhana dan murah sehingga dapat dibuat dan dirawat dengan teknologi lokal yang ada.Terdapat beberapa sistem dalam pemanfaatan kolektor termal surya untuk penggerak pompa air. Sistem yang paling sederhana adalah sistem termodinamik. Ada beberapa jenis kolektor termal surya yang dapat digunakan pada sistem termodinamik. Jenis kolektor termal surya yang paling sederhana adalah kolektor pelat datar.
1.2 Perumusan Masalah
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. 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 pipa pemanas yang dipanasi menggunakan kompor pemanas untuk penggerak pompa air dengan sistem termodinamik.
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 menghasilkan penurunan tekanan yang lebih besar tetapi waktu pengembunan lebih lama. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh jumlah massa fluida kerja yang digunakan (petroleum eter) terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pipa pemanas.
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 menggunakan pipa pemanas.
1.3 Tujuan dan Manfaat
Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini :
1. Membuat model pompa air termodinamik energi termal. 2. Meneliti debit pemompaan maksimum.
3. Meneliti daya pemompaan maksimum.
4. Meneliti efesiensi maksimum yang dihasilkan pompa air. Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah :
1. Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa air energi termal.
2. Hasil-hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi pompa air energi termal yang dapat diterima masyarakat dan meningkatkan kesejahteraan.
1.4 Batasan Masalah
Batasan dari penelitian ini adalah :
1. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal menggunakan delapan pipa yang tersusun secara paralel sebagai pemanas fluida dan pemisah fluida, untuk memisahkan uap dengan fluida yang terbawa saat dipanaskan. 2. Petroleum eter digunakan sebagai fluida kerja. Berat jenis petroleum eter
pada kondisi cair 0,71 gr/ml. Berat jenis digunakan dalam perhitungan mencari massa petroleum eter.
3. Kalor laten petroleum eter yaitu 300 kJ/kg.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Pompa air energi termal dapat menggunakan 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 thermal surya dikumpulkan dengan menggunakan kolektor thermal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi thermal ini digunakan untuk menaikan 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 menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan dimanfaatkan untuk menggerakkan pompa air, baik dengan menggunakan pompa air konvensional (dengan siklus Rankine, Brayton atau stirling) maupun pompa air dengan desain khusus dapat dikelompokan berdasarkan media pendingin uap fluida kerjanya yaitu berpendingin udara atau air. Pada metode langsung energi surya dikonversikan menjadi energi listrik (dengan photovoltaic, termoelektrik atau termionik), energi listrik yang dihasilkan digunakan motor listrik untuk menggerakkan pompa air.
sederhana. Pada penelitian ini tidak menggunakan kolektor termal surya sebagai penerima panasnya tetapi menggunakan pipa pemanas yang tersusun paralel sebagai penerima panasnya. Pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pipa pemanas sebagai penerima panasnya memiliki beberapa komponen (Gambar 1a.) yaitu pipa pemanas (1), pipa penyalur uap fluida kerja (2), tabung pemisah (3), kondensor (4), tabung udara tekan (5), tangki air tekan (6), tabung penampung eter (7), pompa benam (8), sumur (10), katup tekan (11), katup hisap (12). Pipa pemanas (gambar 1b) berfungsi sebagai penerima panas dari kompor pemanas, energi panas digunakan untuk memanasi fluida kerja (petroleum eter). Skema pipa pemanas dapat dilihat pada Gambar 1b.
Gambar 1.1b pipa pemanas
Pipa output berfungsi sebagai penyalur uap fluida kerja dari proses pemanasan dan pipa input berfungsi sebagai penyalur fluida kerja cair. 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. Dalam penggerak pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Pemanasan fluida kerja memanfaatkan panas dari uap air panas. Pemanasan fluida kerja dapat dilakukan dengan memanfaatkan sumber panas yang lain seperti energi surya thermal atau penggunaan minyak panas. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah fluida eter.
benam dan menekan air di dalam pompa benam. Karena tertekan udara, air di
dalam pompa benam akan mengalir kedalam bak penampung atas. Mengalirnya air
dari pompa benam ke bak penampung atas disebut langkah tekan. Dari bak
penampung atas, sebagian air yang berada di bak penampung atas di alirkan ke bak
kondensor. Kondensor akan di dinginkan menggunakan sebagian air yang berada
di bak penampung, uap fluida kerja di dalam tangki tekan air akan mengalami
pendinginan sehingga mengembun. Pengembunan fluida kerja ini menyebabkan
tekanan sistem turun. Turunnya tekanan menyebabkan air di dalam sumber akan
mengalir kedalam pompa benam. Mengalirnya air dari sumber air kedalam pompa
benam disebut langkah hisap. Satu siklus pemompaan terdiri dari satu langkah
tekan dan satu langkah hisap. Siklus pemompaan akan berlangsung terus selama ada
energi panas yang cukup.
