- Universitas Udayana Repository

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
ANALISA PERFORMANSI DESTILASI AIR LAUT TENAGA SURYA
MENGGUNAKAN PENYERAP RADIASI SURYA TIPE
BERGELOMBANG YANG BERBAHAN DASAR
CAMPURAN SEMEN DENGAN PASIR
Ketut Astawa1), Made Sucipta2), I Gusti Ngurah Suryana3)
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana-Badung, Indonesia (80364)
e-mail: [email protected]
Abstrak
Air merupakan kebutuhan yang paling penting dalam kehidupan manusia terutama air tawar
yang bersih dan sehat. Kekurangan akan air bersih banyak menimpa masyarakat yang tinggal
di daerah pesisir pantai. Sebagian besar sumber air yang didapat merupakan air laut.
Sehingga untuk mendapatkan air bersih perlu adanya pemrosesan atau pengolahan air laut
menjadi air tawar dan air bersih. Pada sistem destilasi air laut tenaga surya ini, plat penyerap
sangat berperan penting karena berfungsi sebagai penyerap sinar radiasi matahari dan
mengkonversikannya menjadi energi panas. Pada penelitian ini akan dibuat suatu rancang
bangun destilasi air laut tenaga surya menggunakan penyerap tipe bergelombang dan
penyerap tipe datar sebagai pembandingnya dengan dimensi 1m x 1m. Mengingat didalam air
laut terdapat kandungan garam yang mempunyai sifat korosi, maka bahan penyerap yang
akan digunakan pada penelitian ini terbuat dari campuran semen dengan pasir, dengan tujuan
untuk menghindari terjadinya korosi pada penyerap sehingga bisa digunakan dalam jangka
waktu yang cukup lama. Pengujian dilakukan dari pukul 09.00 wita sampai dengan pukul
17.00 wita. Hasil pengujian menunjukkan penyerap radiasi tipe bergelombang lebih banyak
menghasilkan kondensat yaitu sebesar 1250 ml, dengan efisiensi destilasi tertinggi yaitu
mencapai 13,91%. Sedangkan penyerap radiasi tipe datar hanya bisa menghasilkan s ebesar
795 ml dengan efisiensi destilasi tertinggi mencapai 9,86%.
Kata kunci : Destilasi, Tenaga Surya, Penyerap Radiasi Tipe Gelombang
1. Pendahuluan
Air merupakan sumber kehidupan. Air merupakan kebutuhan yang paling penting
dalam kehidupan manusia terutama air tawar yang bersih dan sehat. Kesulitan
mendapatkan air bersih dan layak pakai menjadi permasalahan yang mulai muncul
dibanyak tempat yang salah satunya menimpa masyarakat yang tinggal di daerah pesisir
pantai dimana sumber air yang tersedia adalah keebanyakan air laut. Sehingga untuk
mendapatkan air bersih dari sumber air laut yang tersedia perlu adanya pemrosesan atau
pengolahan air laut menjadi air tawar dan air bersih, yang salah satunya adalah dengan cara
distilasi. Distilasi pada prinsipnya adalah merupakan cara untuk mendapatkan air bersih
melalui proses penyulingan air kotor. Pada proses penyulingan terdapat proses perpindahan
panas, penguapan, dan pengembunan.
Sumber energy yang dipergunakan dalam proses distilasi air laut ini adalah energy
matahari. Pada sistem destilasi air laut tenaga surya, plat penyerap sangat berperan penting
karena berfungsi sebagai penyerap intensitas radiasi matahari dan mengkonversikannya
menjadi energi panas. Fluida yang digunakan dalam penelitian ini adalah air laut, maka
bahan dasar dari plat penyerap radiasi yang digunakan berupa campuran semen dengan
pasir guna menghindari adanya korosi pada plat penyerap. Pada umumnya plat penyerap
radiasi yang digunakan berupa plat tipe datar. Pada proses distilasi ini buat suatu rancang
bangun destilasi air laut tenaga surya yang menggunakan penyerap radiasi surya tipe
bergelombang yang dibandingkan dengan penyerap radiasi tipe datar. Luas bidang
penyerapan panas plat penyerap tipe bergelombang ini lebih besar dari pada luas
penyerapan panas plat tipe datar, sehingga performansi dari destilasi air laut tenaga surya
ini diharapkan lebih maksimal.
