BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 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 padatanpadatan 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). Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum dengan modifikasi suplai panas menggunakan elemen pemanas berdaya rendah. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Namun pada penelitian ini digunakan elemen pemanas daya rendah agar suplai panas dalam evaporator konstan. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat 6

2 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 system desalinasi vakum natural dalam penelitian ini adalah karena penggunaan daya listriknya yang rendah, cocok untuk pemakaian skala besar terutama di pesisir pantai, dan keunikan dari sistemnya yang tidak membutuhkan pompa vakum untuk menyuplai air laut ke evaporator yang tingginya 10 m. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum. Adapun kelebihan dan kelemahan dari system desalinasi vakum natural adalah sebagai berikut : Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural : 1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk menyuplai air laut. 2. Biaya konstruksi yang terjangkau. 3. Pemanasan menggunakan suplai panas rendah karena system dalam kondisi vakum. Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum natural : 1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan dengan ketinggian. 2. Hanya cocok untuk pengguanaan skala besar (untuk luas alas evaporator yang besar). 7

3 3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime system. Evaporator C o n d e n s e r Heater 10,34 m Saline Water Brine Condensate Saline Water Tank Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural Klasifikasi Sistem Desalinasi Solar Still Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang berada tepat 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. 8

4 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. SUN Solar Radiation Glass Sea Water Tank Basin Fresh Water Tank Brine Tank Gambar 2.2. Solar Still Sederhana 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 sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam (Parekh dkk, 2004). Gambar 2.4 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. 9

5 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. Solar Water Heater Hot Sea Water Preheated Sea Water Hot Air Evaporator Condenser Solar Air Heater Sea Water In Saline Water Tank Air in Blower Hot Air Inlet Brine Out Dehumidified Air Outlet Brine Storage Tank Distillate Tank Brine Recycle Pump Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi Dehumidifikasi Solar Chimney Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbogenerator. 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 10

6 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. SUN Chimney Condenser Pump Condensate Condensate Tank Solar Radiation Humid Hot Air Solar Radiation Wind Turbine Air In Sea Water Sea Water Transparent Plastic or Glass Cover Air In Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut 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 11

7 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. Heat Transfer Field Vacum Pump Thermal Energy Storage Boiler Preheated Feed Water Thermic Fluid Condenser Brine Destilate Tank Pump Solar Field Saline Water Tank Saline Water Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash 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 12

8 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. Preheated Feed Water To Vacuum To Vacuum To Vacuum Hot Thermic Fluid Condenser Pump Brine Destillate Destillste Tank Solar Cell Saline Water Tank Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation 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 : 13

9 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. Heated Vapor Hot Saline Water Vapor Electic Heater External power Source Compressor Condenser Brine Out Pump Destillate Tank Saline Water Tank Brine Tank Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik 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 14

10 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. 3. Laju Produksi air bersih tinggi. Kelemahan Freeze Desalination : 1. Sistem masih menggunakan energi listrik. 2. Perawatan sistem sulit. 3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem mahal. 15

11 Sea Water Tank Saline Water A Evaporator or Condenser Throttling Valve Reversing Unit B Evaporator or Condenser Solar PV or Thermal Powered Compressor Unit Fresh Water Brine Washing Water Line Solenoid Controlled Valve Waste Brine Water Fresh Water Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump 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). 16

12 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. Chilled Water Condenser Warm Water Desalinated Water V4 V3 Cold water In Hot water In Adsorption Process BED 1 BED 2 Desorption Process Destillate Tank Warm Water Out Warm Water Out V1 V2 Saline Water Ambient Temperatur Water Evaporator Chilled Water Brine Tank Pump Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi 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 17

13 akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong emisi CO 2 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. Heat Transfer Fluid Thermal Energy Storage Boiler Thermic Fluid Organic Fluid Turbine Solar Organic Rankine Cycle Condenser Saline Water High Pressure Pump RO Module Brine Fresh Water Solar Field Saline Water Tank Brine Tank Fresh Water Tank Gambar Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya 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 18