2.2 Persamaan yang Digunakan
Untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi thermal maka diperlukan
persamaan yang dapat membantu mengetahui unjuk kerja sistem. Unjuk kerja pompa
air energi termal diantaranya dinyatakan dengan daya pompa dan efisiensi pompa.
Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas
Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986):
Ppompa .g.Q.H
(1) Dengan Ppompa adalah daya pemompaan, 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
Perhitungan daya pemanas dilakukan dengan pendekatan perpindahan kalor yang terjadi pada kompor pemanas menuju pipa pemanas yang dialiri fluida kerja. Diasumsikan bahwa perpindahan kalor yang terjadi yaitu secara konveksi. Sedangkan semua perpindahan kalor secara konduksi diabaikan.
Koefisien perpindahan kalor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Dimana k adalah konduktivitas termal bahan, Nu adalah bilangan nuselt, δ adalah panjang karakteristik.
Bilangan Rayleigh digunakan untuk mencari nilai Bilangan Nuselt. Bilangan Rayleigh dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Ra= . .( ). . (4)
Dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, g adalah percepatan gravitasi, Ts adalah temperatur permukaan, T∞ adalah temperatur disekitar permukaan, β adalah volume koefisien ekspansi, Pr adalah bilangan prandtl merupakan suatu nilai yang dipakai untuk menentukan distribusi temperatur pada suatu aliran, v adalah viskositas kinematik fluida.
Bilangan Nuselt adalah rasio pindah panas konveksiterhadap batas dalam kasus pindah panas pada permukaan fluida,rataan bilangan Nusselt dinyatakan sebagai fungsi dari bilangan Rayleigh dan bilangan Prandtl. Bilangan Nuselt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Nu =
Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
%
Kompresi udara tekan merupakan besarnya tekanan yang terjadi akibat perubahan volume udara pada massa udara tetap dalam tabung udara tekan (Cengel,
2008). Kompresi udara tekan dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
volume udara awal,dan adalah volume udara akhir.
Efisiensi termal merupakan perbandingan antara daya pemanas output dengan daya pemanas input. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
dengan ηtermaladalah efisiensi termal, Poutput adalah daya pemanas output, Pinput adalah
2.3 Penelitian yang Terdahulu
Penelitian pompa air energi surya termal menunjukkan bahwa waktu yang
diperlukan untuk pengembunan uap fluida kerja dipengaruhi debit dan temperatur air
pendingin masuk kekondensor (Sumathy et.al.,1995). Prototipe pompa air energi
surya termal yang bekerja dengan siklus Rankin diuji dengan menggunakan fluida
kerja refrijeran R113 untuk mengetahui unjuk kerjanya (Spindleret.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 dengan menggunakan dua
fluida kerja, yaitu n-pentane dan ethyl ether menunjukkan bahwa efisiensi pompa
dengan fluida kerja ethyl ether 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 waktuyang diperlukan untuk pemanasan fluida kerja
dan waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung
pada jumlah fluida awaldalam 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
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
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Skema Alat
Pada penelitian ini pompa air dengan menggunakan energi termal
memanfaatkan panas uap air panas sebagai sumber panas. Fluida kerja yang
digunakan adalah eter (petroleum eter). Foto alat penelitian seperti ditampilkan pada
skema alat ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.1.
Bagian-bagian utama alat pada Gambar 3.1 :
1. Pemanas eter dari pipa tembaga berdiameter ½ inci berbentuk parallel yang dipanaskan dengan posisi kemiringan 8,5o. Foto pipa pemanas eter ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.2.
2. Pipa tembaga berdiameter ½ inci sebagai penyalur uap.
3. Tabung pemisah uap berdiameter 5 cm dengan tinggi 25 cm. Foto tabung pemisah uap ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.3.