TM-42 | 263
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
2. Landasan Teori
2.1 Destilasi Tenaga Surya
Teknologi penyulingan air untuk mendapatkan air tawar dari air kotor atau air laut
intinya adalah menguapkan air laut dengan cara dipanaskan, yang kemudian uap air
tersebut diembunkan sehingga didapatkan air tawar. Sumber panas yang dipergunakan
berasal dari energi yang beragam yaitu: minyak, gas, listrik, surya/matahari, dan lainnya.
(Sugeng Abdullah, 2005).
Radiasi
Matahari
Input Air Laut
Sistem Destilasi
Output Air Bersih
Gambar 2.1. Proses Kerja Destilasi Tenaga Surya
2.2 Kesetimbangan Energi
Efisiensi alat destilasi air
energi panas yang dihasilkan oleh
yang digunakan dalam proses
pengembunan. Untuk mengetahui
pada alat destilasi.
IT
Pantulan
merupakan perbandingan dari energi berguna dengan
plat penyerap. Energi berguna merupakan energi panas
penguapan dan energi panas yang digunakan saat
efisiensi alat destilasi kita tinjau kesetimbangan energi
qr,o
Tc
qc,o
Tsv
Ta
qc,1
qc,w
qr,1
Tw
Tp
qk
Gambar 2.2. Diagram aliran energi
Keterangan gambar:
IT = Intensitas matahari (W/m 2 ).
qr,1 = Laju perpindahan panas radiasi dari kolektor kepermukaan dalam kaca (Watt).
qc,1 = Laju perpindahan panas konveksi dari uap air kepermukaan dalam kaca (Watt).
qc,w = Laju perpindahan panas konveksi dari air ke uap air (Watt).
qk = Laju perpindahan panas konduksi dari kolektor kedinding luar (Watt).
qr,o = Laju perpindahan panas radiasi dari kaca ke lingkungan (Watt).
qc,o = Laju perpindahan panas konveksi dari permukaan kaca ke lingkungan (Watt).
Ta = Temperatur lingkungan (o C).
Tw = Temperatur air (o C).
Tc = Temperatur permukaan kaca (o C).
TM-42 | 264
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Tsv = Temperatur uap air (o C).
Tp = Temperatur plat penyerap (o C).
Kesetimbangan energi dari sistem adalah sebagai berikut:
qc,w + qr,1 + qc,1 + (α .IT .Ac) + (α .IT ) = qk + qc,o + qr,o
(1)
2.3 Energi Berguna
Energi berguna merupakan energi panas yang dihasilkan plat penyerap radiasi untuk
memanaskan air laut yang berada di atasnya selama proses. Besarnya energi berguna dapat
digunakan persamaan sebagai berikut:
Q u = Qin - Qout
Q u = (α .IT .Ac .τ) – [UL .Ac .(Tp – Ta)]
(2)
dimana:
IT = Intensitas matahari (W/m2 )
Ac = Luas plat penyerap (m2 )
α = Koefisien absorptivitas plat penyerap
τ = Koefisien transmisivitas cover / kaca
UL = Koefisien kerugian panas total (W/m2 .o C)
Tp = Temperatur plat penyerap (o C)
Ta = Temperatur lingkungan (o C)
2.4 Energi Berguna Destilasi
Energi berguna destilasi merupakan energi yang dibutuhkan untuk penguapan air
laut yang menjadi produk air bersih selama proses. Untuk persamaan energi berguna
destilasi dapat dilihat sebagai berikut:
mk  h fg
Qu d 
(3)
t
dimana:
mk = produk air bersih per hari (kg)
hfg = panas laten penguapan (kJ/kg)
t
= lama pengujian (s)
2.5 Efisiensi Alat Destilasi
Efisiensi alat destilasi merupakan perbandingan energi panas untuk menguapkan air
laut yang menjadi produk air bersih terhadap besar radiasi matahari yang diterima oleh alat
destilasi melalui plat penyerap radiasi matahari dalam selang waktu tertentu. Untuk
perhitungan efisiensi alat destilasi air laut tenaga surya dapat digunakan persamaan:
m h
 d  k fg 100 0 0 .