14 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. Saline Water Cathode Anode CEM AEM CEM AEM CEM AEM - Cation Exchange Membrane - Anion Exchange Membrane Pump Brine Tank Fresh Water Tank Saline Water Tank Gambar Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis. 19

15 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. Destilasi Membran Kontak Langsung Destilasi Membran Celah Udara larutan umpan panas dan permeat dingin akan berada dalam kontak langsung dengan membrane kondensasi uap terjadi dalam modul membran panas hilang secara konduksi 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 Proses Destilasi Membran Destilasi Membran gas Menyapu Destilasi Membran Vakum gas menyapu digunakan untuk menyapu uap di sisi membran permeat kondensasi terjadi di luar modul membrane Pengurangan panas hilang secara konduksi perpindahan massa ditingkatkan vakum dibuat dalam sisi membran permeat kondensasi terjadi di luar modul membran kehilangan panas oleh konduksi diabaikan Gambar Tipe Proses Distilasi Membran. 20

16 Hot Saline Water Solar Collector Field Condensate Membrane Distillate Brine Pump Saline Water Tank Gambar Unit distilasi membran bertenaga surya 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. 21

17 Sea Water Sea Water Tank Semi Permeable Membrane Solar Radiation Fresh Water Brine Tank Draw Solution Fresh Water Tank Gambar Unit Forward Osmosis Forward Osmosis (FO) 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. Solar Heating System Evaporator C o n d e n s e r 10 m Saline Water Brine Condensate Saline Water Tank Gambar Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya. 22

18 2.3 Pemodelan Matematik Sistem Pada subbab ini akan dijelaskan pemodelan matematis dari setiap komponen yang ada dalam sistem 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 dua 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 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 m i [kg/s]. Kemudian akan terjadi penguapan dengan laju m e [kg/s] yang akan mengalir dalam bentuk uap dan masuk ke kondensor. Sebagai sisanya akan terbentur air garam yang akan keluar dari evaporator dengan laju m w [kg/s]. Pada saat terjadi penguapan diperlukan panas untuk menyuplai panas laten penguapan. Panas ini akan diambil dari solar kolektor dan diantar oleh fluida kerja yang laju alirannya disimbolkan dengan evaporator ditampilkan pada gambar m sc. Diagram Aliran pada Gambar Diagram Aliran Massa pada Evaporator. 23

19 Penerapan hukum kekekalan massa diberikan oleh persamaan berikut : d dt V iv i wv w ev e s (2.1) Dimana V [m 3 ] adalah volume air laut di evaporator, dan V [m 3 /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: d dt CV C V i C V w s (2.2) i s 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: d dt C pvt Qin C pt V i C pt V w Qe Qloss (2.3) Pada persamaan ini s i C p [J/kg.K] adalah panas jenis. s 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: ( ) m P( T ) P Tf P s V e Asurface f ( Cs) (2.4) 0,5 0, 5 f Ts 273 Tf 273 Dimana A surface adalah luas permukaan air yang ada di evaporator. Parameter m adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen, nilainya m 6 [kg/m 2.Pa.s.K 0,5 ] (Bemporad, 1995). Beda tekanan evaporator dan kondensor disimbolkan dengan dapat dirumuskan dengan persamaan: P. Tekanan uap sebagai fungsi temperatur 63, ,6 ( T 273) 6,2558ln( T 273) P ( T) 100 e [Pa] (2.5) Pada persamaan (2.4), f (C) adalah faktor koreksi yang dihitung dengan menggunakan persamaan: 24

20 f 1 ( C) 1 C (2.6) Dimana 0,0054 [tanpa dimensi] adalah koefisien empirik. Pada persamaan 1 (2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Sementara massa jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida, yang dirumuskan dengan ( T, C) T C (2.7) T C Dimana 4 T 510 / o C adalah koefisien ekspansi thermal volumetrik dan C 2004) /% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan Goswami, Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan konsentrasi dan dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975): C p ( T, C) ,0049 0,0162C 3, C AT BT Konstanta A dan B dirumuskan dengan 2 4 A (3,2506 1,4795C 0,07765C ) 10 dan, (2.8) 2 6 B (3,80131,2084C 0,0612C ) 10 (2.9) Laju panas penguapan di evaporator pada persamaan (2.3), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: Q h ( T ) V (2.10) e f fg s e Dimana h ) adalah panas laten penguapan air laut, yang dapat dihitung fg ( T s dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996): h fg ( T) ( T 273) 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. 25

