PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI

UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 3 LITER/MENIT

TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

Oleh : RESTU INDRA GUMELAR NIM : 105214073

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013

i


PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP USING PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS WITH DEBITE 3 LITRE/MINUTE FINAL PROJECT Presented as partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By: RESTU INDRA GUMELAR Student Number : 105214073

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2013

ii






INTISARI Kebutuhan masyarakat akan air sangatlah penting, sedangkan pemanfaatannya masih tergantung dengan energi fosil yang sudah ada. Sehingga masyarakat masih banyak menggunakan pompa air yang memanfaatkan energi fosil. Energi terbarukan perlu dikembangkan untuk menjawab ketergantungan energi fosil dalam pemanfaatan akan air. Penelitian ini dilakukan untuk menjawab ketergantungan itu dengan menggunakan energi termal dalam pemanfaatan pompa air. Tujuan penelitian ini membuat pompa air tenaga termal dengan memanfaatkan uap yang dihasilkan oleh fluida kerja yang mengalir pada delapan pipa pemanas dengan laju aliran fluida kerja 3 liter/menit. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Unjuk kerja yang ingin dicapai adalah debit, daya, efisiensi pompa dan efisiensi termal pompa maksimum. Parameter yang divariasikan adalah jumlah tabung udara yang digunakan 2 dan 1 tabung, head pemompaan 2,35 dan 1,35 m, dan volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan. Variabel yang diukur adalah temperatur pada pemanas, temperatur pipa pemanas (evaporator), tekanan uap fluida pada pipa pemanas, tekanan air dalam tabung air tekan dan tekanan udara dalam tabung udara tekan. Hasi dari penelitian yang didapat, debit maksimum pemompaan sebesar 0,25 liter /menit tiap siklus pada variasi head pemompaan 1,35. Daya maksimum pemompaan sebesar 0,11 watt pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,01 % pada variasi head pemompaan 1,35. Efisiensi termal maksimum sebesar 86,89 % pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan yaitu 1 tabung udara tekan.

Kata kunci: pompa air, energi termal, petroleum eter, debit pompa, daya pompa, efisiensi pompa

vii


ABSTRACT The public needs to be water is incredibly important while its use is still depends on fossil energy are already there. So the public still much use of a water pump that use fossil energy. Renewable energy needs to develop to answer dependence fossil energy in the utilization will water. The study is done to answer it by using energy thermal in the utilization water engines. Research purposes of this makes water pump thermal power by utilizing steam produced by a working fluid that flows in eight heating pipes to the rate of flow of a fluid work 3 liters per minute. A working fluid used is petroleum ether. On work to be achieved is debite, power, pump efficiency and efficiency thermal pump maximum. Of parameters varied is the sum the air tubes used 2 and a tube, pumping head of 2,35 and 1.35 m, and volume of air on heating and condenser when warming. Variable measured is temperature on heating, temperature heating pipes ( evaporator ), vapor pressure fluid at heating pipes, water pressure in water tubes press and air pressure in the air tubes press. The results of the research that earned the maximum debite pumping of 0.25 liters/min per cycle on the pumping head 1.35 variations. Maximum pumping power of 0.11 watt pumping head variations on 1.35. Maximum pumping efficiency of 0.01% variation on the pumping head 1.35. Maximum thermal efficiency of 86,89 % variation on tube compressed air used the compressed air tube 1.

Keywords: water pump, thermal energy, petroleum ether, debite pumps, power pump, pump efficiency

vii




DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ...................................................................................

i

TITLE PAGE ...............................................................................................

ii

HALAMAN PENGESAHAN .....................................................................

iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI .....................................................................

iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .........................................

v

LEMBAR PUBLIKASI ...............................................................................

vi

INTISARI ....................................................................................................

vii

KATA PENGANTAR .................................................................................

viii

DAFTAR ISI ................................................................................................

x

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................

xii

DAFTAR TABEL ........................................................................................

xiv

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................

1

1.1 Latar Belakang ......................................................................................

1

1.2 Perumusan Masalah ..............................................................................

3

1.3 Tujuan dan Manfaat ..............................................................................

5

1.4 Batasan Masalah ...................................................................................

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................

7

2.1 Dasar Teori ...........................................................................................

7

2.2 Persamaan yang Digunakan ..................................................................

9

2.3 Penelitian Terdahulu ..............................................................................

12

BAB III METODE PENELITIAN ..............................................................

14

3,1 Skema Alat ............................................................................................

14

3.2 Variabel yang Divariasikan ....................................................................

18

3.3 Parameter yang Diukur .........................................................................

21

3.4 Langkah Penelitian ...............................................................................

22

x


BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .....................................................

24

4.1 Hasil Penelitian .....................................................................................

24

4.2 Pembahasan ..........................................................................................

32

BAB V PENUTUP ......................................................................................

41

5.1 Kesimpulan ............................................................................................

41

5.2 Saran ......................................................................................................

42

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................

43

LAMPIRAN .................................................................................................

44

xi


DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.1

Skema Alat Penelitian ..........................................................

14

Gambar 3.2

Skema Pemisah Uap ............................................................

16

Gambar 3.3

Variasi Jumlah Tabung Udara yang Digunakan ..................

19

Gambar 3.4

Variasi Head Pemompaan ....................................................

20

Gambar 3.5

Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor ............

20

Gambar 4.1

Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . jumlah tabung udara tekan ...................................................

Gambar 4.2

Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan ...................................................

Gambar 4.3

39

Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi ....... volume udara pada pemanas dan kondensor .........................

Gambar 4.9

37

Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . volume udara pada pemanas dan kondensor ........................

Gambar 4.8

37

Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi . head pemompaan .................................................................

Gambar 4.7

36

Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi head pemompaan ..................................................................

Gambar 4.6

35

Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi . head pemompaan .................................................................

Gambar 4.5

34

Grafik perbandingan efisiensi pompa air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan ............................

Gambar 4.4

34

39

Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi . volume udara pada pemanas dan kondensor ........................

40

Gambar L.1 Alat penelitian pompa air energi termal ...............................

44

Gambar L.2 Pemanas fluida kerja .............................................................

44

Gambar L.3 Pemisah uap .........................................................................

45

Gambar L.4 Kondensor ............................................................................

45

Gambar L.5 Tabung penampung fluida kerja ..........................................

45

Gambar L.6 Tabung udara tekan ..............................................................

45

xii


Gambar L.7 Tangki air tekan ....................................................................

46

Gambar L.8 Pompa Benam ......................................................................

46

Gambar L.9 Alat ukur ..............................................................................

46

xiii


DAFTAR TABEL

Tabel

4.1A Data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung ...........................................................

Tabel

4.1B Data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter .......................................................................

Tabel

25

26

4.1C Data penelitan pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara ...........................................................................