( 4)
Ac  I T  t
dimana:
mk = total massa air kondensat (kg)
hfg = panas laten penguapan (kJ/kg)
Ac = luas plat penyerap (m2 )
IT = intensitas radiasi matahari (W/m2 )
t
= lama waktu pengujian (s)
2.6 Koefisien Kerugian Panas Total
Proses perpindahan panas tidak semuanya dapat diubah menjadi energi lain, dan
pada kolektor surya terjadi kerugian panas. Kerugian panas ini terjadi pada bagian atas,
TM-42 | 265
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
bagian bawah, dan bagian samping. Pada umumnya kerugian panas bagian samping
diabaikan karena luasan kontak perpindahan panas dari plat penyerap ke samping sangat
kecil dibandingkan dengan luasan plat penyerap pada bagian atas/bawah.
Untuk koefisien kerugian panas total dapat ditulis sebagai berikut:
UL = Ut + Ub
(5)
dimana:
UL = koefisien kerugian panas total (W/m2 .0 C)
Ut = koefisien kerugian panas bagian atas (W/m2 .0 C)
Ub = koefisien kerugian panas bagian bawah (W/m2 .0 C)
3 Metode Penelitian
3.1 Rancangan Penelitian
Metode yang digunakan dalam pengujian ini adalah pengujian eksperimental
terhadap rancang bangun destilasi air laut tenaga surya untuk mendapatkan perbandingan
unjuk kerjanya apabila menggunakan plat penyerap tipe datar dan menggunakan plat
penyerap tipe bergelombang seperti yang terlihat pada gambar 3.1 dan gambar 3.2. Prinsip
kerja alat destilasi air laut tenaga surya ini adalah air laut yang berada dalam reservoir akan
dialirkan menuju basin (penampung air di dalam alat destilasi) melalui pipa penghubung.
Air laut yang berada dalam basin akan dipanaskan oleh radiasi matahari melalui media plat
penyerap yang berada pada dasar basin. Air laut akan mengalami penguapan dan kemudian
akan mengalami pengembunan pada kaca penutup bagian bawah. Hasil pengembunan
berupa kondensat akan mengalir mengikuti kemiringan kaca penutup dan masuk ke kanal
(saluran kondensat) yang selanjutnya akan ditampung dalam penampung air bersih.
Gambar 3.1. Alat destilasi air laut tenaga surya
menggunakan plat penyerap radiasi tipe datar
Gambar 3.2. Alat destilasi air laut tenaga surya
menggunakan plat penyerap radiasi tipe
bergelombang
Keterangan Gambar:
1. Kaca penutup
2. Plat penyerap
3. Gelas Ukur
4. Kanal
5. Keran/katup
6. Pipa
7. Reservoir Air Laut
8. Isolasi
9. Basin
TM-42 | 266
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
3.2 Diagram Alir Prosedur Penelitian
MULAI
Persiapan Alat Pengujian
Pelaksanaan Pengujian
Data
Tc, Tsv, Tw, Tp, Ta, Tk, mk, I T
Menghitung Energi Masuk Kolektor
(Qin)
Menghitung Energi Berguna Kolektor
(Qu)
Menghitung Energi Berguna Destilasi
(Qu-d)
Menghitung Efisiensi Alat Destilasi
ηd
Plot Grafik, Analisa Grafik
Hasil dan Kesimpulan
SELESAI
Gambar 3.3. Diagram alir penelitian
4 Hasil dan Analisa
Dari pengujian yang telah dilakukan, maka didapat data-data hasil pengujian dari
alat destilasi air laut tenaga surya menggunakan penyerap radiasi surya tipe bergelombang
dan tipe datar sebagai pembandingnya, seperti yang ditunjukan tabel di bawah.