4. Kondensor dari stainless steel berdiameter ¾ inci dengan panjang 7 m. Foto kondensor ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.4.
5. Tabung tekan udara dari pipa PVC diameter 4 inci dengan tinggi 2 m. Foto tabung tekan udara ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.5. 6. Tabung tekan air dari bahan stainless steel berdiameter 40 cm dengan
tinggi 100 cm. Foto tabung tekan air ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.6.
7. Tabung penampung eter dari bahan stainless steel berdiameter 15 cm dengan tinggi 20 cm. Foto tabung penampung eter ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.7.
8. Pompa benam berdiameter 4 inci dengan panjang 2 m. Foto pompa benam ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.8.
9. Pipa udara tekan dari pipa PVC diameter ½ inci dengan tinggi 3,65 m. 10. Sumur dari pipa PVC berdiameter 4 inci dengan tinggi 1.5 m. Foto sumur
Pada penelitian ini digunakan tabung pemisah uap untuk memisahkan uap
fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa aliran uap fluida kerja dengan
skema sesuai Gambar 3.2. Foto alat pemisah uap seperti ditampilkan pada skema
pemisah uap ditunjukan pada bagian lampiran (Gambar L.3).
Gambar 3.2 Skema pemisah uap
Proses kerja alat penelitian dimulai dengan memanasi pemanas dengan
menggunakan media minyak kelapa. Katup penghubung kondensordan tabung tekan
dibuka pada kondisi tekanan uap pada pemanas lebih tinggi daripada tekanan uap
pada tabung tekan. Katup penghubung penampung fluida cair dan tabung tekan dalam
kondisi tertutup dan dibuka setelah fluida kerja yang berada pada pipa pemanas habis,
katup dibuka dengan variasi debit 1,4 liter/menit. fluida kerja akan memasuki
pemanas dan terpanasi. Fluida kerja yang terpanasi akan menguap dan uap fluida
uap tidak murni hanya uap saja tetapi ada fluida cair yang terbawa aliran uap fluida
kerja. Didalam pemisah uap, fluida kerja cair terpisah dari uap fluida kerja. Uap
fluida fluida kerja mengalir ke kondensor kemudian menuju tabung tekan air
sedangkan fluida kerja cair mengalir kembali ke pemanas. Air yang berada didalam
tabung tekan air tertekan oleh uap fluida kerja sehingga air keluar tabung tekan air
dan menyebabkan tinggi air di tabung tekan udara naik. Naiknya ketinggian air di
tabung tekan udara menyebabkan udara terkompresi. Udara yang terkompresi
menekan air di pompa benam dan katup sisi tekan terbuka dan katup sisi hisap
tertutup sehingga air di pompa benam keluar melewati pipa buan. Pada saat fluida
kerja cair yang dipanasi habis maka tidak ada lagi uap fluida kerja yang menekan air
yang berada di tabung tekan air. Katup penghubung pemanas dan penampung fluida
cair ditutup. Proses pendinginan dilakukan dengan cara menyiram kondensor dengan
sebagian air hasil dari pemompaan. Uap fluida kerja yang ada dalam kondensor akan
mengembun. Pengembunan uap fluida kerja menyebabkan air dalam tabung tekan air
naik dan air di tabung tekan udara turun. Penurunan air yang terjadi di tabung tekan
udara tekan menyebabkan udara tidak lagi terkompresi. Penurunan tekanan yang
terjadi di tabung tekan udara menyebabkan penurunan tekanan di pompa benam.
Penurunan tekanan yang terjadi di pompa benam menyebabkan kevakuman sehingga
terjadi proses hisap. Terjadinya proses hisap menyebabkan air masuk ke pompa
benam. Pada saat volume fluida cair kembali ke posisi yang diinginkan, katup
penghubung tabung tekan air dan kondensor ditutup. Siklus bisa dilakukan lagi dari
3.2 Variabel yang Divariasikan
Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Head pemompaan menggunakan 2 variasi yaitu 2,35 m dan 1,35
m
2. Jumlah massa fluida kerja awal menggunakan 2 variasi yaitu
pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan volume 2,5
liter, dan hanya kondensor yang berisi fluida kerja dengan volume
1,25 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.
