BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Dasar Desalinasi Salah satu cara untuk mendapatkan sumber air yang layak untuk keperluan hidup sehari-hari adalah dengan mengolah air laut menjadi air tawar. Proses pengolahan air laut menjadi air tawar lebih dikenal dengan istilah Desalinasi. Yaitu mengurangi kadar garam yang terkandung pada air laut sampai pada level tertentu sehingga air laut tersebut layak untuk dipergunakan seperti halnya air tawar. Sebagaimana diketahui, air laut adalah sumber air terbesar di muka bumi sementara air tawar yang tersedia dianggap akan semakin berkurang seiring berkembangnya populasi manusia. Prinsip kerja desalinasi secara umum adalah air laut dipanaskan hingga mendidih, dan kemudian uap yang dihasilkan dialirkan ke untuk dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah/penampung. Air hasil kondensat yang diperoleh adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah solar desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan yang lebih rendah 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. 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 berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air setinggi 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 adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube. Evaporator 4

2 disini berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari kolektor surya plat datar dan juga sebagai tempat perubahan fasa air laut menjadi uap. Kondensor berfungsi sebagai ruang dimana 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, 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. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum natural yang akan dibuat penulis. Solar Heating System Evaporator C o n d e n s e r 10 m Saline Water Brine Condensate Saline Water Tank Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi Solar Still Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air payau atau air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan 5

3 tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang cocok tepat dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Sistem solar still sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.2 Kelebihan menggunakan Solar Still : 1. Konstruksi sederhana 2. Kondensasi tidak menggunakan kondensor, kondensasi hanya terjadi di kaca 3. Mudah dalam perawatannya Kelemahan menggunakan Solar Still : 1. Laju produksi air bersih per hari rendah 2. Sebagian uap air yang naik ke kaca dapat langsung terkondensasi dan jatuh bercampur dengan air laut yang belum mendidih 3. Tidak dapat memproduksi air bersih pada kondisi tidak ada matahari SUN Solar Radiation Glass Sea Water Tank Basin Fresh Water Tank Brine Tank Gambar 2.2. Solar Still Sederhana (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 6

4 2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah embun yang membawa kapasitas udara bertambah dengan meningkatnya temperatur. Saat udara panas dipanaskan oleh kolektor surya disirkulasikan secara alamiah atau paksa bersinggungan dengan air laut yang disemprotkan di dalam evaporator, sebagian uap diekstrak oleh udara yang dapat dipulihkan oleh kondensor dimana air laut pengumpan dipanaskan terlebih dahulu (Parekh dkk, 2004). Sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi dapat dilihat pada gambar 2.3 Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi : 1. Efektif dalam memproduksi air bersih 2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah 3. Biaya produksi air tidak mahal Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi dehumidifikasi : 1. Konstruksi Kompleks 2. Sulit dalam perawatannya 3. Konstruksi sistem mahal 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 7

5 2.2.3 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 besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang panjang. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca, 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). Sistem solar chimney dapat dilihat pada gambar 2.4 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 kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat besar 3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal 8

6 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Solar Multi Stage Flash Desalination Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air garam pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan dibuat perubahan fasa secara cepat dalam bak dimana tekanan rendah dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diizinkan untuk berubah fasa secara cepat dalam tingkat berturutan dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979). Sistem solar multi stage flash desalination dapat dilihat pada gambar 2.5 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 9

7 Kelemahan solar multi stage flash desalination : 1. Konstruksi sistem yang kompleks 2. Tangki penyimpan kalor 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Solar Multi Effect Distillation Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek sukses dipertahankan pada tekanan rendah dimana air laut disemprot. Panas yang dibutuhkan untuk terjadi evaporasi pada efek pertama disuplai dari energi surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED. Sistem MED mendapat banyak pembagian di market karena kompatibilitas yang lebih baik dengan desalinasi solar termal (Mezher dkk, 2011). Sistem solar multi effect distillation dapat dilihat pada gambar

8 Kelebihan solar multi effect distillation : 1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada air bersih yang terkandung dalam konsentrat garam 2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah tingkat pemanasan 3. Biaya produksi air bersih yang rendah Kelemahan solar multi effect distillation : 1. Proses pemvakuman ruangan sulit 2. Laju produksi air bersih yang rendah 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Desalinasi Kompresi Uap Dalam Desalinasi Uap Terkompresi, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas dari luar dan diizinkan untuk berubah fasa secara cepat, 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 11

9 memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006). Sistem desalinasi kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.7 Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap : 1. Konsumsi daya spesifik lebih rendah dibanding sistem desalinasi lain 2. Biaya produksi air bersih lebih rendah 3. Dapat menghasilkan daya selain air bersih Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap : 1. Konstruksi Mahal dan Kompleks 2. Perawatan sistem yang sulit 3. Hanya efektif dalam menghasilkan air bersih bila tingkat proses ada 12 tingkat 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Freeze Desalination Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut diperbolehkan untuk mendinginkan bawah titik beku, dimana kristal es dari air murni yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung, 12