Tabel 4.1. Hasil Pengujian Tipe Datar
Jenis Plat: Datar
Waktu
Tc
No
(Wita)
(0 C)
1
09.00
43
2
09.30
45
3
10.00
45
4
10.30
38
5
11.00
50
6
11.30
48
7
12.00
51
8
12.30
49
9
13.00
51
Tsv
(0 C)
35
38
37
37
39
41
43
39
47
Tw
(0 C)
28
30
31
32
34
38
41
42
46
Tp
(0 C)
39
34
31
30
36
39
42
45
47
Ta
(0 C)
33
35
33
32
34
34
35
30
30
Tk
(0 C)
0
0
0
0
34
34
34
31
30
mk
(g)
0
0
0
0
5
10
20
60
15
mk
(g)
0
0
0
0
5
15
35
95
110
IT
(mV)
8,3
7,8
7,8
12,3
12,0
13,3
13,5
12,7
12,2
Keterangan
Cuaca
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
TM-42 | 267
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Jenis Plat: Datar
Waktu
Tc
No
(Wita)
(0 C)
10
13.30
53
11
14.00
50
12
14.30
52
13
15.00
45
14
15.30
43
15
16.00
38
16
16.30
37
17
17.00
34
Tsv
(0 C)
49
48
50
47
47
47
45
42
Tw
(0 C)
48
51
52
49
47
46
44
42
Tp
(0 C)
48
48
49
45
43
43
42
36
Ta
(0 C)
32
35
35
30
30
28
27
27
Tk
(0 C)
29
32
31
29
29
29
29
29
mk
(g)
65
50
85
70
65
40
75
50
mk
(g)
175
225
310
380
445
485
560
610
IT
(mV)
11,4
10,6
10,2
8,2
7,2
6,0
4,3
3,3
Keterangan
Cuaca
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Tabel 4.2. Data Hasil Pengujian Tipe Gelombang
Jenis Plat: Gelombang
Waktu
Tc
No
(Wita)
(0 C)
1
09.00
36
2
09.30
40
3
10.00
36
4
10.30
39
5
11.00
44
6
11.30
43
7
12.00
44
8
12.30
39
9
13.00
45
10
13.30
49
11
14.00
50
12
14.30
49
13
15.00
45
14
15.30
43
15
16.00
37
16
16.30
34
17
17.00
34
Tsv
(0 C)
37
35
32
32
40
38
40
40
35
40
43
43
39
37
36
35
35
Tw
(0 C)
30
33
33
37
41
42
44
43
45
51
54
56
48
45
44
43
43
Tp
(0 C)
37
35
33
36
42
43
46
46
47
52
55
57
53
45
44
44
40
Ta
(0 C)
33
35
33
32
34
34
35
30
30
32
35
35
30
30
28
27
27
Tk
(0 C)
0
0
0
0
35
34
34
31
30
29
32
31
29
29
29
29
29
mk
(g)
0
0
0
0
30
10
50
60
80
65
75
130
105
130
105
130
95
mk
(g)
0
0
0
0
30
40
90
150
230
295
370
500
605
735
840
970
1065
IT
(mV)
8,3
7,8
7,8
12,3
12,0
13,3
13,5
12,7
12,2
11,4
10,6
10,2
8,2
7,2
6,0
4,3
3,3
Keterangan
Cuaca
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
Cerah
1200
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
800
600
400
200
17.00
16.30
16.00
15.30
15.00
14.30
14.00
13.30
13.00
12.30
12.00
11.30
11.00
10.30
10.00
09.30
0
09.00
Qu (Watt)
1000
Intensitas Radiasi Matahari
(W/m2)
Dengan menggunakan persamaan-persamaan yang dijelaskan pada landasan teori
maka hasil perhitungannya dapat dibuatkan grafik seperti dibawah ini:
Waktu (Wita)
Qu Plat Datar
Qu Plat Gelombang
IT
Gambar 4.1. Garfik Perbandingan Energi Berguna Pada Kolektor
Terhadap Intensitas Radiasi Matahari
TM-42 | 268
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1200
1000
800
600
400
200
0
Intensitas Radiasi Matahari
(W/m2)
Qu-d (Watt)
Dari grafik energi berguna (Q u) tersebut terlihat bahwa energi berguna pada plat
gelombang lebih besar dibandingkan dengan plat datar. Itu disebabkan karena pengaruh
dari energi yang masuk ke kolektor. Dari teori menyatakan bahwa dalam energi masuk
kolektor terdapat fungsi dari luasan plat penyerap yang dimana dalam pengujian ini luasan
plat penyerap pada tipe gelombang lebih besar dibandingkan dengan luasan plat penyerap
pada tipe datar. Jadi dengan semakin luas plat penyerap maka energi berguna juga semakin
besar. Selain itu, intensitas radiasi matahari juga mempengaruhi energi berguna pada
kolektor.
