SISTEM DISTILASI AIR LAUT TENAGA SURYA MENGGUNAKAN KOLEKTOR PLAT DATAR DENGAN TIPE KACA PENUTUP MIRING Mulyanef1, Marsal2, Rizky Arman3 dan K. Sopian4 Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta, Padang-Indonesia 4 Jabatan Mekanik dan Bahan Universiti Kebangsaan Malaysia
[email protected]
1,2,3
ABSTRAK: Penelitian ini bertujuan untuk menentukan tipe kaca penutup kolektor yang sesuai untuk dipasang pada peralatan distilasi air laut jenis basin type solar still. Peralatan tersebut digunakan untuk memproduksi air bersih dari air laut bagi masyarakat pesisir pantai. Sebanyak tiga tipe kaca penutup kolektor plat datar diteliti, yaitu tipe satu permukaan kaca miring, tipe dua permukaan kaca miring dan tipe empat permukaan kaca miring. Luas kolektor plat datar adalah 0,45 m2, volume air laut di dalam kolektor adalah 9 liter dan isolasi dari serabut kaca. Pengujian dilakukan dari pukul 09.00 – 16.00 WIB pada bulan Januari, Februari dan Maret tahun 2006. Tempat pengujian dilakukan pada lantai lima gedung C kampus III Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta. Hasil pengujian menunjukkan tipe dua permukaan kaca miring menghasilkan kondensat terbanyak yaitu 255 ml/jam, dengan intensitas surya tertinggi 757,37 W/m2.
Kata kunci: energi matahari, kolektor plat datar, distilasi.
1.
PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara kupulauan yang terbesar di dunia. Memiliki luas wilayah 5.193.252 km2, dua pertiga luas wilayah Indonesia merupakan lautan, yaitu sekitar 3.288.683 km2. Sehingga Indonesia juga mendapat julukan negara maritim. Melihat Indonesia yang terletak di tengah kepungan air laut, kekurangan air bersih banyak menimpa masyarakat yang tinggal di pesisir pantai. Air merupakan salah satu kebutuhan pokok manusia untuk hidup. Makalah ini merupakan bagian dari hasil penelitian tentang rekayasa peralatan yang dapat memproduksi air bersih dari air laut. Peralatan yang diteliti adalah distilasi surya tipe basin yang mempunyai konstruksi sederhana, mudah dioperasikan dan hemat energi karena energi yang digunakan adalah radiasi matahari. Peralatan ini sangat cocok digunakan pada daerah pesisir, yang air laut dan surya banyak. Kaca penutup kolektor surya plat datar merupakan komponen terpenting dari distilasi surya, yang berfungsi untuk mengurangi kehilangan panas dari plat penyerap ke lingkungan dan tempat kondensasi. Kaca tebal 4 mm dipilih sebagai penutup karena kaca dapat menyekat sinaran yang melebihi 3 μm dan tahan lama. Secara umum kaca mempunyai indeks bias 1,5 dan dapat meneruskan radiasi yang datang lebih kurang 88%.
1.1
Distilasi Surya tipe Basin Prinsip kerja distilasi surya tipe basin diperlihatkan pada Gambar 1. Radiasi surya menembus kaca penutup dan mengenai permukaan dari plat penyerap, maka plat penyerap akan panas, dan energi panas dari plat penyerap akan memanasi air laut yang ada didalam kolam (basin). Air akan menguap dan berkumpul dibawah permukaan kaca penutup. Oleh karena temperatur udara di dalam basin lebih tinggi dari pada temperatur lingkungan, maka terjadi kondensasi yaitu uap berubah menjadi cair dan melekat pada kaca penutup bagian dalam. Cairan (air bersih) akan mengalir mengikuti kemiringan kaca penutup dan masuk kedalam kanal, terus mengalir ke tempat penampungan air bersih. Sedangkan garam akan tinggal diatas plat penyerap karena adanya perbedaan massa jenis.
-1-
10
4 1
9
3
8
2
7 5 6
Keterangan gambar: 1. Kaca penutup 2. Kanal 3. Plat penyerap 4. Basin 5. Isolasi
6. 7. 8. 9. 10.
Rangka Tabung, tempat air bersih Pipa Katup Resevoir air laut
Gambar 1. Distilasi Surya Tipe Dua Permukaan Kaca Miring
Reservoir Air Laut Kaca penutup Radiasi Surya
Kanal Basin
Gelas Ukur
Plat Penyerap
Isolasi
Gambar 2. Distilasi Surya Tipe Satu Permukaan Kaca Miring
1.2
Tinjauan Thermal Pada Sistem Destilator Surya Dalam destilator surya akan terjadi perpindahan panas yang terdiri dari : 1. Konduksi Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas dinyatakan dengan hukum Fourier berikut:
Q =-k.A.