3. Volume udara dalam tabung tekan udara divariasikan dengan
berapa banyak jumlah tabung tekan udara yang digunakan yaitu 1
Pengaturan debit fluida kerja yang mengalir ke pemanas (Gambar 3.3).
Gambar 3.3 Katup terbuka
Pada saat katup terbuka, jumlah debit fluida kerja yang mengalir ke pipa
Variasi head pemompaan dilakukan dengan menggunakan 2 variasi yaitu 1,35
m (Gambar 3.4a) dan 2,35 m (Gambar 3.4b).
Gambar 3.4a Ketinggian head pemompaan 1,35 m
Variasi Jumlah massa fluida kerja awal yaitu pemanas dan kondensor berisi
fluida kerja dengan volume 2,512 liter (Gambar 3.5a), dan hanya kondensor yang
berisi fluida kerja dengan volume 1,256 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan
tekanan 1 atm (Gambar 3.5b).
Gambar 3.5a Variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja.
Variasi jumlah tabung tekan udara yang digunakan yaitu 1 tabung (Gambar
3.6a) dan 2 tabung (Gambar 3.6b).
Gambar 3.6a Variasi 1 tabung tekan udara
3.3 Parameter yang Diukur
Parameter yang diukur pada penelitian ini adalah 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 di dalam evaporator (P1).
5. Tekanan air pada tabung tekan air (P2). 6. Tekanan udara pada tabung tekan udara (P3). 7. Kenaikan air pada tabung tekan udara (h) 8. Volume pemompaan (Vpompa).
Pengukuran temperatur menggunakan termologger dan untuk pengukuran
waktu menggunakan stopwatch. Pengukuran volume menggunakan gelas ukur dan
untuk pengukuran tekanan menggunakan manometer. Foto manometer dan
termologger ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.10.
3.4 Langkah Penelitian
Penelitian dilakukan dengan prosedur yang sama pada tiap variasi sehingga
dapat diperoleh hasil yang dapat dibandingkan antar variasi. Berikut adalah
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 mengatur jumlah debit fluida kerja
yang mengalir.
3. Pada variasi jumlah debit fluida kerja yang mengalir dilakukan variasi
penggunaan tabung tekan udara dan ketinggian head pemompaan sesuai
dengan variasi mula-mula yang diinginkan.
4. Ketika uap fluida kerja mulai habis saat pemanasan, katup tabung
penampung fluida kerja mulai dibuka dengan debit yang divariasikan
5. Data yang dicatat adalah temperatur minyak bagian dasar (T1), temperatur
pipa pemanas yang terendam minyak (T2), temperatur fluida kerja yang
masuk pada pipa pemanas (T3), temperatur fluida kerja yang menguap
pada pipa pemanas (T4). Tekanan fluida kerja di dalam evaporator (P1),
tekanan air pada tabung tekan air (P2), tekanan udara pada tabung tekan
udara (P3), kenaikan air pada tabung tekan udara (h), volume pemompaan
(Vpompa), waktu pemompaan (tpompa), waktu pemanasan (tpanas), dan waktu
pendinginan (tdingin).
7. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan persamaan (1) sampai
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Berikut adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan
pengisian fluida kerja mula-mula, volume udara mula-mula dalam tabung udara
tekan, tinggi 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 akhir siklus
tekan dan merupakan awal siklus hisap.
Kolom
: Temperatur fluida pemanas bagian dasar.
T2 : Temperatur fluida pemanas bagian permukaan.
T3 : Temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas.
Vudara : Volume udara tekan pada tabung udara.
P1 : Tekanan fluida kerja dalam evaporator yang terbaca manometer.
P2 : Tekanan air pada tabung air tekan yang terbaca manometer.
P3 : Tekanan udara pada tabung udara yang terbaca manometer.
tpanas : Lama waktu pemanasan fluida cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga
akhir siklus tekan.
tpompa : Lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai mengalir dari ujung
tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir.
tdingin : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari awal siklus tekan hingga volume
fluida cair kembali ke posisi awal.
Vsumur : Volume air yang dipompa dari sumur dan keluar pada pipa buang selama
Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi menggunakan 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara. Pada keadaan mula-mula sama
Kondisi ketinggian head 1,35 m. Pada keadaan mula-mula sama.