10 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 masukan air garam dalam pembeku sehingga panas dari air garam akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air minum. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis dan ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas hasilnya kontaminasi kristal es oleh minyak pelumas pun dihindari. Ukuran dari freezing desalination plant melter dan washer dapat di perkecil dengan menerima sejumlah garam dalam air hasilnya biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan produk air dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air garam yang tidak dicampur dengan satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk crystal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam system desalinasi beku vakum, air garam umpan didinginkan di bawah titik tiga dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Freeze desalination dapat dilihat pada gambar 2.8 Kelebihan Freeze Desalination : 1. Biaya produksi air bersih dapat diperkecil 2. Dapat digunakan di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih 3. Laju Produksi air bersih tinggi Kelemahan Freeze Desalination : 1. Konsumsi daya spesifik tinggi 13

11 2. Perawatan sistem sulit 3. Membutuhkan kompresor yang besar 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 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 garam 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 pulih dikondensasikan dalam kondensor dan 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). Sistem desalinasi adsorpsi dapat dilihat pada gambar

12 Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Konsumsi daya spesifik yang rendah 3. Biaya produksi air bersih yang rendah Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Konstruksi yang kompleks 2. Perawatan sistem sulit dan mahal 3. Konstruksi mahal 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 (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal Dalam desalinasi RO tenaga panas surya, energi mekanik yang dihasilkan oleh siklus surya organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO 15

13 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 memotong emisi CO 2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012). Desalinasi osmosis dapat dilihat pada Gambar 2.10 Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal : 1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam 2. Pemanasan 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. Biaya produksi air bersih mahal 3. Konstruksi kompleks dan mahal 16

14 Heat Transfer Fluid Thermal Energy Storage Boiler Organic Fluid Turbine High Pressure Pump RO Module Solar Organic Rankine Cycle Thermic Fluid Condenser Saline Water Brine Fresh Water Solar Field Gambar Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) Elektrodialisis Tenaga Surya (ED) Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air garam dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air garam dan dipisahkan oleh kation dan anion membran pertukaran. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan node, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran penukar kation dan ion ini akan terakumulasi dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai air garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009). Sistem Elektrodialisis dapat dilihat pada gambar 2.11 Kelebihan Elektrodialisis : 1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC 2. Konstruksi sederhana 3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan Elektrodialisis : 1. Membran sangat mahal Saline Water Tank Brine Tank Fresh Water Tank 17

15 2. Biaya produksi air bersih mahal 3. Perawatan sistem 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 Sistem Unit Elektrodialisis (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 2.3 Evaporator Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan ke dalam kondenser (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya. Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan atau larutan berkonsentrasi. Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari 18

16 beberapa komponen volatil (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain. Gambar bentuk evaporator dapat dilihat pada gambar Gambar 2.12 Evaporator (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 2.4 Jenis Jenis Evaporator Evaporator dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu: 1. Submerged combustion evaporator, adalah evaporator yang dipanaskan oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas bergelembung melewati cairan. 2. Direct fired evaporator, adalah evaporator dengan pengapian langsung dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat dinding besi atau permukaan untuk memanaskan. 3. Steam heated evaporator, adalah evaporator dengan pemanasan stem dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih. 19

17 2.5 Koefisien Expansi Thermal Koefisien Expansi Termal digambarkan sebagai seberapa besar perubahan ukuran benda dengan perubahan temperatur. Umumnya, koefisien expansi thermal mengukur perbandingan perubahan ukuran benda dengan perubahan derajat temperatur pada tekanan konstan. Beberapa tipe koefisien telah dikembangkan yaitu volumetric, area, dan linear dimana digunakan sesuai dengan dimensi yang dianggap penting. Untuk benda padat (solids), yang dapat dipertimbangkan adalah perubahan panjang atau luasnya. Untuk material isotropic koefisien volumetric memiliki nilai tiga kali dari koefisien linear yaitu:... (1) Untuk membuktikan rumus diatas dapat kita ambil contoh, suatu kubus baja yang memiliki panjang sisi L. Volume mula-mulanya adalah dan volume akhir setelah mengalami perubahan temperatur adalah. ( ) Karena nilainya sangat kecil, maka dapat diabaikan Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka dapat diubah menjadi dan diperoleh persamaan. Maka dapat disimpulkan Dan dengan cara yang sama koefisien area memiliki nilai dua kali nilai koefisien linear: 20