Tabel

26

4.1D Hasil perhitungn data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung .................................................

Tabel

31

4.1E Hasil perhitungan data penelitian pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara ....................................................

Tabel

Tabel

32

4.1F Hasil perhitungan data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter ....................................................

32

L.1 Sifat – sifat fluida .................................................................

47

xiv


BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Pada hakikatnya setiap manusia selalu melakukan usaha untuk memenuhi kebutuhannya. Kebutuhan pokok bagi manusia merupakan kebutuhan akan pangan. Kebutuhan pangan dapat dibagi menjadi kebutuhan akan makanan dan minuman. Dalam perwujudan akan kebutuhan pangan, tentunya bergantung akan air. Air selalu dimanfaatkan dalam pemenuhan kebutuhan pangan, baik pada makanan maupun minuman. Namun pada kenyataannya, keberadaan air tidaklah selalu mudah untuk didapatkan. Keadaan wilayah dalam suatu tempat mempengaruhi akan keberadaan air. Sebagai contoh pada puncak gunung, maupun pada sekitar gunung, dan pesisir pantai, air sangat sulit didapatkan. Biasanya pemanfaatan air yang diambil dari sumbernya dibantu menggunakan pompa air, untuk mengalirkan air dari sumber mata air menuju tempat penampungan yang siap pakai, atau langsung digunakan untuk memenuhi kebutuhan manusia. Pompa air umumnya digerakkan menggunakan energi listrik atau menggunakan bahan bakar fosil. Penggunaan pompa air listrik maupun bahan bakar sangatlah cocok bila digunakan pada suatu daerah yang mendapat supply energi listrik maupun bahan bakar yang mencukupi. Sedangkan di Indonesia, belum semua daerah memiliki ketersediaan energi listrik maupun bahan bakar

1


2

yang memadai. Sehingga dalam penggunaan pompa air untuk menunjang kebutuhan hidup masyarakat masih belum maksimal. Masalah lain selain ketersediaan energi yang belum merata di Indonesia yaitu masalah krisis energi. Semakin pesat perkembangan zaman berimbas pada penggunaan energi yang berlebih. Imbas penggunaan energi berlebih yaitu masalah ketersediaan energi yang lambat laun mulai menipis, dan berimbas pula dengan harga-harga kebutuhan pokok tidak terkecuali air. Beberapa masyarakat yang belum tersentuh energi listrik maupun bahan bakar menggunakan cara tradisional untuk mendapatkan air dari sumbernya. Walaupun dinilai sangat murah apabila masyarakat melakukan cara tradisional untuk mendapatkan air, namun tidak sedikit pula tenaga dan waktu yang terbuang demi mendapatkan air. Energi termal merupakan salah satu energi alam yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi penggerak pompa air. Terdapat beberapa sumber energi termal yang terbarukan yang sudah bisa dimanfaatkan, yakni panas bumi, biomasaa dan surya. Energi termal yang didapatkan dari panas bumi belum banyak dimanfaatkan penerapannya dalam skala penelitian studi. Sedangkan energi termal yang didapatkan dari radiasi sinar matahari (surya) dan biomassa, sering dimanfaatkan dalam skala penelitian studi maupun untuk komersial. Pada penelitian yang dilakukan ini menggunakan prinsip pemanfaatan termal pada kompor pemanas.


3

1.2 Perumusan Masalah Kerja pemompaan dihasilkan oleh proses penguapan dan pengembunan fluida kerja. Saat terjadi proses penguapan, tekanan fluida kerja akan naik, kenaikan tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari pompa ke tempat air tersebut diperlukan. Saat terjadi proses pengembunan tekanan fluida kerja akan turun, penurunan tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari sumber air kedalam pompa air. Proses penguapan fluida kerja memerlukan energi panas dan proses pengembunan memerlukan pendinginan. Energi panas diperoleh dari kompor pemanas dan pendinginan dilakukan oleh fluida pendingin seperti udara atau air. Unjuk kerja pompa air ditentukan oleh kecepatan penguapan dan pengembunan fluida kerja. Kecepatan penguapan dan pengembunan fluida kerja ditentukan oleh sifat-sifat dan jumlah massa fluida kerja yang digunakan serta beban (head) pemompaan. Permasalahan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut : 1. Fluida kerja yang digunakan harus mempunyai sifat mudah menguap (mempunyai kapasitas panas dan titik didih yang tidak terlalu tinggi) tetapi juga mudah untuk diembunkan kembali. Penggunaan fluida kerja dalam penelitian ini yaitu petroleum eter, yang memiliki titik didih sebesar 40 – 60oC dengan berat jenis relatif antara 0,6 hingga 0,8 gram/cm3 tergantung pada komposisinya. 2. Jumlah massa fluida kerja yang dipakai berpengaruh dalam sistem. Jumlah massa fluida yang lebih banyak dapat menghasilkan kenaikan tekanan yang lebih besar tetapi dengan kecepatan penguapan yang lebih rendah


4

dibandingkan jumlah massa fluida kerja yang lebih sedikit. Demikian juga pada proses pengembunan, jumlah massa fluida kerja yang lebih banyak dapat menghasilkan penurunan tekanan yang lebih besar tetapi dengan kecepatan pengembunan yang lebih lambat. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh jumlah massa fluida kerja yang digunakan petroleum eter terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik. 3. Beban (head pemompaan) akan berpengaruh terhadap kecepatan penguapan dan pengembunan fluida kerja sehingga akan mempengaruhi unjuk kerja pompa air yang dihasilkan. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh beban pemompaan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik. 4. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh volume udara tekan / udara yang terkompresi dalam tabung udara tekan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamika. 5. Penelitian ini juga meneliti bagaimana pengaruh volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamika

.


5

1.3 Tujuan dan Manfaat Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah : 1. Membuat pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas dan pemisah uap. 2. Meneliti debit maksimum pemompaan. 3. Meneliti daya maksimum pempompaan. 4. Meneliti efisiensi maksimum pompa. 5. Meneliti efisiensi termal pompa. Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini : 1. Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa termal. 2. Hasil-hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan hingga terbuatnya suatu produk pompa air termal yang dapat diterima masyarakat dan menjawab permasalahan kebutuhan air. 3. Menjawab tantangan akan krisis energi.

