1
Perencanaan Thermosiphon Passive Solar Water Heater Sebagai Pemanas Air Pada Sistem Domestik MT. VANDA 6300 DWT Rega Ardian Syah, Ir. Hari Prastowo M.Sc, dan Ir. Soemartojo WA Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email :ardiansyahrega @gmail.com,
[email protected],
[email protected] Abstrak - Crew Kapal merupakan manifestasi penting dalam industri maritim, Sehingga di perlukan kiat-kiat untuk kenyamanan crew. Salah satu upaya adalah dengan menyediakan fasilitas air hangat untuk tiap shower pada sistem domestik. Hal ini juga didasari oleh marine labour convention mengenai penyediaan recreational facilities pada akomodasi dek. Namun untuk penyedian air hangat diperlukan energi listrik yang besar sehingga boros secara ekonomis. Untuk menjawab permasalahan ini maka direncanakan perencanaan aplikasi solar water heater pada sistem domestik untuk penyediaan air hangat. Tujuan dalam skripsi ini adalah untuk melakukan kajian kelayakan teknis dan ekonomis aplikasi solar water heater pada sistem domestik di kapal dan mendesain key plan dan arrangement lay out sistem solar water heater pada sistem domestik untuk aplikasinya onboard. Untuk metode kajian teknis digunakan perhitungan dari referensi pendukung sedangkan untuk kajian ekonomis dilakukan perbandingan ekonomis antara aplikasi solar water heater engan elektrik heater menggunakan metode present worth value. Dari hasil analisa Secara teknis solar water heater pada sistem domestik dapat diaplikasikan dengan menambahkan by pass pipa yang menyambungkan sistem domestik dan unit solar water heater dan dapat ditempatkan pada daerah top deck. Secara ekonomis pemasangan solar water heater akan memberikan keuntungan dari pada electric heater setelah 5 tahun Kata Kunci : Fasilitas air hangat, Solar water heater, Present worth value
I. PENDAHULUAN Kita semua mengetahui crew Kapal merupakan manifestasi penting dalam industri maritim, dimana mereka inilah yang menggerakkan dan berdiri di garda depan sebagai pelaku utama dalam pengoperaian sebuah kapal saat berlayar. Oleh karena itu di perlukan kiat-kiat untuk kenyamanan crew itu sendiri ketika berada diatas kapal saat berlayar. Dapat kita bayangkan untuk jarak pelayaran yang jauh dan membutuhkan waktu yang lama tentunya faktor kenyamanan ketika berlayar di atas kapal merupakan hal yang sangat penting. Salah satu upaya untuk meningkatkan kenyamanan untuk crew kapal adalah dengan menyediakan fasilitas air hangat pada sistem domestik di kapal. Lepas dari itu salah satu aplikasi dari penyediaan air hangat yang bermanfaat adalah penyediaan hot water pada shower un tuk tiap-tiap kamar mandi crew. Mandi air hangat dapat mengurangi kelelahan, mengurangi spasme otot, merelaksasi otot, dan
merelaksasi badan , selain itu dapat menyegarkan badan dan menghilangkan racun melalui pori-pori pada batasan waktu tidak lebih dari 15 menit (Kevin Ebner). Oleh karena itu hal ini sangat baik untuk di sediakan untuk menunjang kesehatan dan kesegaran bagi crew yang bekerja selama berlayar. Hal ini juga didasari oleh Marine Labour Convention pada bagian Regulation 3.1 mengenai accomodation dan recreational facilities disebutkan bahwa pada kapal harus menyediakan akomodasi dan fasilatas rekreasi yang baik untuk menunjang kesehatan untuk para pekerja diatas kapal. Tentunya fasilitas ini termasuk fasilitas rekreasi yang baik dan menunjang kesehatan para crew diatas kapal sesuai dengan apa yang di syaratkan oleh Marine Labour Convention Air hangat pada sistem domestik ini dapat di dapatkan dengan cara pemanaan air baik dengan menggunakan steam dari boiler maupun secara electrik, Namun untuk penyedian air hangat untuk shower jarang diperhatikan, yang menjadi permasalahan adalah untuk menyediakan fasilitas ini sangat memboroskan energi terutama bila menggunakan