JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011

PENGARUH TEMPERATUR PREHEATING FEED WATER TERHADAP UNJUK KERJA UNIT DESALINASI BERBASIS POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : TOMI ANDRIYANTO NIM : I 0406054 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011

PENGARUH TEMPERATUR PREHEATING FEED WATER TERHADAP UNJUK KERJA UNIT DESALINASI BERBASIS POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI Disusun oleh : Tomi Andriyanto NIM. I0406054 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Wibawa Endra J., ST., MT Tri Istanto, ST., MT NIP. 197009112000031001 NIP. 197308202000121001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari... tanggal... 1. Eko Prasetyo B., ST.,MT... NIP. 197109261999031002 2. Muhammad Nizam Ph.D... NIP. 197007201999031007 3. Zainal Arifin., ST.,MT NIP. 197303082000031001 Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST, MT NIP. 197308041999031003 Wahyu Purwo Raharjo, ST.,MT NIP. 97202292000121001 ii

PERSEMBAHAN Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya persembahkan hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang S- 1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya sehingga saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah: 1. Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulnya. 2. Keluarga besar Gito Suwarno (Bapak : Gito Suwarno, Ibu : Sularni, karena berkat beliaulah penulis terlahir didunia ini) beserta saudara dari Bapak dan Ibu. 3. Kakaku: Sri Hariyanti Amd dan Adikku: Adi Setiawan, terimakasih dengan semua dorongan dan semangatnya dan semoga kelak bisa membahagiakan ayah dan ibu kita kelak di dunia dan akhirat Amien... 4. Riutha Meredith Alberta terima kasih atas semua semangatmu dan nasehatmu (aku akan terus melawan mentari). 5. Semua ilmuwan dan praktisi pendidikan, terima kasih dengan semua ilmu pengetahuan dan teknologi yang telah dihasilkan. 6. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan saya). iii

MOTTO Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman dintara kamu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat dan Allah Maha Teliti yang kamu kerjakan (QS. Al Mujadalah :11 Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar (manusia) dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak diketahuinya QS. Al. Alaq: 3-5 Carilah ilmu walaupun sampai ke negeri Cina HR. Bukhori Muslim Jangan menilai orang lain dari kesuksesan yang didapat tapi nilailah dari usaha yang dilakukannya Bong Chandra Sebuah target dan cita-cita itu dibuat bukan untuk dicapai. Cita-cita itu dbuat untuk dimulai, maka segera mulailah, lalu perhatikan apa yang terjadi, Mario Teguh Jangan pernah bicara tidak mampu sebelum mencobanya (Tomi) iv

KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur hanya kepada Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang, shalawat serta salam untuk Nabi besar Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladan bagi umat manusia. Walaupun berbagai rintangan dan hambatan yang dihadapi selama pembuatannya. Akhirnya atas berkat rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Tidaklah mungkin menyelesaikan skripsi ini seorang diri. Dengan segala keterbatasan dan kemampuan dalam proses pembuatannya, penulis menyadari bahwa proses pembuatan skripsi ini tidak lepas dari bimbingan, bantuan, arahan serta dorongan dan doa dari berbagai pihak. Oleh karena itu dengan segala ketulusan dan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada:. 1. Bapak Wibawa Endra Juwana, ST., MT, selaku Pembimbing I atas bimbingan dan ilmu yang bermanfaat hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Tri Istanto, ST. MT., selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak Dody Ariawan, ST., MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 4. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT., selaku koordinator Tugas Akhir 5. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut serta membantu dan mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1. 6. Kedua orang tuaku tercinta (Gito Suwarno dan Sularni) atas segala kasih sayang, pengorbanan dan jasanya yang tak terkira, yang telah memberikan dukungan, semangat, doa yang tulus ikhlas dan kepercayaan kepada penulis untuk mengemban amanah yang mulia ini. 7. Kakakku: Sri Hariyanti Amd dan Adikku: Adi Setiawan yang sangat aku sayangi terima kasih atas doa dan dukungannya. viii

8. Teman-teman seperjuangan Edy, Septian, dan Adin terima kasih berkat kerja keras kalian semua dan pengalaman pahit maupun senang dalam menyelesaikan skripsi yang kita alami bersama. 9. Rekan rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2006 terima kasih atas kebersamaan selama ini. 10. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.ahirnya penulis berharap, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Surakarta, Januari 2011 Penulis viii

DAFTAR ISI Halaman Abstract... v KATA PENGANTAR... vii Daftar Isi... ix Daftar Tabel... xi Daftar Gambar... xii Daftar Persamaan... xiv Daftar Notasi... xv Daftar Lampiran... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 4 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka... 6 2.2. Dasar Teori... 7 2.2.1. Desalinasi (Desalination)... 7 2.2.1.1. Metode pemisahan termal... 7 2.2.1.2. Metode Pemisahan membran... 13 2.2.2. Pompa kalor ( heat pump )... 16 2.2.3. Siklus Kompresi Uap Standar... 17 2.2.4. Siklus Kompresi Uap Aktual... 19 2.2.5. Psikrometrik... 21 2.2.5.1. Proses-proses yang terjadi pada udara dalam diagram psikrometrik... 23 2.2.5.1.1. Pemanasan (heating)... 23 2.2.5.1.2. Pendinginan (cooling)... 23 2.2.5.1.3. Humidifikasi... 24 2.2.5.1.4. Dehumidifikasi... 26 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian... 30 3.2. Bahan Penelitian... 30 3.3. Alat Penelitian... 30 3.4. Peralatan Pendukung unit desalinasi... 44 3.5. Prosedur Penelitian... 47 3.5.1 Tahap Persiapan... 47 3.5.2 Tahap Pengujian... 47 3.6. Analisis Data... 48 3.7. Diagram Alir Penelitian... 50 BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Data Penelitian... 51 4.1.1. Data produksi air tawar untuk seluruh variasi temperatur air laut... 52 ix

4.1.2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi... 53 4.1.3. Perhitungan volume air tawar yang dihasilkan... 55 4.1.4. Menghitung COP... 58 4.2. Analisis Data... 62 4.2.1. Pengaruh temperatur air laut terhadap produksi air tawar 62 4.2.2. Pengaruh temperatur air laut terhadap... 63 4.2.3. Pengaruh temperatur air laut terhadap ref... 64 4.2.4. Air tawar hasil proses desalinasi... 65 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 67 5.2. Saran... 67 DAFTAR PUSTAKA... 68 LAMPIRAN... 69 x

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Hasil pengujian kadar garam air laut yang digunakan... 30 Tabel 3.2. Spesifikasi pompa Moswell Model 125C... 37 Tabel 4.1. Hasil pengujian kadar garam air laut sebelum proses desalinasi... 52 Tabel 4.2. Hasil pengujian salinitas air tawar setelah proses desalinasi... 52 Tabel 4.3. Hasil pengamatan akumulasi produksi air tawar aktual untuk seluruh variasi temperatur air laut... 52 Tabel 4.4. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 C... 54 Tabel 4.5. Hasil perhitungan laju aliran massa udara, penambahan massa uap total, pengurangan massa uap total dan volume air tawar yang dihasilkan pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 C... 57 Tabel 4.6. Hasil perhitungan volume air tawar yang dihasilkan untuk seluruh variasi temperatur air laut... 57 Tabel 4.7. Hasil perhitungan penambahan massa uap air total untuk seluruh variasi temperatur air laut... 58 Tabel 4.8. Hasil perhitungan pengurangan massa uap air total untuk seluruh variasi temperatur air laut... 58 Tabel 4.9. COP HP aktual untuk variasi temperatur air laut 60 C... 60 Tabel 4.10. COP HP aktual seluruh variasi temperatur air laut... 60 Tabel 4.11. ref untuk variasi temperatur air laut 60 0 C... 61 Tabel 4.12. ref seluruh variasi temperatur air laut... 62 Tabel 4.13. Klasifikasi dari beberapa jenis air berdasarkan tujuan penggunaanya... 66 xi

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Multi-stage flash distillation... 8 Gambar 2.2. Multiple Effect Evaporation... 9 Gambar 2.3. Single Effect Vapour Compression... 10 Gambar 2.4. Humidification-Dehumidification... 10 Gambar 2.5. Desalinasi dengan humidifikasi-dehumidifikasi berbasis pompa kalor... 11 Gambar 2.6. humidifier... 11 Gambar 2.7. Solar Still... 13 Gambar 2.8. Proses Osmosis Balik... 13 Gambar2.9. Desalinasi dengan osmosis balik... 14 Gambar 2.10. Proses Elektrodialisis... 15 Gambar 2.11. Kombinasi desalinasi dengan energy terbaharukan... 15 Gambar 2.12. Siklus dasar pompa kalor... 16 Gambar 2.13. Komponen pompa kalor pada proses pemanasan... 17 Gambar 2.14. Komponen pompa kalor pada proses pendinginan... 17 Gambar 2.15. Siklus kompresi uap standar... 18 Gambar 2.16. Siklus kompresi uap aktual dan standar... 20 Gambar 2.17. Diagram psikrometrik... 22 Gambar 2.18. Proses pemanasan udara dalam psikrometrik... 23 Gambar 2.19. Proses pendinginani dalam diagram psikrometrik... 24 Gambar 2.20. Proses humidifikasi... 24 Gambar 2.21. Proses humidifikasi dalam diagram psikrometrik... 24 Gambar 2.22. Proses heating and humidification dalam psikrometrik... 25 Gambar 2.23. Proses cooling and humidification dalam diagram psikrometrik. 25 Gambar 2.24. Proses dehumidifikasi... 27 Gambar 2.25. Proses dehumdifikasi dalam diagram psikrometrik... 27 Gambar 2.26. Proses heating and dehumidification dalam psikrometrik... 28 Gambar 2.27. Proses cooling and dehumidification dalam psikrometrik... 28 Gambar 3.1. Refrigeran HFC 134-a... 30 Gambar 3.2. Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi... 31 Gambar 3.3. Gambar 3D unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi... 32 Gambar 3.4. Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi... 33 Gambar 3.5. Kompresor... 33 Gambar 3.6. Kondensor... 33 Gambar 3.7. Receiver... 34 Gambar 3.8. Katup ekspansi... 34 Gambar 3.9. Evaporator... 34 Gambar 3.10. Humidifier... 35 Gambar 3.11. Dehumidifier... 35 Gambar 3.12. Sprinkler... 36 Gambar 3.13. Motor listrik 3HP... 36 Gambar 3.14. Pressure gauge... 36 xii

