JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
1
Studi Eksperimental Rancang Bangun Sistem Desalinasi Tenaga Surya Menggunakan Solar Reflector untuk Produksi Brine pada 25o Be Ardhila Chadarisman, Ridho Hantoro, Sarwono Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Telah dilakukan penelitian desalinasi tenaga surya untuk mempercepat penguapan air laut sehingga memperoleh brine dengan kepekatan 25oBe. Penelitian dilakukan dengan menggunakan plant desalinasi tenaga surya tipe batch evaporation menggunakan solar reflector yang berfungsi memantulkan sinar matahari pada plant untuk meningkatkan suhu pada basin. Sudut atap dirancang 60o dan menggunakan 3 variasi yaitu tanpa bukaan, 0.5 cm bukaan dan 1 cm bukaan. Suhu pelat absorber terbesar berada pada variasi tanpa bukaan sebesar 72oC. Hasil perhitungan perpindahan panas konveksi, radiasi, dan konduksi pada plant desalinsi menghasilkan laju penguapan pada variasi tanpa bukaan ,variasi bukaan 0.5 cm dan variasi bukaan 1 cm sebesar 0.000742 kg/s ; 0.000523 kg/s ; dan 0.000432 kg/s. hasil konsentrat brine memiliki nilai ekonomis lebih besar dari pada garam, 200ml konsentrat brine bernilai Rp. 94.050,-
mulai
Study Literatur
Penentuan geometri prototipe desalinasi
Tidak
sesuai Ya
Pengumpulan komponen dan alat
Fabrikasi alat desalinasi
Pemasangan dan pengujian
Kata Kunci— desalinasi, tenaga surya, brine, solar reflector I. PENDAHULUAN
K
EHIDUPAN masyarakat di daerah pesisir tidak lepas dari air laut dan berbagai potensi yang ada di sekitar pesisir. Indonesia yang merupakan wilayah kepulauan terbesar di dunia dengan luas wilayah 5.193.252 km2 dan dua per tiga wilayahnya merupakan lautan, yaitu sekitar 3.288.683 km2. Air laut umumnya diolah menjadi garam, padahal pada air laut terdapat garam mineral yang sangat berharga, seperti magnesium, natrium, khlorida, dll. Kebutuhan magnesium manusia sebanyak 360-420 mg/hari sedangkan yang mampu dipasok oleh sayur dan buah buahan perhari antara 250280mg/hari. Magnesium pada air laut dapat diolah dengan menguapkan H2O sehingga kadar kepekatan meningkat hingga 25oBe. Pada kepekatan ini air laut akan memiliki kepekatan tinggi dan dapat diolah menjadi air tua (brine) yang kadar magnesiumnya tinggi.
Pengambilan data
Analisis dan Pembahasan
Penyusunan laporan akhir
selesai
Gambar 1. flow chart penelitian Pengambilan data dilakukan selama 8 hari dengan 4 variabel, yaitu variable tanpa bukaan, 0.5 cm bukaan, 1 cm bukaan dan penguapan konvensional. Pengambilan data terdiri dari data suhu dan data intensitas matahari Pengambilan data dilakukan dengan menjemur plant desalinasi dengan kapasitas air 20 liter. Data suhu yang diambil pada plant desalinasi meliputi suhu ruangan, suhu pelat absorber, suhu kaca, suhu lingkungan, dan suhu air. Pengaruh suhu pada plant desalinasi digunakan untuk menghitung perpindahan panas secara total.
II. METODOLOGI PENELITIAN Bab ini berisi tentang perancangan pada penelitian tugas akhir. Sebelum memulai perancangan, pemodelan, dan simulasi maka dibawah ini adalah gambar diagram algoritma pengerjaan tugas akhir. Untuk mencapi tujuan yang telah dibuat maka diperlukan sebuah metodologi penelitian yang merupakan langkah-langkah penyelesaian dari tugas akhir ini. Adapun tahapan tersebut adalah sebagai berikut
2.1 Pengolahan data Radiasi surya dari maahari akan meningkatkan suhu dalam plant. Perpindahan panas radiasi terjadi dari air yang bersentuhan dengan kaca bagian dalam (qr,1), panas konveksi dari permukaan air ke permukaan dalam kaca (qc,1), laju perpindahan panas konveksi air (qc,w), panas konveksid ari
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
H=KA
Konveksi
∆t ∆x
𝐻 = ℎ 𝐴 ∆𝑡
Radiasi
E2 = e2 𝜎0 (𝑇14 − 𝑇24 )
Dimana konstanta boltzman 𝜎 sebesar 5.67 x 10-8 2 4 W/m K dan e (emmisifitas) benda hitam adalah 1, sedangkan h (konduktifitas thermal) pada kaca sebesar 0.75 W/m2K. setelah didapatkan nilai perpindahan panas pada masing masing komponen dilakukan perhitungan laju. Perhitungan Laju penguapan berdasarkan jumlah kalor yang diserap di tiap kondisi dapat di prediksi menggunakan persamaan Seperti berikut . 𝑚
𝑞 = ℎ𝑓𝑔
60 50 40 30 20 10 0 09.00-10.00 10.00-11.00 11.00-12.00 12.00-13.00 13.00-14.00 14.00-15.00 15.00-16.00 Jam T absorber T lingkungan T air T pelat T ruang
Gambar 3. Grafik perubahan panas dengan variasi 0.5 cm bukaan hari pertama 60
Dengan m adalah laju penguapan (Kg/s) dan q adalah total panas yang masuk (joule/s) dan hfg adalah enthalpy penguapan (Kj/Kg) pada tabel thermodinamika.