energi listrik/secara elektrik, sebagai gambaran keperluan pemanas air untuk 1 ka mar mandi dengan kapasitas sebesar 100L memerlukan daya listrik sebesar 1,5 KW sedangkan bila di kapal terdapat 10 kamar mandi saja maka daya yang harus di sediakan adalah sebesar 15 KW, bisa dibayangkan betapa borosnya penggunaan pemanas air dengan energi listrik ini. Oleh karena itu diperlukan suatu jalan keluar untuk mendapatkan air hangat/panas yang hemat dan tentunya ramah lingkungan. Untuk menjawab permasalahan ini maka direncanakan perencanaan sistem pemanas air dengan menggunakan energi solar dengan type sistem thermosiphon passive untuk energi alternatif pada sistem domestik untuk penyediaan air hangat. II. METODOLOGI A. Studi Literatur Pada tahap ini dilakukan studi materi dan referensi yang menunjang pengerjaan skripsi baik dari buku, artikel, dan sumber terpercaya lain. Antara lain: a. Perhitungan Kebutuhan Solar Water Heater b. Perancanaan sistem domestik c. Heat loss pada tanki vertikal d. Ekonomi teknik
2 Tabel 1. Besaran Loading unit peralatan
.Juga Dilakukan evaluasi terhadap existing sistem domestik MT VANDA 6300 DWT sebagai pembelajaran dalam mendesain sistem domestik dengan aplikasi solar water heater. B. Perhitungan Keperluan solar water heater Tahap Awal adalah perhitungan dari keperluan solar water heater yang diperlukan. Dalam perhitunganya dihitung poin dibawah ini. 1. Kebutuhan kapasitas air panas Kebutuhan air panas dapat dihitung dengan rumusan: m air panas = T hangat - T dingin x m total T panas - T dingin
(1)
Dimana T hangat = Suhu air hangat (°C) T panas = Suhu air panas (°C) T dingin = Suhu air dingin (°C) m total = massa air hangat (Kg) 2. Kebutuhan Kalor yang diperlukan Kebutuhan kalor dapat dihitung dengan rumusan:
Q = m.c.∆T
Didapatkan dari menjumlahkan semua loading unit peralatan dan mengkonversi ke kapasitas
(2)
Dimana Q = Jumlah kalor (Joule) M = Massa air (kg/day) c = Kalor Jenis Air =4200 J/kg ˚C ∆T = Perubahan suhu yang terjadi = T akhir - Tawal 3. Perhitungan Kebutuhan Jumlah Solar water heater Dilihat dari keperluan kalor dan massa air panas diperlukan maka jumlah Solar water heater dapat di tentukan dengan melihat spec pabrikan.
Gambar 1 Konversi Loading unit ke kapasitas fluida
2. Pipe sizing
C. Desain Awal Arrangement Sistem Solar Heat Water pada Sistem Domestik kapal MT Vanda 6300 DWT Dilakukan perhitungan perencanaan desain awal arrangement sistem solar heat water pada sistem domestik yang baik hasil dari evaluasi existing system MT Vanda 6300 DWT, kemudian di lihat kembali apakah desain sudah baik dilihat dari aspek teknisnya. Dalam arrangement nya maka ada aspek utama yang harus dihitung yaitu: 1. Kapasitas dalam sistem Berdasarkan referensi dari gareth untuk kebutuhan kapasitas sistem maka dapat dihitung dengan melihat demand capacity yang didapat dari loading unit dimana Loading unit adalah faktor atau nomor yang diberikan untuk sebuah peralatan yang berhubungan dengan debit pada sistem yang berhubungan dengan lama waktu dan frekuensi penggunaan untuk jenis peralatan tertentu (probability usage) Gambar 2 Distribusi fluida pada sistem domestik
3 Perencanaan pipe sizing sangat penting karena diameter pipa berkaitan erat dengan ketersediaan kapasitas yang cukup pada tiap titik keluaran peralatan. Cara menentukan pipe sizing adalah menjumlah semua loading unit peralatan yang di suplai oleh setiap segmen pipa. Contoh pada gambar 2 dapat ditentukan loading unit tiap pipa. pipa 1 = Loading unit semua peralatan pipa 2 = Loading unit peralatan yang b ercabang di pipa 2 Pipa 3 = Loading unit pipa 1 – pipa 2 Pipa 4 = Loading unit peralatan yang b ercabang dipipa 4 Pipa 5 = Loading unit pipa 3 – pipa 4 Kemudian semua loading unit itu di konvesi menjadi kapasitas dalam satuan m3/s. Sehingga tiap segmen pipa dapat dihitung diameter nya dengan menggunakan rumus:
Q = VxA
Q= P1= P2= a =
Water Quantity disuplai pompa per 2 mntt ( m³) Tekanan Pompa Stop (kg/cm²) Tekanan Pompa Start (kg/cm²) Jumlah air yang tertinggal di Hydrophore/ Jumlah air suplai, a biasa diambil 1,5
5. Perhitungan heat losses tanki air panas Sebaik-baiknya insulasi dalam tanki pasti akan terjadi heat loss yang menyebabkan hilangnya kalor secara bertahap pada fluida didalam tanki sehingga menyebabkan penurunan suhu. Maka diperlukan perhitungan untuk menentukan kehilangan kalor dalam setiap ukuran waktu pada tanki hydrophore sehingga dapat diketahui seberapa lama air panas yang siap untuk disuplai ke sistem domestik dapat di simpan sebelum diganti dengan air panas yang baru. Untuk melakukan perhitungan heat loss di gunakan referensi predict storage tank heat transfer precisely oleh jimmy D Kumana and Samir P. Khotari
(3)
Dimana Q = Kapasitas fluida (m3) V = Kecepatan Fluida 1 – 3 (m/s) A = Luas penampang pipa (m2) 3. Kebutuhan Head Head merupakan energi mekanis fluida persatuan beratnya diukur dalam satuan mH20. Dalam perhitungan head ini akan terlihat apakah perencanaan dari tekanan minimal hydrophore mampu untuk mengatasi kebutuhan head pada sistem. Menurut Soelarso dalam buku nya pompa dan kompresor head di rumuskan dengan :
H = Hv + Hp + Hs + Hl
(4)
Dimana: Hv = Head Kecepatan Hp = Head Tekanan Hs = Head Static Hl = Head losses
P1 + a) P1+P2
Dimana : V = Tank Capacity/Volume ( m³)
qd = UdxAdx(Tv − Ta ) qw = UwxAdx(Tl − Ta ) qb = UbxAdx(Tl − Ta ) qr = UrxAdx(Tv − Ta )
(6) (7) (8) (9)
Sehingga
Qtot = qd + qw + qb + qr
4. Perhitungan spec hydrophore Hydrophore dibutuhkan untuk mensuplai air pada system . Untuk mengetahui volume hydrophore yang dibutuhkan menurut Machinery Outfitting design manual Mar Eng Japan Society dapat dipakai rumusan
V=q(
Gambar 3 Heat losses pada tanki vertikal
(5)
(10)
Dimana Q tot = heat loss total (Btu/h) qd = heat loss dinding kering (Btu/h) qw = heat loss dinding basah (Btu/h) qb = heat loss pada alas (Btu/h) qr = heat loss pada atap (Btu/h) ad = luas dinding kering (ft2) aw = luas dinding basah (ft2) ab = luas alas (ft2) ar = luas atap (ft2) Ud = koefisien thermal dinding kering(Btu/ft2-h) Uw = koefisien thermal dinding basah(Btu/ft2-h)
4 Ur = koefisien thermal atap (Btu/ft2-h) Ub = koefisien thermal alas (Btu/ft2-h) Tl = suhu fluida (˚K) Tv = suhu udara uap (˚K) Ta = suhu ambient (˚K) D. Design Keyplan dan Design lay out arrangement, design drawing pada MT Vandal 6300 DWT Desain yang telah dibuat dan di analisa di aplikasikan pada kapal yang telah exist dengan mendesain arrangement lay out untuk sistem domestik MT Vamda 6300 DWT. Desain Keyplan dibuat berdasarkan spesifikasi peralatan utama yang telah dihitung. Key plan arrangement yang dibuat adalah suplai domestic system yang di aplikasikan solar water heater pada sistem tersebut. Dari key plan arrangement di buat desain lay out arrangement berdasarkan general arrangement maupun photo dari lapangan kapal MT Vanda 6300 DWT apakah desain dapat di terapkan pada kapal terkait dimensi dan penempatan peralatan nya terutama unit solar water heater. E. Kajian kelayakan Ekonomi Dilakukan kajian analisa ekonomis, dibandingkan secara ekonomi antara penggunaan pemanasan air dengan solar heat water dan electric heater/exixting system pada system domestik. yang manakah dari kedua sistem tersebut lebih menguntungkan. Dalam kajian ekonomi ada 5 tahapan yang dilakukan. 1. Alternatif Penggunaan Heater Alternatif telah dijelaskan ada 2 alternatif yaitu penggunaan electric heater dan peggunaan solar water heater 2. Menentukan horizon perencanaan. Untuk menentukan horizon perencanaan maka harus di perhitungkan jangka waktu life time solar water heater maupun existing system yang menggunakan electric hetar.