1.4 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini : 1. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal menggunakan delapan pipa yang tersusun secara paralel sebagai pemanas fluida. 2. Pada penelitian ini, pemanfaatan panas dari surya didekati dengan menggunakan kompor pemanas sebagai sumber panas, yang


6

selanjutnya digunakan untuk memanasi pipa-pipa yang dialiri fluida kerja. Kompor pemanas yang digunakan memiliki daya 1800 watt. Daya kompor pemanas ini disebut juga daya pemanas (input). Daya pemanas (input) ini digunakan dalam perhitungan mencari efisiensi termal pompa. 3. Untuk mencari daya pemanas (output) yaitu daya yang dihasilkan dari proses pemanasan dan digunakan dalam proses pemompaan, didekati dengan menghitung perpindahan panas yang terjadi pada pipa pemanas yang dialiri fluida kerja dan dipanasi dalam wadah berisi minyak sebagai penghantar panas dari kompor pemanas. 4. Dalam penelitian ini tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam perhitungan kompresi udara. Diasumsikan tekanan udara sekitar adalah 1 bar. 5. Volume udara tekan divariasikan dengan jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 1 dan 2 tabung. 6. Head pemompaan divariasikan dengan mengatur tinggi air yang mengalir. Divariasikan tinggi air yang mengalir yaitu 2,35 meter dan 1,35 meter. 7. Volume udara pada evaporator dan kondensor saat pemanasan divariasikan dengan mengisi fluida kerja (petroleum eter) pada pemanas dan kondensor dan mengisi fluida kerja hanya pada kondensor, sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori Terdapat 2 klasifikasi pompa air energi termal yaitu dengan sistem termodinamik berpendingin udara dan berpendingin air. Pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pendingin air merupakan yang paling sederhana dan akan digunakan dalam penelitian ini. Pompa air dengan sistem termodinamik berpendingin air memiliki beberapa komponen yaitu kompor pemanas, kondensor, katup hisap, katup tekan, sumber air / sumur, tangki tekan air, tangki tekan udara, pompa benam dan bak penampung atas. Kompor pemanas digunakan untuk memanasi fluida kerja (petroleum eter). Terdapat pipa header dan pipa risers yang disebut juga pipa pemanas. Kondensor digunakan untuk mengefektifkan pendinginan. Pendinginan dilakukan dengan menggunakan fluida pendingin air yang diperoleh dari kerja pemompaan sebelum masuk dalam bak penampung bawah. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk spiral terbuat dari bahan stainless steel. Prinsip kerja pompa air ini adalah sebagai berikut, energi panas yang dihasilkan kompor pemanas memanasi fluida kerja yang terdapat di dalam pipa pemanas kolektor, karena menerima energi panas maka akan terjadi proses penguapan fluida kerja. Uap fluida kerja akan mengalir kedalam tangki tekan air. Uap akan menekan air di dalam tangki tekan air. Karena tertekan uap fluida kerja,

7


8

air di dalam tangki tekan air akan mengalir ke dalam tangki tekan udara sehingga udara di dalam tangki tekan udara tertekan. Karena tertekan air, udara di dalam tangki tekan udara akan mengalir ke dalam pompa benam dan menekan air di dalam pompa benam. Karena tertekan udara, air di dalam pompa benam akan mengalir ke dalam bak penampung atas. Mengalirnya air dari pompa benam ke bak penampung atas disebut langkah tekan. Dari bak penampung atas air dialirkan ke bak penampung bawah melalui kondensor. Kondensor terletak di dalam tangki tekan air. Karena air mengalir melalui kondensor, uap fluida kerja di dalam tangki tekan air akan mengalami pendinginan sehingga mengembun. Pengembunan fluida kerja ini menyebabkan tekanan sistem turun. Turunnya tekanan menyebabkan air di dalam sumber akan mengalir ke dalam pompa benam. Mengalirnya air dari sumber air ke dalam pompa benam disebut langkah hisap. Satu siklus pemompaan terdiri dari satu langkah tekan dan satu langkah hisap. Siklus pemompaan akan berlangsung terus selama ada energi panas yang cukup (Sumathy, 1999).


9

2.2 Persamaan yang Digunakan Unjuk kerja pompa air energi termal diantaranya dinyatakan dengan daya pompa dan efisiensi pompa. Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986) :

Ppompa  ρgQH

(1)

dengan ρ adalah massa jenis air, g adalah percepatan gravitasi, Q adalah debit pemompaan, dan H adalah head pemompaan. Daya pemanas merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan fluida kerja tiap satuan waktu (Cengel, 2008). Daya pemanas dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Ppemanas  hAT

(2)

dengan h adalah koefisien perpindahan kalor konveksi, A adalah luas permukaan, dan ΔT adalah temperatur pemanasan (temperatur minyak atau temperatur evaporator rata-rata dikurangi temperatur permukaan pipa pemanas). Perhitungan

daya

pemanas

dilakukan

menggunakan

pendekatan

perpindahan kalor yang terjadi pada kompor pemanas menuju pipa-pipa pemanas yang dialiri fluida kerja. Diasumsikan bahwa perpindahan kalor yang terjadi yaitu secara konveksi, dari minyak pemanas menuju permukaan luar pipa pemanas, dan dari fluida kerja (petroleum eter) menuju permukaan pipa dalam. Sedangkan


10

semua perpindahan kalor secara konduksi diabaikan, karena pengaruh perubahan daya pemanasan sangat kecil. Koefisien perpindahan kalor yang terjadi di luar pipa (һo) dan yang terjadi di dalam pipa (hi) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

h

k



Nu

(3)

dengan k adalah konduktivitas termal, δ adalah panjang karakteristik pipa, dan Nu adalah bilangan Nusselt. Untuk mencari nilai bilangan Nusselt pada konveksi luar pipa dapat menggunakan persamaan : Nu = {0,6 + 0,387 Ra1/6 / (1 + (0,559/Pr)9/16)8/27}2

(4)

dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, dan Pr merupakan bilangan Prandtl.

Sedangkan untuk mencari nilai bilangan Nusselt pada konveksi dalam pipa dapat menggunakan persamaan : Nu = 0,40 Ra0,20 dengan Ra adalah bilangan Rayleigh.