18 ... (2) Pembuktian: ( ) Karena nilainya sangat kecil, maka dapat diabaikan Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka dapat diubah menjadi dan diperoleh persamaan. Maka dapat disimpulkan Dimana : α L = Linear coefficient of thermal expansion (/ o C) α A = Area coefficient of thermal expansion (/ o C) α V = Volumetric of thermal expansion (/ o C) 2.6 Thermal Stress Tegangan thermal atau thermal stress dapat diartikan sebagai suatu bahan yang mengalami tegangan karena memperoleh temperatur yang berbeda dengan temperatur awalnya. Tegangan thermal dapat dihitung dengan rumus berikut. Dimana : σ = Tegangan Thermal (MPa) E = Modulus Young (MPa) α L = Koefisien linear expansi thermal (/ o C) ΔT = Perubahan temperatur ( o C)... (3) 21

19 Perubahan suhu dapat menyebabkan perubahan dimensi pada benda. Umumnya, jika suhu meningkat, benda memuai, sebaliknya jika suhu menurun, benda menyusut. Displacement pada benda yang memiliki Panjang L dapat dihitung menggunakan rumus berikut. Dimana : α L = Linear coefficient of thermal expansion (mm) T = perubahan temperatur benda ( o C) L = panjang awal benda (mm) δ TL... (4) = perubahan panjang benda (mm) Jika benda memiliki Luas A, maka displacement dapat dihitung menggunakan rumus berikut. Dimana: α A = area coefficient of thermal expansion (mm 2 ) T = perubahan temperatur benda ( o C) A = luas awal benda (mm 2 ) δ TA = perubahan luas benda (mm 2 )... (5) Dan jika benda memiliki Volume V, maka displacement dapat dihitung menggunakan rumus berikut. Dimana: α V = volumetric coefficient of thermal expansion (mm 3 ) T = perubahan temperatur benda ( o C) V = volume awal benda (mm 3 ) δ TV = perubahan volume benda (mm 3 )... (6) 2.7 Proses Pembentukan Thermal akibat Arus Listrik Sistim kerja alat ini adalah dengan mengubah energi listrik menjadi energi panas. Perubahan bentuk energi tersebut dihasilkan oleh rangkaian listrik yang 22

20 memiliki hambatan cukup besar. Hambatan inilah yang menyebabkan timbulnya panas pada bagian coil yang disebut elemen pemanas. Elemen pemanas membangkitkan panas secara bertahap dan alat ini sudah dilengkapi dengan komponen yang disebut termostat. Dengan adanya komponen ini, maka panas yang dikehendaki oleh pengguna dapat diatur dan stabil sehingga tidak menyebabkan timbulnya panas berlebih yang dapat memicu kebakaran pada elemen. Setelah sejumlah energi panas dibangkitkan oleh elemen pemanas, maka selanjutnya panas tersebut dialirkan menuju coil. Mekanisme perpindahan kalor tersebut berlangsung secara konduksi. Konduksi merupakan proses transfer kalor di dalam zat perantara dimana energi panas berpindah dari molekul satu ke molekul lain hanya dengan jalan getaran termal berkala, tanpa ada pemindahan massa zat perantara sama sekali (Abdul Jamal dan Tamrin, 1995). 23

21 2.8 Tabel Koefisien Linear Expansi Termal Berdasarkan Technical Report no 18 (rev. F) oleh Bal Seal Engineering pada tahun 2004, dipaparkan pada tabel 2.1 koefisien linear expansi termal dari beberapa material. Tabel 2.1 Tabel Koefisien Linear Expansi Termal untuk Steel (Sumber: Technical Report TR-18 Bal Seal Engineering) 2.9 Contoh Penelitian Mengenai Deformasi Thermal Pada pengujian yang dilakukan oleh mahasiswa Universitas Indonesia dengan judul Studi Pengaruh Kenaikan Temperatur Pada Sambungan Konduktor Aluminium Dengan Tembaga, pengujian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kenaikan suhu terhadap sifat mekanis logam. Dalam pengujian ini dilakukan sebanyak lima kali untuk masing-masing logam. Pertama, logam diukur pada suhu awal (29 o C), kemudian diukur tiap kenaikan 10 o C. 24

22 2.9.1 Pengujian Pada Tembaga Tabel 2.2 Besar Pemuaian tembaga dengan menggunakan perhitungan (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Tabel 2.3 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) 25

23 Gambar 2.13 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Tabel 2.4 Data nilai rata-rata pemuaian tembaga pada percobaan (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) 26

24 Gambar 2.14 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada tembaga (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Pengujian pada Aluminium Tabel 2.5 Besar Pemuaian aluminium dengan menggunakan perhitungan (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) 27

25 Tabel 2.6 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Gambar 2.15 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) 28

26 Tabel 2.7 Data nilai rata-rata pemuaian aluminium pada percobaan (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Gambar 2.16 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada Aluminium (Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010) Pada pengujian ini diperoleh grafik deformasi yang linear pada bahan konduktor tembaga dan aluminium. 29