50
Suhu (C)
Konduksi
desalinasi. Kaca transparan mampu mentransmisikan panjang gelombang sinar matahari antara 0.32 – 0.2 µm dari total panjang gelombang sinar matahari 0.15-4 µm. Ketika melewati kaca transparan sinar matahari berubah dari 0.154 µm menjadi 3-80 µm sehingga panjang gelombang terperangkap dalam plant desalinasi dan terjadi efek rumah kaca. Terperangkapnya panjang gelombang matahari tersebut menyebabkan adanya akumulasi energi panas yang menyebabkan peningkatan suhu di dalam plant dari pada suhu lingkungan.
Suhu (C)
kolektor ke dinding luar (qk), panas radiasi yang hilang dari dari kaca (qr,0), dan panas konveksi dari kaca ke udara (qc,0)
2
40 30 20 10 0
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
80 70 60 50 40 30 20 10 0 09.00-10.0010.00-11.0011.00-12.0012.00-13.0013.00-14.0014.00-15.0015.00-16.00 Jam T air
Gambar 2,
T pelat
T ruang
T absorber
T lingkungan
Grafik perubahan panas dengan variasi tanpa bukaan hari pertama
Temperature pada plant desalinasi, baik itu berupa suhu kaca, ruangan, absorber, suhu air meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas matahari. Suhu di dalam ruangan lebih besar daripada suhu lingkungan, hal ini disebabkan oleh adanya transmisi panas dan terperangkap di dalam plant
T air
T pelat
T ruang
T absorber
T lingkungan
Gambar 4. Grafik perubahan panas dengan variasi 1 cm bukaan hari pertama Proses penguapan pada plant desalinasi jauh berbeda dengan penguapan yang terjadi secara konvensional. Gambar 6 menunjukkan suhu pada air dan tanah (sebagai absorber) relative sama selama penyinaran. Suhu pada tanah relative sama dengan suhu pada air, dari air terjadi proses penguapan secara konveksi ke udara sehingga air menguap.
Suhu (C)
Suhu (C)
Hasil Uji Coba Lapangan Parameter yang diperhatikan dalam hasil uji coba lapangan kali ini yaitu suhu kaca, suhu air, suhu di dalam ruangan serta suhu lingkungan. Dengan adanya perbedaan suhu tersebut terjadi penguapan serta kondensasi dalam alat desalinasi untuk mendapatkan bittern dengan kepekatan 25 Be Pada gambar 4.1 menunjukkan grafik perubahan suhu selama 7 jam dengan variasi tanpa bukaan.
09.00-10.0010.00-11.0011.00-12.0012.00-13.0013.00-14.0014.00-15.0015.00-16.00 Jam
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 09.00-10.0010.00-11.0011.00-12.0012.00-13.0013.00-14.0014.00-15.0015.00-16.00 Jam T air T tanah T lingkungan
Gambar
5.
Grafik perubahan panas pada penguapan konvensional dengan luasan 0.6 m2 hari pertama
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
3
2000 1800
50
1600 1400
40
1200 30
1000 800
20
600 400
10
nilai kalor konduksi (watt)
nilai kalor konveksi, radiasi (watt)
60
2.25
2.5 1.75
2
1.2
1.5
0.9 1
0.5
0 1
Bukaan 0.5
Bukaan 1 cm
konvensional
variasi qr,1
qc,1
qc,w
qr,0
qc,0
Qk
ta npa bukaan
qc,1 qc,w qk qr,o qc,o
Laju Penguapan Dari hasil eksperimen didapatkan hasil penguapan setiap hari pada plant desalinasi . Rata rata penguapan perhari sebesar 1.9 liter per hari. Air tawar yang dihasilkan adalah uap air yang terkondensasi di atap plant desalinasi, sedangkan pada variasi bukaan digunakan penghitungan terhadap volume awal dan volume akhir air laut ketika dilakukan pengambilan data. Ekperimen menunjukkan bahwa bukaan pada plant desalinasi mempengaruhi jumlah air yang diuapkan. Namun berdasarkan perhitungan perpindahan panas, seharusnya penguapan dengan variasi tanpa bukaan lebih cepat.