Dari data yang telah didapat, maka dapat dilakukan perhitungan untuk
mengetahui unjuk kerja pompa air energi termal. Berikut adalah perhitungan dengan
menggunakan data pertama pada variasi satu (Tabel 4.1).
Perhitungan yang pertama kali dilakukan adalah menghitung daya pompa.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan (1). Variabel yang diketahui adalah:
Head = 2,35 m Volair = 0,6 liter
Perhitungan yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung daya pemanas.
Variabel yang diketahui adalah sebagai berikut:
T1= Tm1= 118 oC T3= Te1 = 57oC
T2= Tm2= 120 oC T4= Te2 = 74 oC
D = ½ inci g = 9,81 m/s2
L = 60 cm
Cara mencari nilai daya pemanas yaitu pertama mencari sifat-sifat fluida yang
digunakan dalam perhitungan Bilangan Rayleigh dan Bilangan Nuselt. Kemudian
menentukan Bilangan Nuselt, Persamaan (3) untuk menentukan koefisien
perpindahan kalor, Persamaan (2) untuk menentukan daya pemanas.
Variabel yang diketahui adalah viskositas kinematik (terdapat pada tabel
cengel), Bilangan Prandlt (terdapat pada tabel cengel), konduktivitas termal bahan
ditentukan dengan menggunakan interpolasi dan luas penampang sebagai berikut:
v = 6,49.10 ft2/detik g = 9,81 m/s2
Pr = 84,79 = 0,0127 m
A = 0,1914 m2 Ts = 119oC
= 0,0028 T = 88,2oC
k = 0,12846 W/m.oC
Hasil Perhitungan Bilangan Rayleigh adalah:
Ra =
. .( ). .
Ra =
( , ).( , ).( , ).( , ).( , )
(6,49.10−6
)
Ra = 3,56.106
Tsdiperoleh dengan menentukan temperatur minyak rata-rata yang berada
Hasil Perhitungan Bilangan Nuselt adalah:
Hasil Perhitungan koefisien perpindahan kalor adalah :
h = .
h = ( , ).( , )
,
h = 284,2546 watt/m2.oC
Perhitungan daya pemanas adalah :
Ppemanas = h.A.ΔT
Ppemanas = 284,2546. 0,1914. (88,2-65,5)
Perhitungan efisiensi pompa dilakukan dengan menggunakan Persamaan (3)
Perhitungan kompresi udara dalam tabung udara tekan dilakukan dengan
menggunakan persamaan (7) sebagai berikut:
2
Dengan cara yang sama, seluruh data penelitian tiap variasi dihitung dengan
Persamaan (1) sampai Persamaan (7). Berikut adalah hasil dari seluruh data penelitian
Tabel 4.3 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi 1 tabung udara tekan dan menggunakan 2 tabung tekan udara.
t
(panas)7200 265 2 0,45 3,47 0,17 1670,31 0,0104 0,927
7200 217 0,6 0,16 1,41 0,07 1674,37 0,0038 0,93
Tabel 4.4 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi ketinggian head pemompaan 2,35 m dan 1,35 m
t
(panas)7200 667 1,9 0,17 2,81 0,07 1395,66 0,0047 0,77
7200 1718 2,6 0,09 4 0,02 1119,89 0,0018 0,62
Tabel 4.5 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja awal mengisi pipa pemanas dan kondensor dengan variasi volume fluida kerja awal mengisi kondensor dan pipa pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.
t
(panas)7200 265 2 0,45 3,47 0,17 1670,31 0,0104 0,93
4.2 Pembahasan
Hasil penelitian pada Gambar 4.1 menunjukkan debit maksimal pemompaan
didapat pada variasi menggunakan 1 tabung tekan udara yaitu sebesar 0,45
liter/menit. Pada variasi menggunakan 2 tabung udara tekan, debit yang dihasilkan
lebih rendah karena pengkompresian udara yang terjadi pada 2 tabung lebih banyak.
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama.
Semakin banyak pengkompresian udara yang terjadi maka dibutuhkan uap
fluida kerja yang lebih banyak. Uap fluida yang banyak maka akan menyebabkan
kenaikan volume air yang terjadi pada tabung udara tekan maka udara yang
terkompresi akan sedikit. Dengan jumlah uap yang sama maka untuk jumlah tabung
yang digunakan, dengan 2 tabung udara tekan dihasilkan debit yang lebih sedikit.