Gambar 3.15. Fan aksial... 37 Gambar 3.16. Pompa sentrifugal... 37 Gambar 3.17. Rotameter air laut... 38 Gambar 3.18. Flowmeter refrigeran... 38 Gambar 3.19. Pemanas udara... 39 Gambar 3.20. Termokopel tipe T... 39 Gambar 3.21. Pemasangan termokopel tipe T pada pipa... 39 Gambar 3.22. Display termokopel... 40 Gambar 3.23. Thermostat... 40 Gambar 3.24. Relay atau kontaktor... 40 Gambar 3.25. Termometer digital... 41 Gambar 3.26. Termometer bola basah... 41 Gambar 3.27. Power supply switching circuit... 41 Gambar 3.28. Timbangan digital... 42 Gambar 3.29. Stopwatch... 42 Gambar 3.30. Gelas Ukur... 42 Gambar 3.31. Pemanas air elektrik... 43 Gambar 3.32. Bak penampung air laut... 43 Gambar 3.33. Bak penampung air tawar... 43 Gambar 3.4. Alat Pendukung Dalam Sistem Desalinasi... 45 Gambar 4.1. Data temperatur dan tekanan pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 C... 51 Gambar 4.2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 C pada psikrometrik... 53 Gambar 4.3. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi variasi temperatur air laut pada psikrometrik... 54 Gambar 4.4 Diagram P-H siklus aktual... 59 Gambar 4.5. Grafik produksi air tawar terhadap waktu dan variasi temeperatur air laut... 62 Gambar 4.6 Grafik penambahan massa uap air total terhadap waktu dan variasi temperatur air laut... 63 Gambar 4.7 Grafik COP aktual terhadap waktu dan temperatur air laut... 64 Gambar 4.8 Grafik hubungan kerja kompresor terhadap waktu dan temperatur air lut... 64 Gambar 4.9 Grafik ref terhadap waktu dan temperatur air laut... 65 Gambar 4.10 Grafik hubungan beban pendinginan terhadap waktu dan temperatur air laut... 65 xiii

DAFTAR PERSAMAAN Halaman Persamaan (2.1) COP ideal Heat Pump... 19 Persamaan (2.2) COP aktual Heat Pump... 20 Persamaan (2.3) Laju aliran massa refrigeran aktual... 20 Persamaan (2.4) Kapasitas panas yang dilepas... 21 Persamaan (2.5) Beban pendinginan... 21 Persamaan (2.6) Kenaikan entalpi udara spesifik... 26 Persamaan (2.7) Kenaikan entalpi udara total... 26 Persamaan (2.8) Penambahan kadar uap air (moisture content)... 26 Persamaan (2.9) Penambahan massa uap air total (moisture content)... 26 Persamaan (2.10) Jumlah kalor yang dilepas selama proses... 26 Persamaan (2.11) laju aliran massa uap air... 26 Persamaan (2.12) entalpi spesifik dari uap air... 26 Persamaan (2.13) Penurunan entalpi udara... 28 Persamaan (2.14) Penurunan kadar uap air (moisture content)... 28 Persamaan (2.15) Jumlah kalor yang dilepas udara selama proses... 29 Persamaan (2.16) Laju aliran massa udara... 29 Persamaan (2.17) Massa air tawar yang dihasilkan selama proses... 29 xiv

DAFTAR NOTASI A = luas penampang saluran (m 2 ) COP aktual = koefisien prestasi aktual COP HP = koefisien prestasi ideal = entalpi spesifik dari uap air (kj/kg) = entalpi refrigeran keluar evaporator (kj/kg) = entalpi udara masuk humidifier (kj/kg) = entalpi udara keluar humidifier (kj/kg) h 2 = entalpi gas refrigeran pada tekanan keluar kompresor (kj/kg) = entalpi refrigeran masuk kondensor (kj/kg) h 3 = entalpi refrigeran pada tekanan keluar kondensor (kj/kg) = entalpi udara keluar dehumidifier (kj/kg) = laju aliran massa udara (kg/s) = laju aliran massa refrigeran (kg/s) = massa air tawar yang dihasilkan selama proses (kg) = debit aliran refrigeran (m 3 /s) Q kond = kalor yang dilepas oleh kondensor (kw) = jumlah kalor yang dilepas selama proses (kw) = jumlah kalor yang dilepas udara selama proses (kw) = kecepatan udara (m/s) = rasio kelembaban udara setelah melewati evaporator (kg/kg) = rasio kelembaban udara sebelum melewati evaporator (kg/kg) W komp = daya kompresor (kw) = rasio kelembaban udara masuk humidifier (kg uap air/kg udara kering) = rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg uap air/kg udara kering) = rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg uap air/kg udara kering) H = kenaikan entalpi udara total (kj/kg) h = kenaikan entalpi udara spesifik (kj/kg) w = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering) W = penambahan massa uap air total (kg/s) = densitas refrigeran (kg/m 3 ) = massa jenis udara (kg/m 3 ) = periode (jam/hari) xv

DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN 1. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 28 C... 70 Tabel 1. Data Sistem Pompa Kalor untuk variasi air laut 28 0 C... 70 Tabel 2. Data flowmeter untuk variasi air laut 28 0 C... 70 Tabel 3. Data COP aktual untuk variasi air laut 28 0 C... 71 Tabel 4. Data debit refrigerant untuk variasi air laut 28 0 C... 71 Tabel 5. Data beban pendinginan untuk variasi air laut 28 0 C... 72 Tabel 6. Data hasil produksi air tawar yang dihasilkan secara aktual dan temperatur dalam duct untuk variasi air laut 28 0 C... 72 Tabel 7. Data volume air tawar menurut perhitungan untuk variasi air laut 28 0 C... 73 Gambar 1. Proses humidifikasi dan dehumidifiaksi pada menit ke-60 untuk variasi air laut 28 0 C... 73 Tabel 8. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrikuntuk variasi air laut 28 0 C... 70 LAMPIRAN 2. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 30 C... 75 Tabel 9. Data sistem pompa kalor untuk variasi air laut 30 0 C... 75 Tabel 10 Data flowmeter untuk variasi air laut 30 0 C... 74 Tabel 11 Data COP aktual untuk variasi air laut 30 0 C... 76 Tabel 12. Data debit refrigerant untuk variasi air laut 30 0 C... 76 Tabel 13. Data beban pendinginan untuk variasi air laut 30 0 C... 77 Tabel 14. Data hasil produksi air tawar yang dihasilkan secara aktual dan temperatur dalam duct untuk variasi air laut 30 0 C... 77 Tabel 15. Data volume air tawar menurut perhitungan untuk variasi air laut 30 0 C... 78 Gambar 2. Proses humidifikasi dan dehumidifiaksi pada menit ke-60 untuk variasi air laut 30 0 C... 78 Tabel 16. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrik untuk variasi air laut 30 0 C... 79 LAMPIRAN 3. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 45 C... 80 Tabel 17. Data sistem pompa kalor untuk variasi air laut 45 0 C... 80 Tabel 18 Data flowmeter untuk variasi air laut 45 0 C... 80 Tabel 19 Data COP aktual untuk variasi air laut 45 0 C... 81 Tabel 20. Data debit refrigerant untuk variasi air laut 45 0 C... 81 Tabel 21. Data beban pendinginan untuk variasi air laut 45 0 C... 82 Tabel 22. Data hasil produksi air tawar yang dihasilkan secara aktual dan temperatur dalam duct untuk variasi air laut 45 0 C... 82 Tabel 23. Data volume air tawar menurut perhitungan untuk variasi air laut 45 0 C... 83 Gambar 3. Proses humidifikasi dan dehumidifiaksi pada menit ke-60 untuk variasi air laut 45 0 C... 83 Tabel 24. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrik untuk variasi air laut 45 0 C... 84 LAMPIRAN 4. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 60 C... 85 Tabel 25. Data sistem pompa kalor untuk variasi air laut 60 0 C... 85 xvi