pada thun pertama dan tahun tahun selanjutnya. Untuk kasus ini tingkat bunga sebesar inflasi dapat diterapkan 4. Estimasi aliran kas Dari alternative yang ada di buat pola aliran khas selama horizon perencanaan. Yang berkaitan dengan aliran khas adalah investasi awal, biaya operasional dan manfaat/ keuntungan yang diterima 5. Perbandingan hasil analisa ekonomi metode Nilai sekarang Dari aliran kas yang telah dibuat maka semua aliran khas di ekivalensikan untuk tahun ke 0 un tuk kemudian dibandingkan manakan yang lebih ekonmis yaitu alikasi solar water heater atau elektik heater.
Gambar 5. Analisa ekonomi present worth value
F. Penarikan Kesimpulan Tahap akhir dari Tugas akhir ini akan di tarik kesimpulan yang dapat menjawab perumusan masalah dan tujuan pada tugas akhir ini. III. HASIL ANALISA
A. Analisa Teknis Sistem Domestik MT Vanda 6300 DWT Dan Aplikasi Solar Water Heater Pada Sistem Tersebut Dengan mengacu pada metodologi yang telah dibuat di dapat hasil analisa teknis sebagai berikut. 1. Perhitungan Jumlah Solar Water Heater Dengan menggunakan persamaan (1) dan persamaan (2) didapatkan untuk pemanas air sistem domestik MT Vanda 6300 DWT diperlukan 4 buah unit solar water heater yang masing-masing berkapasitas 150 L iter seperti pada spesifikasi dibawah ini. Tabel 2. Spesifikasi solar water heater
Gambar 1.4. Horizon perencanaan
Gambar 4. Horizon Perencanaan
3. Penetapan Tingkat bunga / MARR Yang terpenting dalam penetapan tingkat bunga adalah nilai waktu dan uang harus di perhatikan. Ekivalensi uang
SWH WIKA T 150 LXC Thermosiphon passive system Dimensi Panjang Lebar Tinggi Spec utama Kapasitas Luasan Panel Back up Heater
2510 mm 1230 mm 525 mm 146 Liter 2 m2 1000 W
5
2. Perhitungan kebutuhan system domestic Perhitungan K apasitas dan perencanaan ukuran pipa menggunakan R eferensi :Hot and Cold Water Supply R.H. Garret, Eng Tech didapatkan seperti dibawah ini.
Khotari di dapatkan heat loss yang terjadi dalam 24 jam seperti yang tertera pada table di bawah ini Tabel 5. Heat losses pada tanki air panas
Tabel 3. Kapasitas dan pipe sizing sistem domestik
Sehingga berdasarkan heat loss yang terjadi dalam 24 jam m aka dapat di ketahui fluida dalam tanki dapat digunakan untuk mixing air hangat tanpa perlu ada pemanasan untuk waktu 24 jam.
B. Design Keyplan dan Design lay out arrangement, design
Dengan desain perencanaan diatas maka di harapkan semua peralatan dapat dilayani suplai fluida dengan baik, dapat kita lihat ketika kondisi probability usage maka fluida terdistribusi dengan baik dan kecepatan fluida pada system stabil pada kecepatan 1 m/s di semua segmen pipa.
drawing pada MT Vandal 6300 DWT Desain Keyplan dibuat berdasarkan spesifikasi peralatan utama yang telah dihitung. Untuk menyambungkan system domestic dengan unit solar water heater maka diperlukan by pass pipa.
Untuk spec hydrophore dari perhitungan kapasitas menurut Machinery Outfitting design manual Mar Eng Japan Society dan perhitungan head yang dibutuhkan dengan menggunakan referensi Pompa dan Kompresor Soelarso didapatkan data sebagai berikut Tabel 4. Spesifikasi hydrophore
Gambar 6. Key plan arrangement domestik sistem dengan aplikasi solar water heater
Kemudian dalam perhitungan heat loss dalam tanki dengan perhitungan dari Predict Storage – Tank heat transfer Precisely Jimmy D. Kumana and Samir P.