(5)


11

Dalam menentukan persamaan bilangan Nusselt yang digunakan pada konveksi dalam pipa maupun luar pipa, bilangan Rayleigh (Ra) sebelumnya ditentukan terlebih dahulu. Bilangan Rayleigh (Ra) dapat dicari dengan menggunakan persamaan : Ra = g β (TS - T∞) δ3 Pr / ⱴ2

(6)

dengan β adalah koefisien volume ekspansi, TS adalah temperatur permukaan (temperatur minyak atau evaporator rata-rata), T∞ adalah temperatur permukaan pipa yang didapatkan dengan metode iterasi, dan ⱴ adalah viskositas kinematik fluida. Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

 pompa 

Ppompa Ppemanas

100%

(7)

Efisiensi termal merupakan perbandingan antara daya pemanas output dengan daya pemanas input. Efisiensi termal dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

 termal 

Ppemanas( output) Ppemanas(input)

 100%

(8)

Kompresi udara tekan merupakan besarnya tekanan yang terjadi akibat perubahan volume udara pada massa udara tetap dalam tabung udara tekan (Cengel, 2008). Kompresi udara tabung tekan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :


P2 

V1 P1 V2

12

(9)

dengan P1 adalah tekanan udara awal, P2 adalah kompresi udara tekan, V1 adalah volume udara awal, dan V2 adalah volume udara akhir. 2.3 Penelitian yang Terdahulu Penelitian pompa air energi surya termal menunjukkan bahwa waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap fluida kerja dipengaruhi debit dan temperatur air pendingin masuk ke kondensor (Sumathy et. al., 1995). Prototipe pompa air energi surya termal yang bekerja dengan siklus Rankin diuji dengan menggunakan fluida kerja refrijeran R 113 untuk mengetahui unjuk kerjanya (Spindler et. al., 1996). Penelitian unjuk kerja pompa air energi surya termal dengan menggunakan kolektor pelat datar seluas 1 m2, pada variasi head 6, 8, dan 10 m menunjukkan bahwa ukuran vesel uap fluida kerja berpengaruh pada unjuk kerja pompa (Sumathy, 1999). Penelitian secara teoritis pompa air energi surya termal dengan menggunakan dua fluida kerja, yaitu n-pentane dan ethyl ether menunjukkan bahwa efisiensi pompa dengan fluida kerja ethyl ether lebih tinggi 17% dibanding n-pentane pada head 6 m (Wong, 2000). Analisa termodinamika untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi surya termal pada beberapa ketinggian head menunjukkan bahwa jumlah siklus tiap satu hari tergantung waktu yang diperlukan untuk pemanasan fluida kerja dan waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung pada jumlah fluida awal dalam sistem. Waktu pendinginan tergantung pada luasan optimum koil pendingin


13

(Wong, 2001a). Penelitian pompa air energi surya dengan menggunakan kolektor pelat datar sederhana seluas 1 m2 dengan fluida kerja ethyl ether menghasilkan kapasitas pemompaan 700-1400 liter/hari tergantung ketinggian head (6-10 m). Efisiensi sistem mencapai 0,34-0,42% (Wong, 2001b). Penelitian pompa air energi surya termal dengan menggunakan metode matematis menunjukkan unjuk kerja pompa ditentukan oleh fraksi uap dari siklus yang terjadi. Naiknya temperatur maksimum pemanasan meningkatkan daya pemompaan, sementara penurunan efisiensi disebabkan oleh kerugian panas karena proses penguapan dan pengembunan air (Mahkamov, 2005).


BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Skema Alat Pada penelitian ini pompa air energi termal memanfaatkan panas uap air panas sebagai sumber panas. Fluida yang di gunakan adalah petroleum eter (wasbensin). Gambar 3.1 merupakan skema alat yang digunakan dalam penelitian. Foto skema alat ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.1.

13

12 `

5

3

7

10

4 6

1

11 9

2 8

Gambar 3.1 Skema alat penelitian

14


15

Bagian-bagian utama alat pada Gambar 3.1 : 1. Kompor pemanas tembaga berukuran 60 cm x 25 cm x 9 cm. Berisi fluida pemanas (minyak) memenuhi kompor pemanas. 2. Pipa pemanas berbahan tembaga dengan diameter ½ inci untuk risers dan diameter 5/8 inci untuk header. Yang dipanaskan dengan posisi horisontal dengan kemiringan 8,53o pada kompor pemanas. Foto pipa pemanas ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.2. 3. Tabung pemisah uap berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 5 cm dan tinggi tabung 25 cm. Foto tabung pemisah ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.3. 4. Tabung penampung fluida kerja berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 15 cm dan tinggi tabung 20 cm. Foto tabung penampung fluida ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.5. 5. Kondensor berbentuk pipa spiral dengan ukuran diameter ¾ inci, panjang pipa 7 m dan jumlah spiral 6. Foto kondensor ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.4. 6. Tabung air tekan berbahan stainless steel dengan ukuran diameter 40 cm dan tinggi tabung 100 cm. Foto tabung air tekan ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.7. 7. Tabung udara tekan berbahan PVC dengan ukuran diameter tabung 4 inci dan tinggi 2 m. Foto tabung udara tekan ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.6.


16

8. Pompa benam berbahan PVC dengan ukuran diameter 4 inci dan panjang 4 m. Foto pompa benam ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.8. 9. Katup searah sisi hisap. 10. Sumur berbentuk tabung berbahan PVC dengan ukuran diameter 4 inci dan kedalaman sumur 1 m. 11. Katup searah sisi tekan. 12. Pipa buang. 13. Penampung air. Pada penelitian ini menggunakan tabung pemisah uap yang berfungsi untuk memisahkan uap fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa uap fluida kerja. Skema tabung pemisah uap sesuai Gambar 3.2.

Uap fluida kerja yang menuju kondensor.

Campuran uap fluida dengan fluida cair dari pemanas.

Fluida cair kembali menuju pemanas.

Gambar 3.2 Skema pemisah uap Proses kerja alat pada penelitian ini, dimulai dengan memanasi pipa pemanas menggunakan kompor pemanas yang berisi fluida pemanas yaitu minyak. Katup penghubung kondensor dan tabung air tekan dalam kondisi terbuka. Katup penghubung tabung penampung fluida kerja dan pipa pemanas


17

dibuka dalam kondisi / variasi tertentu. Ketika pipa pemanas dan kondensor dipenuhi fluida kerja sebelum pemanasan, katup penghubung ditutup dan dibuka ketika fluida kerja pada pipa pemanas mulai habis. Kondisi lain ketika pipa pemanas tidak berisi fluida kerja dan hanya kondensor yang berisi fluida kerja, katup penghubung ditutup dan dibuka ketika temperatur pipa pemanas yang kosong (hanya berisi udara) mencapai kesetaraan titik didih maksimal fluida kerja yang mencapai 60oC. Fluida kerja mengalir ke pipa pemanas ketika katup penghubung dibuka dan terpanasi. Fluida kerja yang terpanasi selanjutnya akan menguap dan uap fluida kerja akan masuk ke dalam tabung pemisah uap. Uap fluida kerja yang menguap tidak semuanya murni uap. Namun fluida kerja cair juga ikut terbawa aliran uap fluida. Dalam pemisah uap, fluida kerja cair yang terbawa uap fluida akan terpisah. Selanjutnya fluida kerja cair akan kembali menuju pipa pemanas dan terpanasi kembali, sedangkan uap fluida kerja akan mengalir ke kondensor kemudian menuju ke tabung air tekan. Air dalam tabung air tekan akan tertekan oleh uap fluida kerja, dan mengakibatkan tinggi air pada tabung udara tekan naik. Naiknya air pada tabung udara tekan mengakibatkan udara terkompresi. Udara yang terkompresi mendorong air di pompa benam dan menyebabkan katup sisi tekan terbuka dan katup sisi hisap tertutup sehingga air dalam pompa benam ke luar melewati pipa buang. Sebelum proses pendinginan pastikan tidak terjadi proses pemanasan fluida kerja (kompor pemanas dimatikan). Proses pendinginan dilakukan dengan menggunakan 2 kondisi, yaitu mendinginkan kondensor menggunakan udara sekitar dan dengan air. Uap fluida kerja pada kondensor akan mengembun. Pengembunan uap fluida kerja akan