Tabel 26 Data flowmeter untuk variasi air laut 60 0 C... 85 Tabel 27 Data COP aktual untuk variasi air laut 60 0 C... 86 Tabel 28. Data debit refrigerant untuk variasi air laut 60 0 C... 86 Tabel 29. Data beban pendinginan untuk variasi air laut 60 0 C... 87 Tabel 30. Data hasil produksi air tawar yang dihasilkan secara aktual dan temperatur dalam duct untuk variasi air laut 60 0 C... 87 Tabel 31. Data volume air tawar menurut perhitungan untuk variasi air laut 60 0 C... 88 Gambar 4. Proses humidifikasi dan dehumidifiaksi pada menit ke-60 untuk variasi air laut 60 0 C... 88 Tabel 32. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrik untuk variasi air laut 60 0 C... 89 xvii

Pengaruh Temperatur Preheating Feed Water Terhadap Unjuk Kerja Unit Desalinasi Berbasis Pompa Kalor Dengan Menggunakan Proses Humidifikasi dan Dehumidifikasi Tomi Andriyanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: tomi_a08@yahoo.com Abstrak Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi merupakan salah satu aplikasi dari sistem pompa kalor, dengan penambahan humidifier, sprinkler dan evaporator (dehumidifier) yang menyatu di dalam suatu duct. Udara mengalami penambahan kelembaban (humidifikasi) di dalam humidifier dengan semburan air laut melalui sprinkler yang kemudian didinginkan oleh evaporator (dehumidifier) sehingga menghasilkan air tawar. Pemanas air elektrik ditambahkan untuk memvariasikan temperatur air laut dalam sistem ini. Pada penelitian ini menguji pengaruh temperatur pemanasan awal (preheating) air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Pada penelitian ini temperatur air laut divariasikan sebesar 28 C, 30 C, 45 C, dan 60 C, temperatur udara dalam duct dikondisikan pada temperatur konstan sebesar 30 o C, dan temperatur lingkungan dijaga konstan pada 28 o C. Kompresor dioperasikan pada putaran konstan sebesar 1.200 rpm, laju aliran volumetrik air laut dijaga sebesar 300 l/jam, dan air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa volume produksi air tawar meningkat seiring dengan peningkatan temperatur air laut (feed water) yang masuk ke humidifier pada unit desalinasi ini. Kata kunci : desalinasi, pompa kalor, preheating, humidifikasi, dehumidifikasi, v

The Effect of Preheating Feed Water Temperature on The Performance of Desalination Unit Based on Heat Pump With Using Humidification and Dehumidification Processes Tomi Andriyanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: tomi_a08@yahoo.com Abstract Desalination unit based on heat pump with humidification and dehumidification processes is one of the applications of heat pump system, with addition of a humidifier, sprinkler and evaporator (as dehumidifier) that integrated in a duct. The air has humidified in the humidifier with the spray of seawater through the sprinkler and then it has cooled in the evaporator to produce fresh water. The addition of electric water heater has used to vary the seawater temperature to the humidifier on this system. In this research has examined the effect of preheating seawater temperature on the performance of desalination unit based on heat pump system with using humidification and dehumidification processes. In this research the seawater/feed water temperature has varied at 28 o C, 30 o C, 45 o C and 60 o C, air temperature has conditioned at a constant temperature of 30 o C, and ambient temperature has kept constant at 28 o C. Compressor has operated at a constant rotation of 1,200 rpm, the seawater volumetric flow rate has kept at 300 l/h, and seawater in this system has recirculated. The result of this research showed that the volume of fresh water production increase with increasing the inlet of the seawater/feed water temperature to the humidifier on this desalination unit. Keywords : desalination, heat pump, preheating, humidification, dehumidification vi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Bumi mengandung kandungan air sebesar 1,4 x 10 9 km 3 atau sekitar lebih dari 70% dari luas bumi ini, dimana jumlah kandungan air lautnya sebesar 97,5% dari kandungan air yang ada di bumi (Gleick,P.H, 1996). Berarti sekitar 2,5% merupakan air tawar (fresh water) yang digunakan oleh semua makhluk hidup yang ada di bumi ini khususnya bagi umat manusia. Nilai tersebut relatif konstan dari awal dimulainya kehidupan di bumi ini. Tetapi di lain pihak, pertumbuhan populasi manusia di seluruh dunia ini meningkat sangat pesat dari periode 200-an tahun yang lalu. Diprediksikan di tahun 2020 populasi manusia di dunia ini mencapai 7,5 milyar orang (World Population Data Sheet, 2002). Saat ini saja, hampir 40% dari populasi manusia di dunia ini mengalami kesulitan dalam mendapatkan air tawar (fresh water). Hal ini dikarenakan oleh beberapa faktor diantaranya: perubahan gaya hidup manusia (life-style), peningkatan aktivitas ekonomi manusia, polusi terhadap sumber air bersih, dan juga karena pertumbuhan populasi manusia itu sendiri. Penggunaan air yang tidak sehat di negara negara berkembang menyebabkan sekitar 80 90% berbagai penyakit dan 30% di antaranya sampai meninggal dunia. Proses desalinasi air laut merupakan salah satu pilihan yang tepat yang juga sebagai solusi untuk menghasilkan air tawar dalam mengatasi krisis air saat ini. Salah satu proses desalinasi air laut yang digunakan adalah berdasar pada sistem pompa kalor (heat pump) dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Desalinasi air laut dengan pompa kalor ini dapat pula digabungkan dengan pemanfaatan energi matahari sebagai sumber panas alami. Dengan adanya penggunaan pompa kalor membuat sistem desalinasi mudah dipasang atau diaplikasikan dan sederhana. Sementara pemanfaatan energi matahari membuat sistem desalinasi ini ramah lingkungan, hemat biaya serta dapat mengurangi efek rumah kaca yang saat ini menjadi isu global yang sering diperdebatkan oleh berbagai kalangan. Prinsip dari proses humidifikasi dan dehumidifikasi ini berdasarkan pada fakta bahwa udara dapat dicampur dengan uap air. Kandungan uap air yang dibawa udara meningkat bersamaan dengan meningkatnya temperatur. Dalam faktanya 1 kg udara kering dapat membawa 0,5 kg uap air atau sekitar 670

kcal ketika temperatur meningkat dari 30 0 C 80 0 C.. Dalam proses humidifikasi dan dehumidifikasi, udara mengalami peningkatan kelembaban (humidifikasi) saat mengalami kontak dengan air laut yang panas sehingga terjadi perpindahan massa dan panas antara udara kering dengan air laut. Udara lembab (humid air) didinginkan yang menghasilkan air tawar (fresh water). Kalor laten dari kondensor dapat digunakan kembali untuk membantu meningkatkan temperatur udara yang kemudian dibantu oleh kolektor surya (solar collector) Untuk meningkatkan produksi air tawar dalam sistem desalinasi air laut dengan proses humidifikasi dan dehumidifikasi berdasar pada sistem pompa kalor sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya : laju aliran massa air laut yang masuk ke dalam humidifier, temperatur preheating air laut yang masuk ke humidifier, temperatur udara di dalam sistem, intensitas radiasi matahari, dan laju aliran massa udara di dalam sistem. Dalam proses desalinasi air laut dengan proses humidifikasi dan dehumidifikasi berdasar pada sistem pompa kalor sebagian kalangan masih meragukan unjuk kerja sistem ini dan produktivitas air yang dihasilkan dari proses desalinasi air laut ini. Oleh karena itu, penelitian ini akan menguji pengaruh temperatur preheating feed water (air laut) terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. 1.2 Perumusan Masalah Bagaimanakah pengaruh temperatur preheating feed water terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. 1.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut : 1. Temperatur preheating feed water (air laut) divariasi sebesar 28 0 C (tanpa pemanas air), 30 0 C, 45 0 C, dan 60 0 C. 2. Evaporator yang digunakan adalah evaporator tipe window 2 PK berjumlah 2 buah yang disusun secara paralel. 3. Kondensor yang digunakan berjumlah 2 buah dan memiliki dimensi 58 cm x 1,5 cm x 36 cm yang disusun secara seri. 4. Refrigeran yang digunakan adalah HFC-134a (R-134a).

5. Parameter yang dibuat konstan adalah tekanan pengisian refrigeran, putaran fan, laju aliran massa air laut (feed water), putaran kompresor, dan temperatur udara dalam duct. 6. Temperatur udara dalam saluran (duct) sesuai panas yang dibuang kondensor dan dibantu pemanas udara. 7. Air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang. 8. Humidifier yang digunakan terbuat dari aluminium dengan dimensi 30 cm x 37 cm x 35 cm yang disusun secara sejajar sebanyak 72 buah dengan jarak antar plat 5 mm dan sudut elevasi 45 0 tiap gelombangnya. 9. Kompresor yang digunakan adalah kompresor torak (reciprocating compressor) 2 silinder. 10. Pompa yang digunakan adalah tipe sentrifugal yang berjumlah 1 buah. 11. Pemanas air yang digunakan berjumlah 6 buah. 12. Struktur alat terdiri dari : Evaporator Kondensor Humidifier Kompresor torak (reciprocating compressor) Motor 3 phase Expansion Valve Receiver dryer Fan aksial Pemanas air listrik (electric water heater) Pemanas udara (air heater) Sprinkler berjumlah 5 buah Tangki air laut Tangki air tawar Rotameter air laut Flowmeter refrigeran 13. Penelitian dilakukan pada temperatur kamar yaitu 28 0 C.