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama.
Hasil penelitian pada Gambar 4.2 menunjukan daya pompa maksimal didapat
pada variasi menggunakan 1 tabung udara tekan sebesar 0,17 watt. Pada penelitian ini
daya pompa dipengaruhi oleh debit yang dihasilkan dan waktu pemompaan yang
terjadi. Pada variasi menggunakan 2 tabung udara tekan daya yang dihasilkan kecil
karena debit yang dihasilkan sedikit.
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama.
Hasil penelitian pada Gambar 4.3 menunjukan efisiensi terbesar didapat pada
variasi menggunakan 1 tabung udara tekan sebesar 0,0104%. Dengan volume fluida
cair mula-mula sama, maka diasumsikan volume uap sama. Efisiensi tergantung pada
daya pemompaan yang dihasilkan. Uap fluida yang lebih banyak menyebabkan
kenaikan volume air pada tabung udara tekan lebih tinggi. Kenaikan volume air pada
tabung udara tekan menyebabkan udara yang terkompresi lebih sedikit. Efisiensi yang
dihasilkan lebih tinggi dibanding variasi menggunakan 2 tabung udara tekan karena
Pada variasi menggunakan 2 tabung udara tekan udara yang terkompresi lebih banyak
dibandingkan 1 tabung udara tekan maka daya yang dihasilkan lebih kecil.
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan debit pemompaan antara head pemompaan 1,35 m dengan 2,35 m.
Gambar 4.5 Grafik Perbandingan daya pemompaan antara head pemompaan 2,35
Hasil penelitian pada Gambar 4.4 menunjukan debit pemompaan maksimal
yang didapat pada variasi ketinggian head 2,35 m sebesar 0,17 liter/menit. Pada
Gambar 4.5 menunjukan daya pemompaan maksimal yang didapat pada variasi
ketinggian head 2,35 m sebesar 0,07 watt. Semakin tinggi head maka dibutuhkan
tekanan udara pada tabung udara tekan yang lebih besar. Dengan jumlah uap dan
volume air pada tabung udara tekan yang sama maka untuk head yang lebih tinggi
dihasilkan debit yang lebih sedikit. Pada variasi ketinggian head 1,35 meter terjadi
rugi-rugi daya pemompaan hal ini membuat aliran air pada pipa buang tidak mengalir
secara kontinyu maka dari itu debit yang dihasilkan sedikit. Daya pemompaan
tergantung pada head dan debit pemompaan maka debit yang dihasilkan berbanding
lurus dengan daya yang dihasilkan.
.
Hasil penelitian pada Gambar 4.6 menunjukan efisiensi pemompaan
maksimal yang didapat pada variasi head pemompaan 2,35 m yaitu sebesar 0,0047 %.
Pada variasi ini efisiensi ditentukan oleh daya pemompaan dan daya pemanasan yang
dihasilkan. Daya pemompaan pada head 2,35 m lebih besar dibandingkan 1,35 karena
daya pemompaan berbanding lurus dengan debit pemompaan yang dihasilkan.
Semakin tinggi daya pemompaan maka efisiensi akan semakin tinggi.
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit pemompaan pada variasi pipa pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan variasi pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja.
Hasil penelitian pada Gambar 4.7 menunjukan debit pemompaan maksimal
0,45 liter/menit. Hal ini terjadi karena udara pada pipa pemanas menghambat laju
aliran uap fluida kerja. Aliran uap fluida kerja berpengaruh pada proses
pemompaannya, jika terjadinya hambatan maka debit yang dihasilkan pada variasi
pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm tidak maksimal.
Gambar 4.8 Grafik Perbandingan daya pemompaan pada variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja.
Hasil penelitian pada Gambar 4.8 menunjukan daya pemompaan maksimal
yang didapat pada variasi pipa pemanas dan kondensor berisi fluida kerja yaitu
sebesar 0,17 watt. Daya pemompaan dipengaruhi debit pemompaan yang dihasilkan.