18

menyebabkan air dalam tabung air tekan naik, dan ketinggian air pada tabung udara menurun, sehingga udara dalam tabung udara tekan tidak terkompresi lagi. Penurunan tekanan pada tabung udara mengakibatkan kevakuman sehingga katup tekan tertutup sedangkan katup hisap terbuka. Terbukanya katup hisap menyebabkan air pada sumur masuk ke dalam pompa benam. Pada saat volume fluida cair kembali ke posisi semula, fluida kerja bisa kembali dipanaskan sesuai kondisi yang diinginkan. Siklus kembali dimulai dari awal. 3.2 Variabel yang Divariasikan Variasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Volume udara tekan divariasikan dengan jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 1 dan 2 tabung. 2. Head pemompaan sebanyak 2 variasi : 2,35 m dan 1,35 m. 3. Volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan divariasikan sebanyak 2 variasi, yaitu : a. Pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan volume 2,51 liter (tidak ada udara dalam pemanas dan kondensor). b. Kondensor yang berisi fluida kerja ( volume 1,25 liter) sedangkan pemanas berisi udara.


19

Variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan dilakukan dengan mengatur jumlah tabung udara tekan yang digunakan. Volume udara mula – mula pada 1 tabung udara tekan sebesar 5,9 liter dan pada 2 tabung udara tekan yang digunakan sebesar 11,81 liter (Gambar 3.3)

Gambar 3.3 Variasi jumlah tabung udara yang digunakan. Variasi head pemompaan dilakukan dengan mengatur ketinggian pipa buang (Gambar 3.4).


20

Gambar 3.4 Variasi head pemompaan Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan dilakukan dengan mengatur fluida kerja pada penampung fluida kerja (Gambar 3.5)

a

b

Gambar 3.5 Variasi volume udara pada pemanas dan kondensor. Volume udara pada pemanas dan kondensor (a) Gambar 3.5 ketika udara tidak mengisi pipa pemanas dan kondensor, namun berisi fluida


21

kerja dengan volume 2,5 liter. (b) Gambar 3.5 ketika pipa pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm, sedangkan pada kondensor berisi fluida kerja dengan volume 1,25 liter. 3.3 Parameter yang Diukur Parameter yang diukur dalam penelitian ini sebagai berikut: 1. Temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak (T1 dan T2). 2. Temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T3). 3. Temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T4). 4. Tekanan fluida kerja dalam evaporator (P1). 5. Tekanan air pada tabung air tekan (P2). 6. Tekanan udara pada tabung udara tekan (P3). 7. Kenaikan air pada tabung udara tekan (h). 8. Volume pemompaan (Vpompa). 9. Waktu pemompaan (tpompa). 10. Waktu pemanasan (tpanas). 11. Waktu pendinginan (tdingin). Pengukuran temperatur menggunakan termologger, pengukuran waktu menggunakan stopwatch dan pengukuran tekanan dengan melihat manometer. Pengukuran volume pemompaan dari perbedaan volume sumur awal dan akhir. Foto termologger dan manometer ditunjukkan pada bagian lampiran Gambar L.9.


22

3.4 Langkah Penelitian Secara garis besar penelitian dilakukan dengan prosedur yang sama pada tiap variasi sehingga dapat diperoleh hasil untuk membandingkan tiap variasi. Berikut merupakan langkah-langkah yang dilakukan untuk pengambilan data penelitian: 1. Penelitian diawali dengan pembuatan dan penyiapan alat seperti pada Gambar 3.1. 2. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan massa fluida kerja mula-mula. 3. Sebelum pemanasan dimulai atur ketinggian air pada tabung udara tekan dan ketinggian pemompaan sesuai dengan variasi mula-mula yang diinginkan. 4. Ketika uap fluida kerja mulai melemah saat pemanasan, katup tabung penampung fluida kerja mulai dibuka dengan debit yang divariasikan. 5. Data yang dicatat adalah temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak (T1 dan T2), temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T3), temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T4), tekanan fluida kerja dalam evaporator (P1), tekanan air pada tabung air tekan (P2), tekanan udara pada tabung udara tekan (P3), kenaikan air pada tabung udara tekan (h), volume pemompaan (Vpompa), waktu pemompaan (tpompa), waktu pemanasan (tpanas), waktu pendinginan (tdingin). 6. Langkah 2, 3 dan 4 diulangi sesuai dengan variasi selanjutnya.


23

7. Data yang diperoleh dianalisa menggunakan Persamaan (1) hingga Persamaan (9).


BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian Berikut adalah data dan hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan volume udara tekan, head pemompaan, dan volume udara pada pemanas dan kondensor saat pemanasan. Adapun penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris pada data yang tersaji dalam bentuk tabel yaitu pada Tabel 4.1A – 4.1C dengan keterangan pada kolom T1 yaitu temperatur fluida pemanas bagian dasar, T2 yaitu temperatur fluida pemanas bagian permukaan, T3 yaitu temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas, T4 yaitu temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas, Vudara yaitu volume udara pada tabung udara tekan, P1 yaitu tekanan fluida kerja dalam evaporator yang terbaca manometer, P2 yaitu tekanan air pada tabung air tekan yang terbaca manometer, P3 yaitu tekanan udara pada tabung udara tekan yang terbaca manometer, tpanas yaitu lama waktu pemnasan fluida cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga akhir siklus tekan, tpompa yaitu lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai mengalir dari ujung tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir, tdingin yaitu lama waktu pendinginan. Dimulai dari awal siklus tekan hingga volume fluida cair kembali ke posisi awal dan Vsumur yaitu volume air yang akan dipompa. Sedangkan keterangan pada baris awal yaitu kondisi dimana awal siklus tekan dan akhir siklus hisap, akhir yaitu kondisi ketika