1.5 Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pemanfaatan teknologi dari proses desalinasi yang berbasis pompa kalor dengan menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi. 2. Mengetahui pengaruh temperatur preheating feed water (air laut) terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dan produktivitas air tawar. Hasil penelitian yang didapat diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mampu memberikan pengetahuan baru tentang proses desalinasi yang berbasis pompa kalor. 2. Dapat diterapkan dalam kehidupan sehari hari sebagai alat alternatif untuk menghasilkan air tawar dari air laut 3. Mampu mengatasi kekurangan air tawar yang terjadi di beberapa daerah di dunia ini khususnya bagi bangsa Indonesia. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan. BAB II : Dasar Teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian alat desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi, metode desalinasi, pompa kalor, dan proses desalinasi dengan humidifier dan dehumidifier. BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data. BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan. BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Dai Y.J dan Zhang H.F (2000) melakukan penelitian mengenai solar desalination dengan humidifier dan dehumidifier. Humidifier yang digunakan memiliki panjang 0,6 m dan keseluruhan unit memiliki dimensi 1 m x 1 m x 1,5 m. Sirkulasi udara dalam sistem dilakukan secara paksa (forced) oleh sebuah fan yang dihubungkan ke pengukur putaran (rotation meter) untuk mengetahui kecepatan putar fan. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi kecepatan putar fan maka laju aliran udara juga semakin besar. Temperatur air laut yang masuk semakin tinggi maka efisiensi termal dan produktivitas air tawar juga semakin tinggi. Efisiensi termal pada sistem ini sekitar 0,85. Yuan Guofeng, dkk (2005) melakukan penelitian mengenai sebuah unit desalinasi dan pengkondisian udara (air conditioning) yang menyatu. Dari alat yang digunakan terdiri dari 2 kondensor, 2 blower, humidifier, cross valve, evaporator, kompresor, sprayer, dan penukar kalor (heat exchanger). Penelitian yang dilakukan mengenai pengaruh laju aliran air laut dan temperatur air laut yang masuk ke sistem. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi laju aliran air laut yang masuk ke sistem maka produksi air tawar juga semakin tinggi sampai mencapai titik puncak dan kemudian berangsur konstan. Semakin tinggi temperatur air laut yang masuk ke sistem juga meningkatkan produksi air tawar dan temperatur ini memiliki pengaruh yang besar terhadap produksi air tawar. Ketika digunakan sebagai pengkondisian udara, sistem ini mampu mencapai temperatur yang keluar evaporator dapat diatur dari 10 0 C sampai 28 0 C di musim panas. Orfi J, dkk (2007) melakukan penelitian mengenai sistem desalinasi menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi udara dengan memanfaatkan energi surya. Dalam penelitian yang dilakukan, sistem terdiri dari 2 solar collector dimana solar collector pertama digunakan untuk memanaskan air (solar water collector) dan solar collector kedua digunakan untuk memanaskan udara (solar air collector), sebuah evaporator dan sebuah kondensor. Dalam penelitian ini juga 6

7 menggunakan pemanas air elektrik di samping solar water collector dan evaporator yang digunakan dipasang secara horizontal. Untuk meningkatkan produktivitas digunakan kalor laten dari kondensor untuk pemanasan awal (preheat) air laut yang akan masuk ke sistem. Dari penelitian ini disimpulkan bahwa peningkatan efisiensi secara keseluruhan dari sistem tergantung pada efisiensi setiap bagian/komponen (solar water and air heater, evaporator, dan condenser). Gao Penghui, dkk (2008) meneliti tentang unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan humidifikasi dan dehumidifikasi. Pada sistem ini, udara dipanaskan melalui kolektor surya (solar collector) dan kemudian dilembabkan (humid) di honeycomb (alveolate humidifier) melalui blower. Udara lembab kemudian didinginkan ketika melewati pre-kondensor (pre-condensor) dan dilanjutkan didinginkan melalui evaporator (evaporative condenser) dan air tawar akan didapat. Dari hasil penelitiannya dapat disimpulkan bahwa laju aliran massa air laut dan temperatur air laut yang masuk ke sistem mempunyai pengaruh yang besar dalam memproduksi air tawar. Amer E.H, dkk (2009) meneliti secara teoritis dan eksperimen unit desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi. Sistem ini didasarkan pada siklus terbuka untuk air dan siklus tertutup untuk aliran udara. Hasil penelitian menunjukkan bahwa produktivitas dari sistem meningkat seiring dengan kenaikan temperatur air laut yang masuk ke humidifier. 2.2. Dasar Teori 2.2.1. Desalinasi (Desalination) Desalinasi adalah proses menghilangkan kadar garam berlebih sampai pada level tertentu untuk mendapatkan air yang dapat dikonsumsi oleh makhluk hidup melalui suatu metode. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine adalah larutan garam dengan konsentrasi yang tinggi (lebih dari 35.000 mg/l garam terlarut). Proses desalinasi air laut dapat dilakukan melalui 2 metode yaitu metode pemisahan secara termal dan membran.

8 2.2.1.1. Metode Pemisahan Termal Metode pemisahan termal yaitu dengan penguapan (evaporation) yang diikuti dengan pengembunan (condensation). Pada proses penguapan terdiri atas Multistage Flash Desalination (MSF), Multiple Effect Evaporation (MEE), Single Effect Vapour Compression (SEE), Humidification Dehumidification (HDH), dan Solar still. Pada Single Effect Vapour Compression (SEE) termasuk diantaranya : Mechanical Vapour Compression (MVC), Thermal Vapour Compression (TVC), Absorption Vapour Compression (ABVC), Adsorption Vapour Compression (ADVC), dan Chemical Vapour Compression (CVC). a. Multistage Flash Desalination Multistage flash desalination merupakan proses desalinasi air laut dimana air laut dipanaskan sampai mencapai titik didih kemudian didinginkan dengan media air laut itu sendiri. Stage terdiri dari penukar kalor (heat exchanger) dan penampung kondensat. Prinsip kerja dari Multistage Flash Desalination, air laut dipompa melalui penukar kalor di setiap tingkat (stage) sampai ke pemanas (heater). Pemanas menaikkan temperatur mendekati temperatur maksimumnya dan dialirkan kembali ke dalam tingkat yang memiliki temperatur dan tekanan yang lebih rendah melalui katup (valve). Air laut yang masuk kembali ke tingkat ini disebut brine. Temperatur brine diatas temperatur didihnya pada tekanan di dalam tingkat dan sebagian fraksi dari brine akan mendidih (flash) menjadi uap. Uap memiliki temperatur lebih panas daripada air laut di penukar kalor yang akan mengembun di pipa-pipa penukar kalor. Gambar 2.1 Multistage Flash Desalination

9 b. Multiple Effect Evaporation Multiple Effect Evaporation merupakan peralatan yang dirancang dengan tujuan meningkatkan efisiensi energi dari proses evaporasi yang berlangsung dengan menggunakan energi panas dari uap (steam) untuk menguapkan air. Prinsip dasar dari proses ini adalah menggunakan panas yang dilepaskan dari proses kondensasi pada satu efek untuk memberikan panas bagi efek lainnya. Gambar 2.2 Multiple Effect Evaporation c. Single Effect Vapour Compression Single Effect Vapour Compression memiliki komponen utama yaitu evaporator dan kondensor. Prinsip kerjanya air laut dipanaskan (preheat) melalui pipa-pipa kondensor oleh uap panas (steam) dari hasil pengembunan di evaporator yang kemudian dialirkan menuju evaporator. Di evaporator air laut hasil preheat disemprotkan dari atas yang waktu bersamaan uap panas mengalir di evaporator sehingga terjadi proses pengembunan dan terbentuk air tawar dan brine yang di tampung di bagian bawah evaporator.

10 Gambar 2.3 Single effect vapour compression d. Humidification Dehumdification (HDH) Proses desalinasi dengan humidifikasi-dehumidikasi terdapat perbedaan dengan proses yang lain, dimana pada proses humidifikasi-dehumidifikasi air laut dipanaskan pada temperatur dibawah temperatur titik didih dan terdapat perbedaan konsentrasi antara uap air dengan udara. Prinsip kerja proses HDH adalah pemanasan awal air laut (preheat) dari pemanfaatan kalor laten kondensor di samping sumber panas yang lain kemudian dialirkan menuju humidifier. Di humidifier air laut yang panas disemprotkan menjadi kabut yang bersamaan dialirkan udara sehingga terjadi proses humidifikasi dan sebagian uap air tercampur dengan udara. Udara lembab (humid air ) didinginkan dengan media air laut itu sendiri sehingga menghasilkan air hasil pengembunan. Gambar 2.4 Humidification-dehumidification

11 Sistem ini sangat cocok diaplikasikan ketika kebutuhan air tawar terpusat pada satu daerah. Beberapa keuntungan dari sistem ini antara lain fleksibilitasnya dalam kapasitas air tawar yang dibutuhkan, instalasinya yang mudah dan sederhana serta dapat dikombinasikan dengan energi panas tingkat rendah (low grade thermal energy) seperti energi surya dan geothermal. Dalam perkembangannya desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi dikombinasikan dengan siklus kompresi uap pada pompa kalor. Gambar 2.5 Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor. Gambar 2.6 Humidifier