buka a n 1 cm
konvensiona l
Semakin tinggi suhu suatu zat cair maka pergerakan molekul di dalamnya akan semakin cepat hingga terjadi tumbukan antar molekul yang akan menyebabkan semakin cepatnya proses perpindahan massa dari cairan ke gas (penguapan). Proses pengembunan dipengaruhi oleh suhu kaca penutup ruang evaporasi. Uap yang terbentuk akan diubah menjadi bentuk cair apabila mengenai benda yang suhunya lebih rendah (kaca penutup). dari hasil perhitungan perpidahan panas didapatkan hasil seperti pada tabel 1. Perpindahan panas total pada plant desalinasi dapat digunakan untuk menghitung laju penguapan. Tabel 1 Perpindahan panas tiap keadaan Perpi ndahan panas
qc,1
= Laju perpindahan panas radiasi dari air kolektor kepermukaan dalamkaca = Laju perpindahan panas konveksi dari uap air kepermukaan dalam kaca = Laju perpindahan panas konveksi dari air = Laju perpindahan panas konduksi dari kolektor kedinding luar = Laju perpindahan panas radiasi yang hilang dari kaca = Laju perpindahan panas konveksi dari kaca keudara
buka a n 0.5 cm
Gambar 6. Penguapan perhari pada tiap variasi bukaan
qr,1
Keterangan: qr,1
2 Hari
0 Tanpa bukaan
1.7
1.5
200 0
2.3
1.95
Jumlah air yang diuapkan (L)
Perpindahan Panas pada Plant Desalinasi Perpindahan panas meliputi radiasi, konduksi dan konveksi. Perpindahan panas dipengaruhi oleh suhu setiap komponen di plant desalinasi meliputi pelat absorber, air, kaca, ruangan, dan suhu lingkungan. Pada perpindahan panas dalam plant desalinasi terjadi perpindahan panas secara konduksi pada pelat absorber ke dinding luar, perpindahan panas secara konveksi dari air ke ruang desalinasi, konveksi dari air ke permukaan dalam kaca, radiasi dari absorber ke permukaan dalam kaca, laju radiasi dari kaca yang hilang ke lingkungan dan perpindahan panas konveksi dari kaca ke udara. Dari seluruh perpindahan panas tersebut, perhitungan perpindahan panas pada tiap variasi bukaan 0.5 cm, 1 cm, tanpa bukaan dan penguapan konvensional adalah sebagai berikut
qc,w Qk qr,0 qc,0
Tanpa bukaan
Bukaan 0.5
Bukaan 1 cm
konv ensional
51.551 43 watt 2.3625 watt 2.8928 57 watt 1751.7 86 watt 27.194 52 watt 3.0696 43 watt
30.57491 watt 2.575446 watt 2.925 watt 1237.5 watt 14.60899 watt 1.683482 watt
36.67759 watt 0.265179 watt 3.7125 watt 1020.536 watt 16.91099 watt 1.936607 watt
51.55 143 watt 2.892 857 watt 1751. 786 watt -
Tabel 2 Perpindahan panas total pada plant desalinasi Perpindahan panas Tanpa bukaan Bukaan 0.5 cm Bukaan 1 cm konvensional
Perpindahan panas total (joule/s) 1778.328 1257.283 1042.343 310.603582
Laju penguapan (kg/s) 0.000742 0.000523 0.000432 0.000128
Kesetimbangan energi pada plant desalinasi meliputi kalor masuk (Qin) dan kalor loss (Qloss) menghasilkan kalor yang mempengaruhi perpindahan panas. Laju penguapan di dapatkan dari perbandingan antara kalor masuk dan entalpi penguapan, dapat dilihat pada tabel 2. Pada penguapan konvensional didapatkan laju penguapan sebesar 0.000128 kg/s. Dengan menggunakan plant desalinasi
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4 percepatan penguapan dapat dilakukan dengan efisiensi sebesar 17 %. Kualitas Output Dari hasil analisa laboratorium tentnag kualitas air destilat dan brine didapatkan data seperti pada tabel 4.3 seluruh parameter fisika dan kimia yang terdeteksi di bawah kadar maksimum yang diperbolehkan menurut Kep.Men.Kes. No. 907 Tanggal 29 luli 2002 tentang syarat syarat dan pengawasan kualitas air minum. kandungan mineral tersebut menjadikan kriteria air produk evaporasi merupakan air dengan kualitas low minerals. Tabel 3 Kandungan mineral Kation /anion Na+ ClCa2+
Kandu ngan dalam air destilat 0 0 0