21 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. Penurunan temperatur ini membentuk perbedaan temperatur pada bagian atas air dan juga diantara air dan udara sekitarnya. Perbedaan temperatur ini akan menyebabkan perpindahan panas ke permukaan air dari udara dan bagian lebih dalam dari air, seperti yang ditunjukkan pada gambar Jika laju evaporasi tinggi dan kebutuhan panas penguapan lebih tinggi daripada jumlah panas yang dapat disuplai dari bagian bawah air dan sekitarnya, kekurangan panas akan disuplai oleh panas sensibel air pada permukaan, yang menyebabkan temperatur air pada permukaan akan jatuh lebih jauh. Fenomena ini akan berlangsung secara kontinu hingga panas laten penguapan sama dengan laju perpindahan panas ke air pada permukaan. Saat kondisi tetap tercapai dan temperatur lapisan telah stabil, keseimbangan energi pada lapisan tipis cairan pada permukaan dapat diberikan dengan rumus sebagai berikut. atau (2.11) 26

22 Gambar Mekanisme Evaporative Cooling (Yunus A. Cengel, 2002). 2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik untuk menyelesaikan dan menganalisa elemen-elemen yang akan disimulasikan. Pada proses ini, komputer diminta untuk menyelesaikan perhitungan-perhitungan numerik dengan cepat dan akurat. Prinsip kerja pada CFD adalah model yang akan kita simulasikan berisi fluida akan dibagi menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software selanjutnya elemen diberi batasan domain dan boundry condition. Prinsip ini lah yang banyak digunakan pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi Penggunaan CFD CFD dalam aplikasinya dipergunakan diberbagai bidang antara lain : 1. Pada bidang teknik a. Mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. b. Mendesain aerodinamis kendaraan agar menghemat konsumsi bahan bakar. c. Mendesain performa pembakaran pada piston kendaraan. 2. Pada bidang olahraga a. Menghitung kekuatan dan kecepatan pada tiap cara tendangan pada sepakbola. b. Menganalisa aerodinamis pada sepatu bola. 3. Pada bidang kedokteran. 27

23 a. Menganalisa peredaran udara pada pasien yang mengalami penyakit sinusitis Manfaat CFD Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yakni : 1. Insight-Pemahaman mendalam Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk menyelinap masuk secara virtual ke dalam alat/sistem yang akan dirancang tersebut. 2. Foresight-Prediksi menyeluruh CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas). 3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai pasaran Metode Diskritisasi CFD Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar linear.cfd merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Finite Volume Method (FVM) Metode ini adalah pendekatan yang umum digunakan dalam CFD, persamaan yang mengatur diselesaikan melalui volume kontrol diskrit. Metode volume terbatas menyusun kembali persamaan diferensial parsial yang mengatur 28

24 (biasanya persamaan Navier-Stokes) dalam bentuk konservatif, dan kemudian discretize persamaan baru. 2. Finite Element Method (FEM) Digunakan dalam analisis struktural dari padatan, tetapi juga berlaku untuk cairan. Namun, formulasi FEM membutuhkan perawatan khusus untuk memastikan solusi konservatif. Perumusan FEM telah diadaptasi untuk digunakan dengan dinamika fluida yang mengatur persamaan.meskipun FEM harus hati-hati dirumuskan untuk menjadi konservatif, jauh lebih stabil dibandingkan dengan pendekatan volume terbatas. 3. Finite Difference Method (FDM) Memiliki sejarah penting dan sederhana untuk program. Hal ini hanya digunakan dalam beberapa kode khusus. Modern Kode beda hingga menggunakan sebuah batas tertanam untuk menangani geometri yang kompleks, membuat kodekode yang sangat efisien dan akurat. Cara lain untuk menangani geometri termasuk penggunaan tumpang tindih grid, dimana solusinya adalah interpolated di jaringan masing-masing. Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/cfd yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya, diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu. 29