12 Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor ditunjukkan gambar 2.5. Proses desalinasi air laut dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor adalah proses pengurangan kandungan garam untuk menghasilkan air tawar yang dikombinasikan dengan pemanfaatan sistem pompa kalor. Teknologi ini dapat digunakan untuk multi fungsi yaitu untuk proses desalinasi dan sebagai pengkondisian udara. Komponen utama terdiri atas sistem pompa kalor (kondensor, evaporator, katup ekspansi, kompresor, motor, dan receiver / dryer), humifidifier, dan pemanas udara. Prinsip kerja sistem ini adalah pemanasan awal air laut oleh pemanas untuk mempercepat proses pemanasan. Kalor laten dari kondensor digunakan untuk memanaskan udara yang dibantu pemanas udara. Air laut yang panas dialirkan ke humidifier dan disemprotkan di dalam humidifier melalui sprinkler, dimana saat bersamaan mengalir udara melewati humidifier dari kondensor. Udara mengalami peningkatan kelembaban (humidifikasi) akibat kontak dengan air laut yang panas. Sehingga terjadi perpindahan panas dan massa antara udara dengan air laut. Air laut yang keluar dari humidifier disebut brine yang dialirkan kembali ke penampungan air laut untuk dipanaskan kembali. Sebagian uap air yang tercampur dengan udara terbawa menuju evaporator untuk proses pengembunan. Di dalam evaporator yang merupakan bagian dari pompa kalor mengalir refrigeran dengan suhu yang rendah. Air hasil pengembunan jatuh ke bawah yang ditampung oleh wadah dan dialirkan keluar. Keuntungan dari pemanfaatan teknologi di atas adalah desain yang sederhana, mampu dikombinasikan dengan energi terbaharukan (matahari, panas bumi), memiliki efisiensi yang tinggi, dan dapat digunakan sebagai pengkondisian udara / multi fungsi. Sedangkan kerugiannya adalah tidak cocok untuk aplikasi industri / skala besar. e. Solar Still Proses desalinasi ini dengan memanfaatkan matahari untuk menguapkan air laut yang kemudian dilakukan pengembunan. Solar still merupakan proses desalinasi air laut konvensional yang memiliki kekurangan diantaranya; efisiensi

13 rendah, biaya awal yang tinggi, rentan terhadap cuaca ekstrim, resiko pembentukan alga dan endapan debu di permukaan hitam, dan dibutuhkan perawatan khusus untuk menghindari pembentukan alga dan endapan debu. Keuntungan dari solar still adalah struktur alat yang sangat sederhana dan mudah diaplikasikan. Gambar 2.7 Solar still 2.2.1.2. Metode Pemisahan Membran Pada metode pemisahan membran terdiri 2 proses yaitu : osmosis balik (reverse osmosis) dan electrodialysis. Proses osmosis balik adalah sebuah proses pemaksaan sebuah molekul dari konsentrasi tinggi ke molekul yang konsentrasinya rendah melalui sebuah membran semipermeabel dengan menggunakan tekanan yang melebihi tekanan osmotik sehingga menghasilkan air yang kaya kandungan garamnya dan air yang sedikit kandungan kadar garamnya. Membran semipermeabel ini hanya bisa dilalui oleh molekul-molekul zat pelarut dan tidak bisa dilalui oleh zat terlarut. Gambar 2.8 Proses osmosis balik Sebuah unit desalinasi dengan sistem osmosis balik umumnya terdiri dari empat komponen utama yaitu komponen untuk perlakuan awal air umpan (feed

14 water pre-treatment), pompa bertekanan tinggi, membran pemisahan, dan perlakuan akhir air hasil pemisahan. Gambar 2.9 Desalinasi dengan osmosis balik Perlakuan awal diperlukan untuk menghilangkan zat-zat yang tidak diinginkan dalam air laut yang dapat menjadi pengotor membran. Perlakuan awal air laut meliputi klorinasi, koagulasi, penambahan asam, multi-media filtrasi dan deklorinasinya. Jenis perlakuan awal yang digunakan sebagian besar tergantung pada karakteristik air umpan, jenis dan konfigurasi membran dan kualitas air tawar yang dihasilkan. Membran yang digunakan harus mampu menahan tekanan dari air laut yang melewatinya. Umumnya sejumlah kecil garam masih bisa melewati membran dan bercampur dengan air tawar hasil produksi. Dua jenis konfigurasi membran yang paling sukses secara komersial adalah spiral wound dan serat halus berongga atau hollow fine fiber (HFF). HFF terbuat dari selulosa triasetat dan poliamida. Proses electrodialysis pada dasarnya proses dialisis dibawah pengaruh medan listrik. Cara kerja dari proses ini, listrik dengan tegangan tinggi dialirkan melalui 2 lapisan (layer) logam yang menyokong selaput membran semipermeabel sehingga partikel-partikel zat terlarut dalam sistem koloid berupa ion-ion akan bergerak menuju elektroda yang bermuatan berlawanan. Karena adanya pengaruh medan listrik akan mempercepat proses pemurnian sistem koloid.

15 Gambar 2.10 Proses elektrodialisis Dalam pembangkit (plant), proses desalinasi dapat dikombinasikan dengan pemanfaatan energi terbaharukan (renewable energy/re) sebagai sumber tenaga dalam proses desalinasi melalui berbagai cara. Energi terbarukan dan desalinasi adalah dua teknologi yang berbeda, yang dapat dikombinasikan dalam berbagai cara. Energi terbarukan hasil dari sistem RE dapat diaplikasikan dalam sistem desalinasi. Energi ini bermacam macam bentuknya seperti: energi termal, listrik, dan angin. Gambar 2.11. berikut menunjukkan jenis energi terbaharukan yang dapat dikombinasikan dengan proses desalinasi Gambar 2.11 Kombinasi proses desalinasi dengan energi terbaharukan

16 2.2.2. Pompa kalor (heat pump) Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Pompa kalor bisa disamakan dengan mesin kalor yang beroperasi dengan cara terbalik. Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas. Gambar 2.12 Siklus dasar pompa kalor Pompa kalor memindahkan panas melalui suatu zat yang bersirkulasi yang disebut dengan refrigeran, yang melewati sebuah siklus penguapan (evaporation) dan pengembunan (condensation). Sebuah kompresor yang memompa refrigeran berada diantara dua koil penukar kalor yaitu kondensor dan evaporator. Pada evaporator, refrigeran diuapkan pada tekanan rendah dan menyerap panas dari lingkungan. Refrigeran kemudian dikompresikan mengalir menuju kondensor, dimana refrigeran akan diembunkan pada tekanan tinggi. Pada umumnya pompa kalor bekerja berdasarkan siklus kompresi uap yang terdiri dari : evaporator, kompresor, kondensor, dan katup ekspansi.

17 Gambar 2.13 Komponen pompa kalor pada proses pemanasan Gambar 2.14 Komponen pompa kalor pada proses pendinginan 2.2.3. Siklus Kompresi Uap Standar Pada siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses ideal, sesuai dengan gambar 2.15 di bawah ini :

18 Gambar 2.15 Siklus kompresi uap standar (a) Diagram alir proses, (b) Diagram tekanan-entalpi (Training Manual, 2004) Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi (tekanan kondensor). Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran, sehingga temperatur refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya. Dengan demikian perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan. Proses kompresi ini berlangsung secara isentropik (adiabatik dan reversibel). Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujudnya menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini dilakukan pada penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung secara reversibel pada tekanan konstan. Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3, gambar 4), mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi

19 konstan dan berlangsung secara tak-reversibel. Selanjutnya refrigeran keluar dari katup ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta temperatur evaporator. Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator, titik didih refrigeran haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan (media kerja atau media yang didinginkan), sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan evaporator dalam fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung secara reversibel pada tekanan konstan. Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung unjuk kerja sistem pompa kalor standar : dimana: COP HP =.. Q kond W komp h 1 h 2 h 3 = kalor yang dilepas oleh kondensor (kw) = daya kompresor (kw) = laju aliran massa refrigeran (kg/s) = entalpi refrigeran yang keluar evaporator (kj/kg) = entalpi refrigeran yang masuk kondensor (kj/kg) = entalpi refrigeran yang keluar kondensor (kj/kg) (2.1) 2.2.4. Siklus Kompresi Uap Aktual Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar, sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 2.16. Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah: a. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator. b. Adanya proses pembawah dingin (sub-cooling) cairan yang meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi.

20 c. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum memasuki kompresor. d. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak isentropik) e. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik. Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus standar sangat bermanfaat dan diperlukan untuk mempermudah analisis siklus secara teoritik. Gambar 2.16 Siklus kompresi uap aktual dan standar (Training Manual, 2004) Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung unjuk kerja sistem pompa kalor aktual : COP aktual COP HP =.. dimana: 1 = entalpi refrigeran keluar evaporator (kj/kg) 2 = entalpi refrigeran masuk kondensor (kj/kg) h 3 = entalpi refrigeran keluar kondensor (kj/kg) = laju aliran massa refrigeran (kg/s) (2.2) Laju aliran massa aktual. (kg/s) (2.3) dimana:

21 densitas refrigeran (kg/m3) = debit aliran refrigeran (m 3 /s) laju massa refrigeran kg/s Kapasitas pemanasan (Q kond ). (kw) (2.4) dimana: = laju aliran massa refrigeran (kg/s) = entalpi refrigeran masuk kondensor (kj/kg) = entalpi refrigeran keluar kondensor (kj/kg) = kapasitas pemanasan (kw) Beban Pendinginan (Q evap ). kw (2.5) Dimana: = laju aliran massa refrigeran (kg/s) = entalpi refrigeran keluar evaporator (kj/kg) = entalpi refrigeran masuk evaporator (kj/kg) = Beban pendinginan (kw) 2.2.5. Psikrometrik Psikrometrik adalah studi tentang sifat - sifat campuran udara dan uap air yang mempunyai arti penting dalam dunia pengkondisian udara, karena udara atmosfir tidak kering sempurna tetapi merupakan campuran antara udara dan uap air.