SO42Fe3+ Mg2+ P sbg HPO42CO32-
0 0 -
Cu2+ Zn2+ Mn+ K+
0 0 0
0
Kadar maksimum yang diperbolehkan (mg/L) * 200 250 500 sebagai CaCO3 250 0.3 500 CaCO3 1 3 0.1
sebagai
Kandungan dalam brine (mg/L) ** 28.280 43.600 1.357,14
3428,57
-
*Keputusan Menteri Kesehatan No 907 tanggal 29 Juli 2002 **hasil uji kadar mineral di Laboratorium Kualitas Lingkungan Jurusan Teknik Lingkungan ITS. Kadar magnesium, natrium dan klorida pada pada brine jauh lebih pekat daripada air laut biasa, magnesium mencapai 3.428.57 mg/L, klorida 43.600 mg/L, dan Natrium 28.280 mg/L. IV. KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Berdasarkan analisa data dan pembahasan hasil eksperimen alat desalinasi dengan 3 reflektormaka dapat disimpulkan : • Telah didesain dan dibuat sistem desalinasi tenaga surya dengan soalr reflector yang berfungsi menaikkan suhu pada plant desalinasi • Laju penguapan terbesar adalah pada plant desalinasi dengan variasi tanpa bukaan, lalu varisai bukaan 0.5 cm dan variasi bukaan 1 cm sebesar 0.000742 kg/s ; 0.000523 kg/s ; dan 0.000432 kg/s • Plant desalinasi dengan menggunakan 3 reflektor dapat mencapai kepekatan 25 Be dalam 9 hari secara ekperimen sedangkan dengan penguapan konvensional dibutuhkan waktu 20 hari
4 •
Brine hasil pengolahan air laut memiliki nilai ekonomi lebih tinggi dari pada garam dengan harga konsentrat air tua Rp 94.050,00 per 200 mililiter. Dibandingkan garam Rp 805/kg
Saran Dari hasil penelitian yang telah dilakukan ini maka saran yang dapat diberikan adalah : • Untuk pengembangan alat desalinasi selanjutnya menggunakan material yang tahan korosi • Tinggi bak evaporasi seharusnya disesuaikan dengan kapasitas air agar tidak terjadi kondensasi di pelat vertical plant DAFTAR PUSTAKA [1] Abdu Fadli Assomadi, SSi.,MT., Fajrin Nil Lathif.2009.” Model Alat Desalinasi Dengan Evaporasi Dan Kondensasi Menjadi Satu Sistem Ruangan”. Tugas Akhir. ITS. [2] Syahri. M. 2011. “Rancang Bangun Sistem Desalinasi Energi Surya Menggunakan Absorber Bentuk Separo Elip Melintang”. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan”. ISSN 1693 – 4393 [3] Purwoto, Setyo.,2006. “ Air Siap Minum Hasil Teknologi Flash Evaporation Air Payau oleh Energi Surya dengan Sistem Batch” SAINTEK, Vol. 10, No. 2, Desember 2006: 161-169 [4] Santosa, Irfan., 2010.”pengaruh kemiringan kaca pada alat basin solar still terhadap kapasitas air hasil distilasi” [5] hidayat, Rizki rizaldi, 2011.”rancang bangun pemisah garam dan air tawar dengan menggunakan energi matahari” Tugas Akhir IPB [6] Djunarss, Eka. 2005 “ Sifat Sifat Fisik Air Laut” HidrrogafiGD-3221. Bahan ajar Hidrografi. [7] Eko Susanto,Teknologi Pengolahan Hasil Perikanan Tradisional. universitas diponogoro, Semarang, 2009 [8] H.T. El-Dessouky and H.M. Ettouney, Fundamental of Salt Water Desalination. Elsevier, Netherlands, 2002 [9] Jennifer Stone Gaines and John York, Saltworks. A Journal of the History of Falmouth and Vicinity, Vol. 21, No. 1. Winter, 2007 [10] S.f. Estefan,Controlled Phase Equilibria For The Chemical Utilization Of Sea-Bitterns. Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 1983 [11] A. S. Mehta, n. Patha,ett all. Performance Analysis Of A Bittern-Based Solar Pond. Elsevier. Solar Energy. Vol. 40. No. 5, pp. 469-475, 1988, Bhavnagar, India, 1988 [12] Soteris Kalogirou, Use of parabolic trough solar energy collectors for sea-water desalination.Elsevier, Applied Energy 60 (1998) 65±88, Nicosia, Cyprus, 1998 UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. Indofood Sukses Makmur, Tbk dan yayasan Karya Salemba Empat yang telah memberikan dukungan finansial melalui Program Skripsi Beasiswa KSE ”.