⎛ dT ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ dx ⎠
(watt)………………...…………………………………....(1)
Dimana: k = Konduktivitas termal (W/ m.0K) A = Luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran panas (m2)
-2-
2.
dT/dx = Gradien temperatur dalam arah aliran panas (0K/m) Konveksi Udara yang mengalir diatas suatu permukaan panas, misalnya dalam saluran baja sebuah alat pemanas udara surya dipanasi secara konveksi. Apabila aliran udara disebabkan oleh sebuah blower, kita menyebutnya sebagai konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis, maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya, perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hukum pendinginan Newton sebagai berikut : q = h . A . ( Tw-T ) (Watt)…………………………………………….………(2) Dimana: h = Koefisien konveksi (W/m2 . 0K) A = Luas permukaan (m2) Tw = Temperatur dinding ( 0K ) T = Temperatur fluida ( 0 K ) Umumnya koefisien konveksi (h) dinyatakan dengan parameter tanpa dimensi yang disebut bilangan Nusselt (menurut nama dari Wilhelm Nusselt ), Nu = h .d/k, dimana (k) adalah konduktivitas termal.
3.
Radiasi Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi dimana perpindahan energi terjadi melalui perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah – daerah hampa. Mekanismenya disini adalah sinaran atau radiasi Elektromagnetik. Penukaran panas netto secara radiasi antara dua badan ideal ( hitam ) adalah : 4
4
q=σ.A(T 1 -T 2) (Watt…………….……………………………..……(3) Dimana : σ = konstanta Stefan – Boltzmann, 5, 67 x 10-8 (W/m2 . 0 K4) A = Luas bidang ( m2 ) Gabungan perpindahan panas tersebut dapat dianalisa dengan menggunakan diagram aliran energi P a n t u la n
Tg
Ta
q r,0
It
q c ,0
Tsv
q c ,1
q r.l
Tw
q c ,w
qk
Tp
Gambar 3. Diagram aliran energi Keterangan gambar : Ta = Temperatur lingkungan ( oC ) Tw = Temperatur air ( oC ) Tg = temperatur permukaan kaca ( oC ) Tsv = Temperatur uap air ( oC ) IT = Intensitas matahari ( W/m2 ) qr,1 = Laju perpindahan panas radiasi dari air kolektor kepermukaan dalamkaca qc,1 = Laju perpindahan panas konveksi dari uap air kepermukaan dalam kaca qc,w = Laju perpindahan panas konveksi dari air qk = Laju perpindahan panas konduksi dari kolektor kedinding luar qr,o = Laju perpindahan panas radiasi yang hilang dari kaca qc,o = Laju perpindahan panas konveksi dari kaca keudara Kesetimbangan energi dari sistem adalah sebagai berikut : qc, w + qr,1 + qc,1 + (α .IT .Ac) + (α . It ) = qk + qc, o+ qr, o………………………………….(4)
-3-
2.
METODOLOGI Penelitian ini bertujuan untuk mencari alternatif tipe kaca penutup kolektor plat datar yang dapat menghasilkan kondensat tinggi. Hal ini berhubungan dengan aplikasi dari alat distilasi surya yaitu dapat menghasilkan air bersih dari air laut bagi masyarakat yang tinggal dipinggir pantai. Alternatif tipe kaca penutup yang akan diteliti dan sesuai untuk menghasilkan air tawar yang banyak adalah sebagai berikut: 1. Tipe satu permukaan kaca miring. 2. Tipe dua permukaan kaca miring. 3. Tipe empat permukaan kaca miring. Untuk menentukan nilai dari energi yang berguna, energi yang hilang dan efisiensi dapat digunakan persamaan berikut: 1. Energi radiasi yang diserap oleh plat penyerap Qin = α . IT . Ac Dimana :
= intensitas surya ( W/m2 ) = Luas plat penyerap ( m2 ) = absorpsivitas plat penyerap
IT Ac α
2. Energi yang hilang dari kolektor QLosses = UL . Ac . ( Tp – Ta ) Dimana : ULosses = Koefisien perpindahan panas total ( W / m2. oC ) Tp = Temperatur plat penyerap ( oC ) Ta = Temperatur lingkugan ( oC ) Ac = Luas plat penyerap ( m2 ) 3. Energi yang berguna pada destilasi air laut QU = Ac (IT . α ) – ULosses (Tp – Ta)) Dimana : Qin QLosses
= Energi radiasi yang sampai ke plat penyerap ( Watt ) = Energi yang hilang dari kolektor ( Watt )
4. Efisiensi kolektor
ηc=
Qu Q in
x 100%
5. Efisiensi Destilator
η=
m.h fg Ac.I T .t
Dimana: m = Massa air ( kg / jam ) hfg = Panas laten untuk penguapan ( kJ / kg ) Ac = Luas plat penyerap ( m2 ) IT = Intensitas surya ( W / m2 ) t = Lama waktu pengujian ( jam )
-4-
HASIL DAN PEMBAHASAN
Proiduktivitas Kondensat (ml/jam )
300 250 200 150 100 50 0 8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
Waktu ( Jam )
tipe satu permukaan kaca miring tipe dua permukaan kaca miring tipe empat permukaan kaca miring