24


25

siklus tekan berakhir, dan merupakan awalan ketika siklus hisap, dan ΔVsumur yaitu volume air yang dipompa dari sumur dan keluar pada pipa buang selama satu siklus pemompaan. Penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris pada data yang tersaji dalam bentuk tabel yaitu pada Tabel 4.1E – 4.1F dengan keterangan pada kolom tpanas yaitu lama waktu pemnasan fluida cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga akhir siklus tekan, tpompa yaitu lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai mengalir dari ujung tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir, Vair yaitu volume air hasil pemompaan dalam satu siklus, Qair yaitu debit air hasil pemompaan dalam satu siklus, Ppompa yaitu daya pemompaan dalam satu siklus pemompaan dan Ppemanas yaitu daya pemanas dalam proses pemanasan. Sedangkan keterangan pada baris variasi yaitu variasi yang dilakukan dalam penelitian. Tabel 4.1A Data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung. T1 T2 T3 T4 Kondisi (OC) (OC) (OC) (OC) Awal 26 27 26 26 Akhir 114 115 59 77

Vudara P1 P2 P3 (liter) (bar) (bar) (bar) 11,81 0,12 0,08 0 6,72 0,58 0,5 0,4

t (panas) (det)

t (pompa) (det)

t (dingin) (det)

7200

667

5400

T1 T2 T3 T4 O O O O Kondisi ( C) ( C) ( C) ( C) Awal 25 25 25 25 Akhir 120 114 115 60

Vudara (liter) 5,9 2,18

t (panas) (det)

t (pompa) (det)

ΔVsumur t (dingin) (det)

7200

715

5400

P1 P2 P3 (bar) (bar) (bar) 0,1 0,08 0 0,58 0,5 0,4

ΔVsumur

Vsumur (liter) 16,2 14,82 1,37 Vsumur (liter) 16,2 14,34 1,85


26

Tabel 4.1B Data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter. T1 T2 T3 T4 Kondisi (OC) (OC) (OC) (OC) Awal 44 46 27 29 Akhir 113 115 60 78 T1 T2 T3 T4 Kondisi (OC) (OC) (OC) (OC) Awal 36 36 27 34 Akhir 108 109 62 83

Vudara (liter) 5,9 1,9 Vudara (liter) 5,9 1,77

P1 P2 P3 (bar) (bar) (bar) 0,01 0,08 0 0,59 0,5 0,4 P1 (bar) 0,1 0,5

P2 P3 (bar) (bar) 0,08 0,02 0,4 0,3

t (panas) (det)

t (pompa) (det)

t (dingin) (det)

7200

968

5400

t (panas) (det)

t (pompa) (det)


7200

615

5400 ΔVsumur


Tabel 4.1C Data penelitian pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara. T1 T2 T3 T4 Kondisi (OC) (OC) (OC) (OC) Awal 25 25 25 25 Akhir 120 114 60 75 T1 T2 T3 T4 Kondisi (OC) (OC) (OC) (OC) Awal 44 46 27 29 Akhir 113 115 60 78

Vudara (liter) 5,9 2,18 Vudara (liter) 5,9 1,97

P1 P2 P3 (bar) (bar) (bar) 0,1 0,08 0 0,58 0,5 0,4 P1 P2 P3 (bar) (bar) (bar) 0,01 0,08 0 0,59 0,5 0,4

t (panas) (det)

t (pompa) (det)

t (dingin) (det)

7200

715

5400

t (panas) (det)

t (pompa) (det)


7200

968

5400 ΔVsumur

Dari data yang didapat, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja pompa termal dengan debit aliran fluida kerja yang mengalir pada pemanas 3 liter/menit. Berikut adalah perhitungan dengan menggunakan data pertama pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan (Tabel 4.1A).



27

Perhitungan petama kali dilakukan dengan menghitung daya pompa. Persamaan yang digunakan adalah Persamaan (1), dengan variabel yang diketahui adalah : Data 2 tabung udara tekan Head = 2,35 m ρair

= 1000 kg/m3

g

= 9,81 m2/det

Vair

= ΔVsumur = 1,37 liter

tpompa = 667 detik

Perhitungan daya pemompaan adalah : Ppompa = ρair g Q H Ppompa = 1000 kg/m3 × 9,81 m2/det × (1,37 × 10-3 m3 / 667 detik) × 2,35 m Ppompa = 0,047 watt Perhitungan daya pemanas dilakukan setelah menentukan sifat-sifat fluida dengan melihat Tabel L.1 Sifat-sifat Fluida yang digunakan dalam pehitungan mencari nilai bilangan Rayleigh, Nusselt dan koefisien perpindahan kalor. Persamaan yang digunakan adalah Persamaan (6) untuk mencari nilai Ra, Persamaan (5) untuk mencari nilai Nu pada konveksi dalam pipa pemanas, Persamaan (4) untuk mencari nilai Nu pada konveksi luar pipa pemanas, Persamaan (3) untuk mencari nilai h, dan Persamaan (2) untuk mendapatkan daya pemanas. Dengan variabel yang diketahui adalah : T1

= 114 oC

T2

= 115 oC


T3

= 59 oC

T4

= 77 oC

dpipa

= 0,5 in

Lpipa

= 0,6 m

28

Dari variabel yang sudah diketahui, sifat – sifat fluida perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa yang dapat diketahui adalah : ⱴ

= 3,5 × 10-8 m2/s

Pr

= 52,3

k

= 0,1282 W/moC

Dari variabel yang sudah diketahui, sifat – sifat fluida perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa yang dapat diketahui adalah : ⱴ

= 5,98 × 10-8 m2/s

Pr

= 8,813

k

= 0,1542 W/moC

Hasil dari perhitungan nilai Ra dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa adalah : Ra = g β (TS - T∞) δ3 Pr / ⱴ2 Ra = 9,81 × 0,0028 × (89,6 - 68) × 0,0123 × 8,813 / (5,98 × 10-8)2 Ra = 2,68 × 10-9 Dengan Ts merupakan temperatur rata-rata evaporator ((T3 + T4)/2) dan T∞ adalah temperatur permukaan yang didapat menggunakan metode iterasi. Hasil dari perhitungan nilai Ra dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa adalah : Ra = g β (TS - T∞) δ3 Pr / ⱴ2 Ra = 9,8 × 0,0026 × (114,5 – 89,6) × 0,0123 × 52,3 / (3,5 . 10-8)2


29

Ra = 5,8 × 10-6 Dengan Ts merupakan temperatur rata-rata minyak ((T1 + T2)/2) dan T∞ adalah temperatur permukaan yang didapat menggunakan metode iterasi. Hasil dari perhitungan nilai Nu dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa adalah : Nu = 0,40 Ra0,20 Nu = 0,40 × (2,68 × 10-9) 0,20 Nu = 30,75 Hasil dari perhitungan nilai Nu dengan perpindahan kalor konveksi pada bagian luar pipa adalah : Nu = {0,6 + 0,387 Ra1/6 / (1 + (0,559/Pr)9/16)8/27}2 Nu = {0,6 + 0,387 × (5,8 × 10-6) 1/6 / (1 + (0,559/52,3)9/16)8/27}2 Nu = 32,15 Hasil dari perhitungan nilai bagian dalam pipa adalah : = k Nu / δ = 0,1542 × 30,75 / 0,012 = 324,27 W/m2 oC

dengan perpindahan kalor konveksi pada


Hasil dari perhitungan nilai

30

dengan perpindahan kalor konveksi pada

bagian luar pipa adalah : = k Nu / δ = 0,1282 × 32,15 / 0,012 = 388,69 W/m2 oC Perhitungan daya pemanas menggunakan salah satu nilai

yang didapat.