22 Gambar 2.17 Diagram psikrometrik Istilah-istilah dalam diagram psikrometrik : Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature) Temperatur tersebut dapat dibaca pada termometer dengan sensor kering dan terbuka. Namun penunjukkannya tidaklah tepat karena adanya pengaruh radiasi panas, kecuali jika sensornya memperoleh ventilasi yang cukup baik. Temperatur Bola Basah (Wet Bulb Temperature) Wet Bulb Temperature adalah temperatur yang ditunjukkan oleh termometer yang Bulb nya dibungkus kain atau kapas basah yang digunakan untuk menghilangkan radiasi panas dan adanya aliran udara yang melaluinya sekurang-kurangnya 5 m/s. Temperatur Titik Embun (Dew Point Temperature) Temperatur dimana uap air mulai mengembun ketika campuran udara-air didinginkan, untuk mengkondensasi uap air maka campuran uap air dan udara harus didinginkan dahulu mencapai titik embun (dew point). Kelembaban Relatif (Relative Humidity) Rasio antara tekanan parsial aktual uap air yang ada dalam udara terhadap tekanan parsial jenuh uap air pada temperatur bola kering tertentu.

23 Rasio Kelembaban (Humidity Ratio) Didefinisikan sebagai massa air yang terkandung dalam setiap kg udara kering, atau dapat juga disebut dengan specific humidity. Entalpi Didefinisikan sebagai energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur tertentu. Volume Spesifik Volume campuran udara dan uap air, biasanya dalam satuan meter kubik udara kering atau campuran per kilogram udara kering. 2.2.5.1 Proses-proses yang terjadi pada udara dalam diagram psikrometrik 2.2.5.1.1 Pemanasan (heating) Proses pemanasan udara terjadi apabila terjadi penambahan kalor sensibel yang akan mengakibatkan kenaikan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Gambar 2.18. Proses pemanasan udara dalam diagram psikrometrik 2.2.5.1.2 Pendinginan (cooling) Proses pendinginan udara terjadi apabila terjadi pengurangan kalor sensibel yang akan mengakibatkan penurunan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban.

24 Gambar 2.19. Proses pendinginan udara dalam diagram psikrometrik 2.2.5.1.3 Humidifikasi Humidifikasi adalah proses perpindahan/penguapan cairan ke dalam campuran (gas) dan uap cairan karena adanya kontak antara cairan yang temperaturnya lebih tinggi dengan campurannya. Proses humidifikasi terjadi apabila terjadi penambahan kadar uap air ke udara tanpa disertai perubahan temperatur bola kering. Gambar 2.20 Proses humidifikasi Gambar 2.21 Proses humidifikasi pada diagram psikrometrik

25 Pada kenyataannya proses humidifikasi selalu disertai dengan penambahan atau pengurangan temperatur bola kering. Proses humidifikasi dengan disertai penambahan temperatur bola kering udara dinamakan heating and humidification, dimana pada proses ini udara dengan temperatur yang lebih rendah mengalami kontak dengan cairan yang memiliki temperatur lebih tinggi. Gambar 2.22. Proses heating and humidification dalam diagram psikrometrik Proses humidifikasi dengan disertai pengurangan temperatur bola kering udara dinamakan cooling and humidification, dimana pada proses ini udara dengan temperatur yang lebih tinggi mengalami kontak dengan cairan yang memiliki temperatur lebih rendah. Pada proses ini temperatur bola kering air harus lebih rendah dari temperatur bola kering udara tetapi harus lebih tinggi dari temperatur titik embun udara (dewpoint temperature) untuk mencegah terjadinya pengembunan. Gambar 2.23 Proses cooling and humidification dalam diagram psikrometrik

26 Pada proses humidifikasi akan terjadi : Kenaikan entalpi udara spesifik : h = (kj/kg) (2.6) Kenaikan entalpi udara total : H = (kw) (2.7) Penambahan kadar uap air (moisture content) : w = (kg uap air/kg udara kering) (2.8) Penambahan kadar uap total (moisture content) : W = (kg/s) (2.9) Jumlah kalor yang dilepas selama proses : dimana: (kw) (2.10) = W (kg/s) (2.11) = (kj/kg) (2.12) h h 2 H w W = kenaikan entalpi udara spesifik (kj/kg) = entalpi udara keluar humidifier (kj/kg) = entalpi udara masuk humidifier (kj/kg) = kenaikan entalpi udara total (kw) = laju aliran massa udara (kg/s) = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering) = rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg/kg) = rasio kelembaban udara masuk humidifier (kg/kg) = penambahan kadar uap total (kg/s) = jumlah kalor yang dilepas selama proses (kw) = laju aliran massa uap air (kg/s) = entalpi spesifik dari uap air (kj/kg) 2.2.5.1.4 Dehumidifikasi Dehumidifikasi adalah proses perpindahan / pengembunan uap cairan dari campuran (uap air dan gas) karena proses pendinginan maupun kontak antara cairan (yang temperaturnya lebih rendah) dengan campurannya. Proses

27 dehumidifikasi terjadi apabila terjadi pengurangan kadar uap air dalam udara tanpa disertai perubahan temperatur bola kering. Gambar 2.24 Proses dehumidifikasi Gambar 2.25 Proses dehumidifikasi pada digram psikrometrik Pada kenyataannya proses dehumidifikasi selalu disertai dengan penambahan atau pengurangan temperatur bola kering. Proses humidifikasi dengan disertai penambahan temperatur bola kering udara dinamakan heating and dehumidification. Proses ini menggunakan suatu bahan higroskopik yang menyerap uap air dari udara. Apabila proses tersebut diberi penyekat kalor maka entalpinya akan konstan dan sebagai akibat dari penurunan kelembaban maka temperatur bola kering dari udara akan naik.

28 Gambar 2.26 Proses heating and dehumidification dalam diagram psikrometrik Proses dehumidifikasi dengan disertai pengurangan temperatur bola kering udara dinamakan cooling and dehumidification. Proses ini terjadi apabila udara lembab didinginkan dibawah temperatur titik embunnya ketika udara lembab tersebut mengalami kontak dengan suatu permukaan dingin yang memiliki temperatur dibawah temperatur titik embun udara. Pada proses ini sebagian dari uap air dalam udara mengembun, akibatnya baik temperatur udara maupun rasio kelembabannya menurun. Gambar 2.27 Proses cooling and dehumidification dalam diagram psikrometrik Pada proses dehumidifikasi akan terjadi beberapa proses sebagai berikut : Penurunan entalpi udara : h = (kj/kg) (2.13) Penurunan kadar uap air (moisture content) : w = (kg uap air/kg udara kering) (2.14) Jumlah kalor yang dilepas udara selama proses :

29 (W) (2.15) Dengan. pada temperatur yang bersangkutan, sedangkan laju aliran massa udara ( dapat dihitung dengan persamaan : (kg/s) (2.16) dimana : = entalpi udara keluar dehumidifier (kj/kg) = entalpi udara masuk dehumidifier (kj/kg) = rasio kelembaban udara keluar dehumidifier (kg/kg) = rasio kelembaban udara masuk dehumidifier (kg/kg) = jumlah kalor yang dilepas udara selama proses (W) = massa jenis udara (kg/m 3 ) V = kecepatan udara (m/s) A = luas penampang saluran (m 2 ) Perhitungan massa air tawar yang dihasilkan selama proses desalinasi dimana: ( - ) dt (2.17) = massa air tawar yang dihasilkan selama proses (kg) = laju aliran massa udara (kg/s) τ = kelembaban udara relatif setelah melewati evaporator (kg/kg) = kelembaban udara relatif sebelum melewati evaporator (kg/kg) = periode (jam/hari)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret. 3.2. Bahan Penelitian a. Refrigeran yang digunakan dalam penelitian ini adalah refrigeran HFC 134-a (Klea). b. Air laut No Parameter Satuan Gambar 3.1 Refrigeran HFC 134-a Tabel 3.1 Hasil pengujian kadar garam air laut Hasil Analisis Ketidakpastian Metode 1 Kadar NaCl ppm 31.342 0,0007 SNI 06-6989. 19-2004 3.3. Alat Penelitian Sistem desalinasi air laut berbasis pompa kalor terdiri atas: Kompresor torak (reciprocating compressor) Evaporator Kondensor Katup ekspansi (Thermal Expansion Valve) Receiver / dryer Pressure gauge (suction maupun discharge) Motor listrik 3 phase, 3 HP Tangki penampungan air laut 30