Gambar 4. Grafik Hubungan antara Produktivitas Kondensat dan waktu Gambar 4. menampilkan hubungan antara produktivitas kondensat dan waktu dari tiga tipe permukaan kaca miring alat uji destilasi surya. Produktivitas air yang paling banyak dihasilkan adalah pada tipe dua permukaan kaca miring, sedangkan produktivitas yang paling sedikit terdapat pada tipe empat permukaan kaca miring. Jumlah kondensat yang paling banyak terdapat pada jam 13.00, sedangkan produktivitas yang paling sedikit terdapat pada pada jam 09.00 untuk setiap tipe permukaan kaca miring. Hal ini disebabkan oleh intensitas surya pada jam 09.00 masih rendah dan pada jam 13.00 intensitas surya sudah tinggi. Faktor lain yang mempengaruhi produktivitas air bersih dari alat uji destilasi surya adalah kecepatan angin, temperatur lingkungan dan cuaca. Gambar 5. menunjukan grafik hubungan antara produktivitas kondensat, intensitas surya dan waktu. Tipe satu permukaan kaca miring menghasilkan produktivitas kondensat yang paling banyak yaitu 190 ml/jam pada intensitas surya 757,37 W/m2, sedangkan hasil kondensat yang paling sedikit terdapat pada jam 09.00 Wib yaitu 20 ml/jam dengan itensitas surya 428,7 W/m2. Pada tipe dua permukaan kaca miring menunjukan produktivitas kondensat yang paling banyak terdapat pada jam 13.00 Wib dengan intensitas surya 757,37 W/m2 dan hasil kondensat 255 ml/jam, sedangkan hasil yang paling sedikit terdapat pada jam 09.00 Wib dengan itensitas surya 428,7 W/m2 dan hasil kondensat 50 ml/jam.
(ml/jam )
600 200
500 400
150
300
100
200 50 0 8.00
( W/m2 )
700
250
Intensitas radiasi matahari
800
300 Proiduktivitas Kondensat
3.
100 9.00
0 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 Waktu ( Jam ) Intensitas radiasi matahari Tipe satu permukaan kaca miring Tipe Dua permukaan kaca miring Tipe Empet permukaan kaca miring
Gambar 5. Grafik Hubungan produktivitas kondensat, intensitas surya dan waktu Pada tipe dua permukaan kaca miring menunjukan produktivitas kondensat yang paling banyak terdapat pada jam 13.00 Wib dengan intensitas surya 757,37 W/m2 dan hasil kondensat 110 ml/jam, sedangkan hasil yang paling sedikit terdapat pada jam 09.00 Wib dengan itensitas surya 428,7 W/m2 dan hasil kondensat 30 ml/jam.
-5-
Gambar 5 menunjukan terdapat hubungan antara produktivitas kondensat dengan intensitas surya, yaitu semakin tinggi intensitas maka produktivitas air bersih yang dihasilkan semakin makin banyak. Semakin rendah intensitas maka produktivitas air bersih semakin sedikit. Dari ketiga tipe permukaan kaca miring yang digunakan tipe dua permukaan kaca miring yang lebih banyak menghasilkan air bersih dibandingkan dengan tipe satu permukaan dan tipe empat permukaan kaca miring. Sedangkan yang paling sedikit menghasilkan air tawar adalah empat permukaan kaca miring. 4.
KESIMPULAN Dari pengujian ketiga tipe permukaan kaca miring diperoleh hasil yaitu sebagai berikut: Produktivitas air bersih pada alat uji distilasi surya dipengaruhi oleh intensitas surya. Semakin tinggi intensitas surya semakin tinggi produktivitas air bersih yang dihasilkan. Tipe dua permukaan kaca miring menghasilkan air bersih terbanyak yaitu 255 ml/jam, jika di bandingkan dengan tipe satu permukaan kaca miring dan tipe empat permukaan kaca miring.
DAFTAR PUSTAKA Arismunandar Wiranto. 1995 “Teknologi Rekasaya Surya”, Jakarta, PT. Pradnya Paramita. Bernard D. Wood, 1998, Edisi Kedua, “Penerapan Termodinamika”, Diterjemahkan oleh Zulkifli Harahap, Erlangga, Jakarta. Ernani Sartoni. 1996, Solar Energy “Solar Still Versus Solar Evaparator : Comparatife Study Between Their Thermal Behaviars”, Val. 56. No.2 pp. 199 – 206. Holman J.P, 1993, “Perpindahan Kalor”, Diterjemahkan oleh Ir.E.Jasjfi, M.Sc, Erlangga, Jakarta. Marsal, 2005, “Studi Eksperimental Alat Desalinasi Air Laut Menggunakan kolektor Tipe dua permukaan kaca Miring”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin, Universitas Bung Hatta. Padang. Sujito.2004 “Penelitian Penyerap Surya Untuk Peralatan Desalinasi Air Laut Jenis Solar Still“ , Fakultas Teknik Universitas Brawijaya. Soteris A. Kalogirou, “ Seawater Desalination Using Renewable Energy Sources”, Prongress In Energy And Combustiaon science 31 ( 2005 ) 242 – 281.
-6-