Perhitungan daya pemanas adalah : Ppemanas =

A ΔT

Ppemanas = 388,69 W/m2 × oC × π × 0,0127 m × 0,6 m × 8 × (114,5 oC – 89,6 oC) Ppemanas = 1554 watt Perhitungan efisiensi pompa dilakukan dengan menggunakan Persamaan (7) sebagai berikut : ηpompa = (Ppompa / Ppemanas) x 100% ηpompa = (0,047 watt / 1554 watt) x 100% ηpompa = 0,003 %


31

Perhitungan efisiensi termal dilakukan dengan menggunakan Persamaan (8) sebagai berikut : ηtermal = (Ppemanas (output) / Ppemanas (input) ) x 100% ηtermal = (1554 watt / 1800 watt) x 100% ηtermal = 85,78 % Perhitungan kompresi udara dalam tabung udara tekan dilakukan menggunakan Persamaan (9) sebagai berikut : P2 = P1 V1 / V2 P2 = 1 × 11,81 / 6,72 P2 = 1,75 bar Dengan cara yang sama, seluruh data penelitian tiap variasi dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) sampai Persamaan (9). Berikut adalah hasil dari seluruh data penelitian yang disajikan dalam bentuk tabel. Tabel 4.1D Hasil perhitungan data penelitian pada variasi volume udara tekan dengan melihat jumlah tabung udara tekan yang digunakan, yaitu 2 tabung dan 1 tabung. Variasi t jumlah (panas) tabung (det) udara tekan. 2 7200 1 7200

t (pompa)

(det)

P2 V (air) Q (air) (liter) (ltr/mnt)

(kompresi udara)

667

1,37

0,12

(bar) 1,75

715

1,85

0,15

2,70

P pompa (watt)

P Efisiensi Efisiensi Termal pemanas Pompa (%) (watt) (%)

0,047

1544

0,003

85,78

0,059

1564

0,004

86,89


32

Tabel 4.1E Hasil perhitungan data penelitian pada variasi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter. Variasi head pemompaan (meter)

t

t

Vol

(panas)

(pompa)

(det)

(det)

2,35 7200 1,35 7200

968 615

(air)

Debit (air)

(liter) (ltr/mnt) 1,794 2,588

0,11 0,25

P2 (kompresi udara)

(bar) 2,98 3,32

Daya pompa (watt) 0,06 0,11

Daya Efisiensi Efisiensi pemanas Pompa Termal (%) (watt) (%) 1483 1113

0,004 0,01

82,39 61,83

Tabel 4.1F Hasil perhitungan data penelitian pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara. Variasi volume t udara pada pemanas dan (panas) (det) kondensor Pada pemanas dan kondensor 7200 berisi fluida kerja Pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm, 7200 dan kondensor berisi fluida kerja.

t (pompa)

Vol (air)

Debit (air)

P2 (kompresi udara)

Daya pompa (watt)

Daya Efisiensi Efisiensi pemanas Pompa Termal (%) (watt) (%)

(det)

(liter) (ltr/mnt)

715

1,85

0,15

2,7

0,093

1564

0,006

86,89

968

1,79

0,11

2,98

0,066

1483

0,004

82,39

(bar)

4.2 Pembahasan Hasil penelitian pada Gambar 4.1 , Gambar 4.2 , dan Gambar 4.3 menunjukan debit, daya dan efisiensi maksimal pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan yaitu 1 tabung udara tekan sebesar 0,156 liter / menit. Pada variasi 2 jumlah tabung udara tekan debit yang dihasilkan rendah yaitu 0,123 liter / menit. Hasil yang sama didapatkan pada nilai daya dan efisiensi pemompaan. Untuk variasi 1 jumlah tabung udara tekan yang digunakan, daya


33

dan efisiensi pompa yang didapatkan yaitu 0,059 watt dan 0,004 %. Sedangkan pada variasi 2 jumlah tabung udara tekan yang digunakan, daya dan efisiensi pompa yang didapatkan yaitu 0,0047 watt dan 0,003% . Hal ini dikarenakan oleh pengaruh jumlah uap yang dihasilkan pada pemanasan fluida kerja dengan laju aliran 3 liter/menit. Dengan jumlah uap yang sama, tekanan air pada tabung tekan air yang terdorong uap fluida hasilnya pun sama. Tekanan air dari tabung udara tekan yang dibutuhkan untuk mengkompresi udara pada 2 tabung udara tekan lebih besar, dibandingkan dengan 1 tabung udara tekan yang digunakan. Akibatnya dibutuhkan waktu yang lebih lama pada variasi 2 tabung udara tekan untuk memompa air dengan head pemompaan yang sama, dibandingkan pada variasi 1 tabung udara tekan yang digunakan. Sehingga debit, daya pemompaan, dan efisiensi pemompaan pada variasi 1 tabung udara tekan hasilnya lebih baik daripada variasi 2 tabung udara tekan. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.


34

Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.

Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan.


35

Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.

Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa air pemompaan dengan variasi jumlah tabung udara tekan. Hasil penelitian pada Gambar 4.4 , Gambar 4.5 , dan Gambar 4.6 menunjukan debit, daya dan efisiensi maksimal pemompaan pada variasi head pemompaan yaitu 1,35 meter. Debit, daya dan efisiensi pompa pada head 1,35 meter yaitu 0,25 liter / menit, 0,109 watt dan 0,01 %. Sedangkan debit, daya, dan efisiensi pada head 2,35 meter, didapakan hasil yang kurang maksimal seperti pada head 1,35 meter yaitu 0,11 liter / menit, 0,0066 watt dan 0,004 %. Dengan jumlah uap yang dihasilkan dari pemanasan fluida kerja yang mengalir pada pipa pemanas hasilnya sama, selanjutnya akan berpengaruh pada tekanan air dalam tabung tekan air dan tekanan udara pada tabung tekan udara dengan nilai yang sama. Dengan tekanan yang dihasilkan sama, akan mempengaruhi proses


36

pemompaan untuk ketinggian tertentu. Semakin tinggi head yang dibutuhkan untuk pemompaan, debit, daya dan efisieni pemompaan semakin rendah. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.

Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi head pemompaan. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan , dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.


37

Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi head pemompaan. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.

Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi head pemompaan.


38

Hasil penelitian pada Gambar 4.7 , Gambar 4.8 , dan Gambar 4.9 menunjukan debit, daya dan efisiensi maksimal pemompaan pada variasi volume udara ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, dan hanya pemanas yang berisi udara yaitu ketika kondensor dan pemanas tidak berisi udara, namun berisi fluida kerja sebesar 0,15 liter / menit. Sedangkan pada variasi volume udara hanya mengisi pemanas debit yang dihasilkan kurang maksimal yaitu 0,11 liter / menit. Begitu pula dengan hasil daya dan efisiensi pemompaan yang dihasilkan. Untuk variasi ketika sejumlah udara tidak ada pada pemanas dan kondensor, daya dan efisiensi pemompaan yang didapat yaitu 0,093 watt dan 0,006%. Hal ini disebabkan karena pengaruh adanya udara dalam jalur uap fluida dari pipa pemanas menuju tabung air tekan. Udara menghambat laju uap menuju tabung air tekan dalam proses penekanan air menuju tabung udara tekan. Akibatnya udara yang terkompresi dalam tabung udara tekan kurang maksimal dan mempengaruhi proses pemompaan. Akibat dari kurang maksimalnya proses pemompaan, debit, daya dan efisiensi pemompaan yang dihasilkan menjadi kurang maksimal. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan head pemompaan 2,35 m.


39

Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan dengan variasi volume udara pada pemanas dan kondensor. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat

pemanasan

3

liter/detik,

menggunakan 1 tabung udara tekan, dan head pemompaan 2,35 m.

Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemompaan dengan variasi volume udara pada pemanas dan kondensor.


Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan head pemompaan 2,35 m.

Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pemompaan dengan variasi volume udara pada pemanas dan kondensor.

40


BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan 1. Telah dibuat pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas dan pemisah uap. 2. Debit maksimum pemompaan sebesar 0,25 liter / menit tiap siklus pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor. 3. Daya maksimum pemompaan sebesar 0,109 watt pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor. 4. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,01 % pada variasi head pemompaan 1,35. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, menggunakan 1 tabung udara tekan, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor. 5. Efisiensi termal maksimum sebesar 86,89 % pada variasi jumlah tabung udara tekan yang digunakan yaitu 1 tabung udara tekan. Pada kondisi debit aliran fluida kerja saat pemanasan 3 liter/detik, head pemompaan 2,35 m, dan udara tidak mengisi pemanas dan kondensor.

41


42

5.2 Saran 1. Penambahan panjang pada pipa pemanas, untuk memaksimalkan penguapan pada fluida kerja. 2. Penggantian fluida kerja yang digunakan dalam proses pemompaan dengan titik uap yang lebih rendah daripada petroleum eter. Untuk meminimalkan waktu pemanasan. Agar mendapatkan debit, daya, dan efisiensi pemompaan yang lebih baik. 3. Konstruksi dan bahan untuk pipa kondensor dibuat lebih pendek dan menggunakan bahan dengan konduktivitas termal yang baik agar uap fluida kerja bisa maksimal sampai menuju tabung tangki tekan air dan bagus dalam proses pendinginan. 4. Dalam proses penguapan fluida kerja, diusahakan untuk meminimalisir adanya udara dalam sistem (pipa pemanas & kondensor), karena akan menghambat laju uap fluida untuk proses pemompaan.


DAFTAR PUSTAKA Cengel, Y.A.; Bobs, M.A., 2008. Thermodynamics, An Engineering Approach, Sixth Edition, Mc Graw Hill Mahkamov, K.; Orda, E.P., 2005. Solar Thermal Water Pumps: A Preliminary Sanjaya, G.A, S.T., 2012. Unjuk Kerja Pompa Air Energi Termal dengan Pemanas Vertikal Menggunakan Dua Pipa Pemanas Paralel, Yogyakarta : Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Spindler, K.; Chandwalker, K.; Hahne, E., 1996. Small solar (thermal) waterpumping system, Solar Energy, Volume 57, Issue 1, July 1996, Pages 69-76 Sumathy, K.; Venkatesh, A.; Sriramulu, V., 1995. The importance of the condenser in a solar water pump, Energy Conversion and Management, Volume 36, Issue 12, December 1995, Pages 11671173 Sumathy, K., 1999. Experimental studies on a solar thermal water pump, Applied Thermal Engineering, Volume 19, Issue 5, May 1999, Pages 449-459 Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2000. Performance of a solar water pump with npentane and ethyl ether as working fluids, Energy Conversion and Management, Volume 41, Issue 9, 1 June 2000, Pages 915-927 Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2001a. Performance of a solar water pump with ethyl ether as working fluid, Renewable Energy, Volume 22, Issues 13, January-March 2001, Pages 389-394 Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2001b. Thermodynamic analysis and optimization of a solar thermal water pump, Applied Thermal Engineering, Volume 21, Issue 5, April 2001, Pages 613-627

43


LAMPIRAN

Gambar L.1 Alat penelitian pompa air energi termal

Gambar L.2 Pemanas fluida kerja

44


Gambar L.3 Pemisah uap

Gambar L.5 Tabung penampung fluida kerja

45

Gambar L.4 Kondensor

Gambar L.6 Tabung udara tekan


Gambar L.7 Tangki air tekan

Gambar L.8 Pompa Benam

Gambar L.9 Alat ukur

46


TABEL SIFAT-SIFAT FLUIDA (MINYAK) Temperatur, Konduktivitas Viskositas Bilangan T (oF) Termal, k (Btu/h.ft) Kinematik, v (ft2/s) Prandtl, Pr 60 0,077 102 x 10-5 1170 -5 80 0,077 49 x 10 570 -5 100 0,076 27,4 x 10 340 -5 150 0,075 9,8 x 10 122 200 0,074 4,6 x 10-5 62 -5 250 0,074 2,6 x 10 35 -5 300 0,073 1,6 x 10 22 TABEL SIFAT-SIFAT FLUIDA (PETROLEUM ETER) Temperatur, Konduktivitas Viskositas Bilangan o o 2 T ( C) Termal, k (W/m. C) Kinematik, v (m /s) Prandtl, Pr -6 -40 0,186 5,84 x 10 52,7 -6 -20 0,179 3,47 x 10 33,6 -6 0 0,174 2,20 x 10 22,9 20 0,168 1,52 x 10-6 17 -6 40 0,162 1,08 x 10 13,2 -6 60 0,156 0,748 x 10 10,6 -6 80 0,150 0,583 x 10 8,7 (Cengel, 2008) Tabel L.1 Sifat-sifat fluida

47

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Recommend Documents