31 Fan Rotameter air Flowmeter refrigeran Penampung air tawar Power Supply Switching Pompa sentrifugal Thermostat Relay atau kontaktor Pemanas udara Termokopel Sprinkler Aliran Udara Aliran Refrigeran Aliran Air laut Gambar 3.2 Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi Keterangan gambar : 1. Pemanas udara 5. Kompresor 9. Penampung air laut 2. Fan aksial 6. Kondensor 10. Penampung air tawar 3. Humidifier 7. Katup ekspansi 11. Sprinkler 4. Evaporator/Dehumidifier 8.Pompa sentrifugal 12. Bak air laut

32 Gambar 3.3 Gambar 3D unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi Gambar 3.4 Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi

33 Spesifikasi komponen : a. Kompresor Kompresor berfungsi mengalirkan uap panas lanjut refrigeran serta menaikkan tekanan refrigeran dari tekanan evaporasi ke tekanan kondensasi. Kompresor yang dipakai dalam penelitian ini adalah merk Nippon Denso tipe torak 2 silinder. Gambar 3.5 Kompresor b. Kondensor Kondensor digunakan untuk mendinginkan dan menyerap panas dari gas refrigeran yang telah ditekan oleh kompresor hingga bertemperatur dan bertekanan tinggi, sehingga mengubah gas menjadi cair kembali. Kondensor pada penelitian ini adalah kondensor AC mobil dengan dimensi panjang 58 cm, lebar 36 cm dan tebal 1,5 cm. Gambar 3.6 Kondensor c. Receiver / dryer Receiver adalah komponen yang digunakan untuk menyimpan atau menampung sementara cairan refrigeran untuk kemudian mensuplainya sesuai dengan beban pendinginan. Dryer dan filter di dalam receiver akan menyerap air dan kotoran yang ada di dalam refrigeran.

34 Gambar 3.7 Receiver / dryer d. Katup ekspansi / Expansion Valve Katup ekspansi akan mengatur jumlah aliran refrigeran yang diuapkan di evaporator dan memastikan bahwa refrigeran dalam bentuk uap panas lanjut (superheated) yang keluar evaporator. Gambar 3.8 Katup ekspansi e. Evaporator Fungsi dari sebuah evaporator adalah untuk menyediakan sebuah luasan permukaan yang besar untuk mengijinkan udara hangat mengalir melaluinya melepaskan energi panasnya ke refrigeran yang berada di dalam evaporator dan mendinginkan udara. Evaporator yang digunakan pada penelitian ini adalah tipe window 2 PK berjumlah 2 buah yang di pasang secara paralel. Gambar 3.9 Evaporator

35 f. Humidifier Humidifier berfungsi sebagai tempat terjadinya proses humidifikasi antara air laut dengan udara. Humidifier yang digunakan terbuat dari aluminium dengan dimensi panjang 30 cm, lebar 37 cm, tinggi 35 cm yang disusun secara sejajar sebanyak 72 buah dengan jarak antar plat 5 mm dan sudut elevasi 45 0 tiap gelombangnya. Gambar 3.10 Humidifier g. Dehumidifier Dehumidifier berfungsi sebagai tempat terjadinya proses pengembunan. Dehumidifier pada penelitian ini adalah evaporator pada pompa kalor yang berjumlah 2 buah. Gambar 3.11 Dehumidifier h. Sprinkler Sprinkler digunakan untuk menyemburkan air laut berbentuk kabut di atas humidifier sehingga luas permukaan kontak antara air laut dan udara panas menjadi lebih besar. Sprinkler pada penelitian ini berjumlah 5 buah yang dipasang di atas humidifier, disusun membentuk persegi dengan jarak antar sprinkler 16,5 cm.

36 Gambar 3.12 Sprinkler i. Motor listrik 3 HP Motor listrik 3 HP ini digunakan untuk menggerakkan kompresor. Gambar 3.13 Motor listrik 3 HP j. Pressure gauge Pressure gauge ini untuk mengetahui tekanan pada kompresor, kondensor, dan evaporator. Gambar 3.14 Pressure gauge k. Fan Fan ini digunakan untuk mengalirkan udara dalam unit desalinasi. Pada penelitian ini digunakan fan tipe aksial.

37 Gambar 3.15 Fan axial l. Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air laut dari bak penampung air laut menuju ke sprinkler melalui selang penghubung. Pompa ini sekaligus memberikan tekanan penyemprotan dari sprinkler. Gambar 3.16 Pompa sentrifugal Tabel 3.2 Spesifikasi pompa MOSWELL Model 125C Voltase / Frekuensi 220V / 50Hz Output 100W Total Head 31 m Max. Capacity 34 L/m Max. Suction Head 9 m Size 1 x 1 m. Rotameter air Rotameter digunakan untuk mengukur debit dari aliran air laut. Rotameter diletakkan antara pompa air laut dengan sprinkler sehingga debit air laut yang masuk ke dalam unit dapat diatur.

38 Gambar 3.17 Rotameter air laut n. Flowmeter refrigeran Flowmeter digunakan untuk mengukur debit dari aliran refrigeran. Flowmeter diletakkan di antara receiver dan katup ekspansi dengan tujuan agar refrigeran yang mengalir adalah dalam fase cair jenuh. Data yang diperoleh harus dikalibrasi dengan Flowmeter Calibration Data, yang tercantum dalam lampiran. Flowmeter yang digunakan adalah Variable Area Glass Flowmeter Dwyer tipe VA20440 dengan spesifikasi: Service : Compatible gases or liquid Flowtube : Borosilicate glass Floats : Stainless steeel End fittings : Anodized Alumunium O-rings : Fluoroelastomer Connections : Two 1/8 female NPT Temperature limits : 121 o C Accuracy : + 2% Repeatability : + 0,25% full scale Mounting : vertical Gambar 3.18 Flowmeter refrigeran o. Pemanas udara Pemanas udara digunakan untuk menjaga temperatur udara dalam saluran (duct) konstan yang terhubung dengan kontaktor.

39 Gambar 3.19 Pemanas udara p. Termokopel Termokopel ini digunakan untuk mengukur temperatur refrigeran di dalam sistem refrigerasi. Termokopel yang digunakan dalam penelitian ini adalah termokopel tipe T dengan paduan dari copper dan constantan dengan range temperatur pengukurannya -200 0 C sampai 350 0 C. Termokopel ini memiliki ketelitian sampai + 0,03 0 C dengan sensitifitas 43 µv/ 0 C dan diameter 1 mm. Gambar 3.20 Termokopel tipe T Gambar 3.21 Pemasangan termokopel tipe T pada pipa q Display termokopel/thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh sensor termokopel.

40 Gambar 3.22 Display termokopel r. Thermostat Thermostat digunakan untuk mengatur temperatur air laut (feed water) yang masuk ke humidifier dan menjaganya dalam kondisi konstan. Gambar 3.23 Thermostat s. Relay atau kontaktor Relay atau kontaktor dihubungkan ke thermocouple reader untuk memutus arus pada pemanas air elektrik. Gambar 3.24 Relay atau kontaktor t. Termometer Termometer yang digunakan dalam penelitian ini adalah termometer digital untuk mengukur temperatur ruangan.

41 Gambar 3.25 Termometer digital u.termometer bola basah Termometer bola basah dalam penelitian ini digunakan untuk membaca temperatur bola basah udara di dalam duct. Gambar 3.26 Termometerr bola basah v.power Supply Switching Circuit Digunakan sebagai pensuplai arus listrik ke unit desalinasi dimana input tegangan 220 V 240 V, output tegangan dan arus yang dihasilkan 12 13.8V, 10A DC 50A DC. Pada penelitian ini Switching Circuit yang digunakan berjumlah 2 buah dengan output arus 40A DC dan 22A DC. Gambar 3.27 Power supply switching circuit

42 w. Timbangan digital (digital scale) Timbangan digital ini digunakan untuk menimbang massa dari air tawar yang telah dihasilkan dan massa refrigeran. Gambar 3.28. Timbangan digital x. Stopwatch Stopwatch digunakan untuk mengetahui berapa lamanya waktu yang diperlukan unit desalinasi dalam menghasilkan air tawar (fresh water). Gambar 3.29 Stopwatch y. Gelas Ukur Gelas ukur digunakan untuk menampung jumlah air tawar (fresh water) yang dihasilkan oleh unit desalinasi pada selang waktu tertentu. Gambar 3.30 Gelas ukur

43 z. Pemanas air elektrik (Electric Water Heater) Pemanas ini digunakan untuk memanaskan air laut dalam bak penampung. Pemanas yang digunakan berjumlah 7 buah dengan daya 1000 W dan 500 W. Gambar 3.31 Pemanas air elektrik (electric water heater) aa. Bak penampung air laut Digunakan untuk menampung air laut. Gambar 3.32 Bak penampung air laut bb. Bak penampung air tawar (fresh water) Digunakan untuk menampung air tawar (fresh water) yang telah dihasilkan kemudian dialirkan ke gelas ukur. Gambar 3.33 Bak penampung air tawar (fresh water)