Dari key plan arrangement di buat desain lay out arrangement berdasarkan general arrangement maupun photo dari lapangan kapal MT Vanda 6300 D WT apakah desain dapat di terapkan pada kapal terkait dimensi dan penempatan peralatan nya terutama unit solar water heater. Berdasarkan photo lapangan dan desain general arrangemen maka unit solar water heater dapat ditempatkan pada daerah top deck dengan pertimbangan space yang tersedia cukup dan terpapar sinar matahari dengan baik. Selain itu tidak banyak aktivitas abk sehingga unit solar water heater tidak mengganggu aktivitas abk.
6
IV. KESIMPULAN
Gambar 7. Layout arrangement domestik sistem dengan aplikasi solar water heater
1. Secara teknis solar water heater pada sistem domestik dapat diaplikasikan, dengan menambahkan by pass pipe yang menyambungkan unit solar water heater dan sistem domestik dan unit solar water dapat ditempatkan pada daerah top deck kapal. 2. Keyplan untuk aplikasi solar water heater pada domestik sistem MT Vanda 6300 DWT beserta spec teknisnya dapat dilihat pada bagian lampiran . 3. Arrangement layout pada domestik sistem MT Vanda 6300 DWT On board dapat dilihat pada bagian lampiran 4. Secara ekonomis pemasangan solar water heater akan memberikan keuntungan dari pada electric heater setelah 5 tahun V. UCAPAN TERIMA KASIH
C. Analisa Ekonomis penggunaan pemanasan air dengan solar heat water disbanding dengan electric heater/exixting system pada system domestik Dalam menentukan horizon perencanaan diambil waktu 15 tahun dengan tingkat MARR sebesar 5%. Kemudian dibuat aliran khas untuk penggunaan electric heater dan solar water heater. Dari aliran khas tersebut di analisa antara kas masuk dan kas keluar dengan metode present worth value. Dari aliran khas yang telah di konversi pada present worth value di dapatkan perbandingan pengeluaran dan pemasukan pemakaian pemanas air dengan elektik heater dan solar water heater
Penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Ir. Hari Prastowo, M.Sc dan Bapak Ir. Soemartojo WA, selaku dosen pembimbing atas arahan dan bimbinganya. Dan tidak lupa penulis berterimkasih kepada seluruh pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam pengerjan skripsi ini sehingga skripsi dapat diselesaikan. DAFTAR PUSTAKA 1. R.H Garret, EngTech, MIP RP, HOT AND COLD WATER SUPPLY , Second Edition, Blackwell Science Ltd, a Blackwell Publishing company, 2000 2. Soelarso dan Haruo Tahara, POMPA DAN KOMPRESSOR : PEMILIHAN, PEMAKAIAN DAN PEMELIHARAAN, Cetakan kedua, Penerbit Pradnya Paramita, Jakarta, 1985 3. Handbook from The Marine Engineering Society in Japan,ENGLISH VERSION MACHINERY OTFITTING DESIGN MANUAL 4. R. K. Sinnot, CHEMICAL ENGINEERING DESIGN, fourth edition, Elsevier Butterworth Heinemann, Oxford, 2005 5. Jimmy D. Kumana and Samir P. Khotari; Henningson, Durham, and Richardson, Inc., PREDICT STORAGE TANK HEAT TRANSFER PRECISELY, Chemical Engineering Magazines, 19 January, 2009. 6. Nyoman Pujawan, EKONOMI TEKNIK, edisi kedua, Penerbit Guna Widya, Surabaya, 2009.
Gambar 8. Grafik perbandingan ekonomi pengeluaran solar water heater dibanding elektik heater dengan present worth value
Dari grafik dapat diketahui un tuk perbandingan pengeluaran dan manfaat dari pemakaian solar water heater akan mengalami titik impas pada tahun ke 8. Sedangkan untuk elektrik heater pengeluaran akan senantiasa lebih besar daripada pemasukan. Sedangkan bila dibandingkan pengeluaran dari solar water heater dibanding electric heater maka pemakaian solar water heater akan memberi keuntungan setelah tahun ke 5 pemakaian.