Waktu (Wita)
Qu-d Plat Datar
Qu-d Plat Gelombang
IT
Gambar 4.2. Garfik Perbandingan Energi Berguna Destilasi
Terhadap Intensitas Radiasi Matahari
Dari grafik energi berguna destilasi (Q u-d) yang ditunjukan dalam gambar 4.8
sampai gambar 4.10 diatas, terlihat energi berguna destilasi pada plat penyerap tipe
gelombang lebih besar. Pada saat intensitas radiasi matahari menurun maka energi berguna
pada destilasi mulai meningkat. Itu disebabkan pada saat intensitas menurun menyebabkan
proses pengembunan menjadi cepat sehingga massa air kondensat yang dihasilkan pun
menjadi besar.
12,55
Efisiensi Destilasi (% )
14
12
8,48
10
Plat Datar
Plat Gelombang
8
6
4
2
0
Gambar 4.3. Grafik Perbandingan Efisiensi Destilasi
TM-42 | 269
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Efisiensi destilasi (ηd) merupakan kemampuan alat destilasi untuk menghasilkan
produk destilasi yang berupa kondensat. Dari gambar 4.3 diatas terlihat efisiensi destilasi
yang menggunakan plat penyerap tipe gelombang lebih besar, karena hasil produksi yang
berupa kondensat pada plat penyerap tipe gelombang lebih banyak dibandingkan dengan
tipe datar. Dengan intensitas radiasi matahari yang besar, maka uap air yang dihasilkan
juga meningkat. Dengan meningkatnya intensitas radiasi matahari tersebut maka
temperatur cover juga meningkat, sehingga proses pengembunan tidak dapat berjalan
dengan baik karena pengembunan memerlukan media permukaan dengan temperatur ideal.
Pada saat hari semakin sore dimana intensitas radiasi juga menurun akan menyebabkan
temperatur cover juga menurun sehingga proses pengembunan pada saat itu juga
meningkat.
5 Kesimpulan
Dari hasil pengujian terhadap performansi destilasi air laut yang menggunakan
kolektor surya tipe datar dan tipe bergelombang yang terbuat dari bahan campuran semen
dan pasir dapat disimpulkan bahwa performansi destilasi air laut yang menggunakan tipe
gelombang lebih tinggi dari tipe datar. Efisiensi destilasi pada plat penyerap tipe
gelombang mencapai 12,55 %, dengan rata-rata produktivitas air tawar mencapai 1173
gram. Sedangkan pada plat penyerap tipe datar efisiensi destilasi mencapai 8,48 %, dengan
rata-rata produktivitas air tawar mencapai 665 gram.
Daftar Pustaka
1. Abdullah, Sugeng.(2005).Pemanfaatan Destilator Tenaga Surya (Solar Energy)
Untuk Memproduksi Air Tawar Dari Air Laut, Laporan Penelitian Sekolah
Pascasarjana Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.
2. Duffie and all. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons,
Inc, United State of America.
3. Holman, J. P. alih bahasa oleh Ir. E. Jasjfi M. Sc.(1997). Perpindahan Kalor,
Erlangga, Jakarta.
4. Ismail, Nova R. (2010). Pengaruh Bentuk Cover Terhadap Produktivitas Dan
Efisiensi Solar Still. Jurnal Teknologi Universitas Widyagama Malang Vol.3 No.1.
P.70-74.
5. Jansen, T. J. alih bahasa oleh Prof. Wiranto Arismunandar. (1995). Teknologi
Rekayasa Surya. PT. Pradnya Paramita, Jakarta.
6. Mulyanef., Marsal., Arman R., Sopian K. (2006). Sistem Destilasi Air Laut Tenaga
Surya Menggunakan Kolektor Plat Datar Dengan Tipe Kaca Penutup Miring.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta Padang.
TM-42 | 270