44 3.4 Peralatan pendukung dalam unit desalinasi a. Manifold gauge, untuk mengetahui tekanan dan mengatur refrigeran saat recharghing. b. Flaring dan sweaging, untuk memperbesar diameter pipa. c. Leak detector, untuk mengetahui terjadinya kebocoran pada pipa. d. Selang refrigeran, sebagai jalan masuknya refrigeran ke dalam sistem. e. Pembengkok pipa untuk membengkokkan pipa. f. Kunci pas, kunci Inggris, dan obeng untuk membuka dan mengunci nut pipa, mur baut, dan sekrup. g. Tube cutter, untuk memotong pipa. h. Filler, gas las dan pemantik digunakan dalam mem-brazing pipa. i. Soldier dan tenol digunakan untuk menyoldier kabel yang akan disambung dan panel listrik. j. Saklar listrik digunakan sebagai pemutus dan penyambung arus. k. Bor digunakan untuk melubangi aklirik dan kayu. l. Mini drill digunakan untuk melubangi pipa yang akan dipasangkan termokopel. m. Gerinda untuk memotong besi yang digunakan sebagai rangka dan menghaluskan kayu yang telah selesai dilakukan pengerjaan. n. Pompa vakum Pompa vakum digunakan untuk mengosongkan refrigeran dari sistem sehingga dapat menghilangkan gas-gas yang tidak terkondensasi seperti udara dan uap air. Uap yang berlebihan pada sistem dapat memperpendek umur operasi filter-dryer dan penyumbatan khususnya pada bagian sisi tekanan rendah seperti katup ekspansi. Untuk hasil yang baik vakum sistem hingga tekanan berada dibawah 500 mikron Hg (Training Manual, 2004). o. Lem silikon untuk menutup bagian-bagian kecil untuk mencegah terjadinya kebocoran. p. Klem digunakan untuk mengencangkan selang untuk mencegah terjadinya kebocoran.

45 (a) (f) (b) (g) (c) (h) (e) (i)

46 (j) (m) (k) (n) (l) (o) (p)

47 3.5 Prosedur Penelitian Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan variasi temperatur air laut (feed water) yang masuk ke unit desalinasi adalah sebagai berikut : 3.5.1 Tahap Persiapan Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti : pompa sentrifugal, thermostat dan kontaktor beserta termokopel, pemanas listrik, pemanas udara, fan, dan sistem pompa kalor serta alat pendukung lainnya. 3.5.2 Tahap Pengujian 1. Sebelum refrigeran masuk ke sistem, sistem harus divakum terlebih dahulu. Kemudian didiamkan kurang lebih 10 menit untuk memastikan apakah sistem mengalami kebocoran. Apabila tekanan pada pressure gauge naik maka dipastikan bahwa sistem terdapat kebocoran sehingga perlu tindakan untuk mengatasinya. 2. Mengisi refrigeran ke dalam sistem sampai tekanan tertentu dan mencatat berapa massa refrigeran yang telah dimasukkan ke dalam sistem. 3. Menghidupkan semua fan. 4. Menghidupkan power supply switching dan menjalankan sistem pompa kalor. 5. Menghidupkan pompa sentrifugal untuk mengalirkan air laut (feed water) ke sistem. 6. Mengatur debit air laut sebesar 300 L/jam pada rotameter. 7. Mengatur temperatur udara dalam saluran dengan pemanas udara sampai pada 30 0 C. 8. Data diambil setelah 10 menit pertama dengan tujuan untuk menstabilkan temperatur air laut di bak penampung air laut yang akan masuk ke unit desalinasi. 9. Mencatat seluruh data temperatur, tekanan, laju aliran massa refrigeran, dan produksi air tawar setiap 20 menit selama 180 menit.

48 10. Data yang diperoleh sebanyak 9 kali untuk setiap variasi temperatur air laut (feed water). 11. Sistem harus dikondisikan seperti semula atau distabilkan terlebih dahulu untuk sesi pengujian yang lain. 12. Percobaan diulangi untuk variasi temperatur air laut (feed water) sebesar 30 0 C. 13. Mengulangi langkah (3) (11). 14. Percobaan diulangi untuk variasi temperatur air laut (feed water) sebesar 45 0 C. 15. Mengulangi langkah (3) (11). 16. Percobaan diulangi untuk variasi temperatur air laut (feed water) sebesar 60 0 C. 17. Mengulangi langkah (3) (11). 18. Setelah selesai melakukan percobaan mematikan pemanas listrik,pemanas udara, pompa air, semua fan, kompresor, motor listrik, kemudian power supply switching. 3.6 Analisa Data Dari data yang diperoleh, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan melakukan perhitungan terhadap: Besarnya debit aliran refrigeran Besarnya nilai COP HP pada sistem pompa kalor Besarnya penambahan kadar uap total Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu besarnya tekanan suction dan discharge pada kompresor, kondensor, dan evaporator; temperatur refrigeran yang masuk dan keluar pada evaporator, temperatur refrigeran yang masuk dan keluar pada kondensor, temperatur sebelum dan sesudah humidifier, temperatur sebelum dan sesudah dehumidifier sehingga dapat diketahui sifat sifat refrigeran dan efisiensi dari setiap komponennya. Setelah sifat sifat dari refrigeran diketahui maka selanjutnya dapat dilakukan perhitungan dan analisis. Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik grafik hubungan temperatur air laut (feed water)

49 dengan produksi air tawar (fresh water) dan waktu, temperatur air laut (feed water) terhadap nilai COP dengan waktu.

50 3.7 Diagram Alir Penelitian Mulai Persiapan Desalinasi air laut berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi Variasi Temperatur preheating feed water (air laut) Pengambilan data Temperatur dan tekanan refrigeran Temperatur humidifier dan dehumidifier Produksi air tawar (fresh water) Laju aliran massa refrigeran Analisa data Coefficient of Performance Aktual (COP Ractual ) Penambahan kadar uap total Debit aliran refrigeran Volume air tawar yang dihasilkan Hasil analisa data : Pengaruh temperatur air laut (feed water) terhadap unjuk kerja unit desalinasi dengan humidifer dan dehumidifier Kesimpulan Selesai

BAB IV DATA DAN ANALISIS Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh temperatur air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi air laut berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Pengujian dilakukan dengan variasi temperatur air laut sebesar 28 o C, 30 o C, 45 o C, dan 60 o C. Data yang diperoleh dalam pengujian ini, yaitu: tekanan, temperatur, laju aliran massa refrigeran, dan produksi air tawar yang dihasilkan. Unit desalinasi dijalankan selama 180 menit untuk setiap variasi pengujian dan setiap 20 menit untuk pengambilan data. 4.1. Data Penelitian Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Thermodinamika Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dari hasil pengamatan temperatur dan tekanan saat pengujian dengan variasi temperatur laut 60 0 C dan pada menit ke-60 sebagai berikut: Gambar. 4.1 Data temperatur dan tekanan menit ke-60 variasi temperatur air laut 60 0 C 51

52 Selanjutnya untuk data temperatur dan tekanan variasi lainnya tercantum dalam lampiran. Data pengujian air sebelum dan sesudah proses desalinasi seperti terlihat pada tabel 4.1 dan tabel 4.2. Tabel 4.1. Hasil pengujian kadar garam air laut sebelum proses desalinasi No Parameter Satuan Hasil Analisis Metode 1 Kadar NaCl ppm 31.342 SNI 06-6989. 19-2004 Tabel 4.2. Hasil pengujian salinitas air tawar setelah proses desalinasi No Parameter Satuan Hasil Analisis Metode 1 Salinitas ppm 715 SNI 6989.6-2009 4.1.1. Data produksi air tawar untuk seluruh variasi temperatur Dari hasil pengamatan produksi air tawar yang dihasilkan maka akan didapatkan hasil seperti pada tabel 4.3 dibawah ini. Tabel 4.3 Produksi air tawar untuk seluruh variasi Waktu Akumulasi produksi air tawar (ml) (menit) 28 C 30 C 45 C 60 C 20 120 160 400 600 40 240 300 820 1100 60 360 460 1.100 1.600 80 490 600 1.500 2.200 100 600 870 1.900 2.700 120 720 1.000 2.280 3.180 140 840 1.220 2.620 3.790 160 960 1.420 3.020 4.300 180 1.120 1.630 3.540 4.820

53 4.1.2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada unit desalinasi berbasis pompa kalor menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 variasi temperatur air laut 60 C dapat dilihat pada diagram psikrometrik seperti pada gambar 4.2 dibawah ini. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi untuk keseluruhan variasi temperatur air laut dapat dilihat pada diagram psikrometrik seperti pada gambar 4.3. Gambar 4.2 Diagram psikrometrik proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 dengan variasi temperatur air 60 0 C

54 Gambar 4.3 diagram psikrometrik untuk keseluruhan variasi temperatur air laut Temperatur 60 0 C menit ke 60 Temperatur 45 0 C menit ke 60 Temperatur 30 0 C menit ke 60 Temperatur 28 0 C menit ke 60 Tabel 4.4 Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 dan variasi temperatur 60 0 C Sebelum humidifier Setelah humidifier Setelah dehumidifier T db ( o C) T wb ( o C) w (g/kg) h (kj/kg) v (m 3 /kg) RH (%) 30,2 23,4 15,3919 69,7145 0,8804 56,7204 38,4 34 32,7208 122,7319 0,9288 74,3777 25,5 22,2 15,5569 65,2725 0,867 75,408 Selanjutnya untuk data kelembaban relatif, entalpi, rasio kelembaban dan volume spesifik variasi 28 o C, 30 o C, dan 45 o C dapat dilihat dalam lampiran.