Dari grafik yang sudah dibuat, daya pemompaan berbanding lurus dengan debit yang
menghasilkan debit pemopaan yang lebih besar daripada pemanas berisi udara
dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja. Udara yang menghambat laju
aliran uap akan mempengaruhi debit pemompaannya. Ketika dipanaskan udara lebih
dulu sampai ke kondensor daripada uap karena massa jenis udara lebih ringan
dibandingkan uap. Didalam sistem (pemanas dan kondensor), antara udara dan uap
fluida kerja tidak bersinergi, aliran uap akan terhambat oleh udara. Adanya udara
pada sistem (pada pipa pemanas) membuat debit yang dihasilkan lebih kecil maka
akan mempengaruhi daya pemompaan yang dihasilkan.
Gambar 4.9 Grafik Perbandingan efisiensi pemompaan pada variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja.
Hasil penelitian pada Gambar 4.9 menunjukan efisiensi pemompaan
maksimal yang didapat pada variasi pipa pemanas dan kondensor berisi fluida kerja
yaitu sebesar 0,0104 %. Efisiensi yang dihasilkan pada variasi pemanas dan
kondensor berisi fluida kerja lebih besar disbandingkan variasi pemanas berisi udara
dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja. Hal ini disebabkan karenana
debit yang dihasilkan lebih besar. Debit pemompaan yang besar dipengaruhi uap
fluida yang melakukan proses pemompaan pada tabung air tekan sehingga aliran uap
fluida yang tidak ada hambatan udara akan menghasilkan debit pemompaan yang
besar, maka efisiensi pemompaan akan maksimal jika debit pemompaan yang
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
1. Telah dibuat dibuat pompa air energi termal menggunakan delapan pipa
yang tersusun secara paralel sebagai pemanas fluida dan pemisah fluida.
2. Debit pemompaan maksimum sebesar 0,45 liter/menit tiap siklus pada
variasi menggunakan 1 tabung udara tekan dengan volume fluida kerja
awal mengisi kondensor dan pipa pemanas, ketinggian head pemompaan
2,35 m.
3. Daya pemompaan maksimum sebesar 0,17 watt pada variasi
menggunakan 1 tabung udara tekan dengan volume fluida kerja awal
mengisi kondensor dan pipa pemanas, ketinggian head pemompaan 2,35
m.
4. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,0104 % pada variasi
menggunakan 1 tabung udara tekan dengan volume fluida kerja awal
mengisi kondensor dan pipa pemanas, ketinggian head pemompaan 2,35
5.2 Saran
1. Penelitian selanjutnya sebaiknya menggunakan fluida kerja yang lain
yang memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan petroleum eter
agar mendapatkan debit pemompaan, daya pemompaan, efisiensi yang
maksimal.
2. Pembuatan pompa termal perlu untuk menghindari adanya banyak
sambungan pada sistem perpipaan. Resiko kebocoran akan tinggi maka
proses pemompaan akan kurang maksimal.
3. Perlu diusahakan tidak terdapat udara pada sistem (pemanas dan
kondensor), udara akan menghambat laju aliran uap fluida kerja.
4. Penelitian selanjutnya sebaiknya dibuat dengan pipa pemanas yang lebih
panjang lagi agar uap yang dihasilkan maksimal ketika fluida cair
DAFTAR PUSTAKA
Mahkamov, K.; Orda, E.P., 2005. Solar Thermal Water Pumps: A Preliminary
Analysis of the Working Process, Journal of Solar Energy Engineering, February 2005, Volume 127, Issue 1, Pages 29-36
Spindler, K.; Chandwalker, K.; Hahne, E., 1996. Small solar (thermal) water pumping 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, Issue12, December 1995, Pages1167-1173
Sumathy, K., 1999. Experimental studies on a solar thermal water pump, Applied Thermal Engineering, Volume19, Issue5, May1999, Pages 449-459
Wong, Y. W.; Sumathy, K., 2000. Performance of a solar water pump with n
pentane 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 21, Issue 5, April 2001, Pages 613-627
Cengel, Y. A; Bobs, M.A., 2008. Thermodynamics, An Engineering Approach, sixth Edition, Mc Graw Hill
LAMPIRAN
Gambar L.1 Alat pompa air energi termal
Gambar L.3 Tabung pemisah uap
Gambar L.5 Tabung tekan udara
Gambar L.7 Tabung penampung eter
Gambar L.9 Sumur
` (a) (b)
TABEL SIFAT-SIFAT FLUIDA (MINYAK)
