-
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Dasar Desalinasi
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air
bersih
melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat
berbagai cara yang
sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu : perebusan,
penyaringan,
desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya
untuk mematikan
kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang
berupa padatan-
padatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan
digunakan hanya untuk
menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman
dan bakteri
yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi
merupakan cara yang
efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari
kuman, bakteri,
dan kotoran yang berupa padatan kecil. Proses desalinasi secara
umum biasanya
yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat
garam dibuang
dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut
dkk, 2011).
Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat
sederhana. Air
laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang
dihasilkan
dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air
kondensat tersebut
adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama
pemanasan
adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis
bahas pada
penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum dengan modifikasi
suplai panas
menggunakan elemen pemanas berdaya rendah. Konsep dari sistem
ini adalah
memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk
dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga
dapat
berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit
dibanding dengan
teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat
diambil dari kolektor
surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Namun pada
penelitian ini akan
digunakan elemen pemanas daya rendah agar suplai panas dalam
evaporator
konstan. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan
tekanan atmosfer
digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem
vakum
bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar
pemanasan dapat
-
6
berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer
akan sama
dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang
tingginya sekitar
10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan
ditutup dari bagian
atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat
gravitasi, air akan jatuh
pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum
diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum
natural
adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa
Tube-in-Tube.
Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan
suplai panas
berasal dari pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga
kestabilan suplai
panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang
dihasilkan oleh
pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali
sehingga air
kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk
sistem.
Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat
recovery (pemulih
panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di
ruang evaporator
akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan
pipa dalam yang
sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Alasan penggunaan
sistem
desalinasi vakum natural dalam penelitian ini adalah karena
penggunaan daya
listriknya yang rendah, cocok untuk pemakaian skala besar
terutama di pesisir
pantai, dan keunikan sistemnya yang tidak membutuhkan pompa
vakum untuk
menyuplai air laut ke evaporator yang tingginya 10m. Gambar 2.1
menunjukkan
desalinasi sistem vakum. Adapun kelebihan dan kelemahan dari
sistem desalinasi
vakum natural sebagai berikut.
Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk penyuplaian air laut
2. Biaya konstruksi termurah diantara semua jenis desalinasi
tenaga surya
3. Pemanasan dapat menggunakan suplai panas rendah karena sistem
dalam
keadaan vakum
-
7
Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan
dengan
ketinggian
2. Hanya cocok untuk pemakaian skala besar (untuk luas alas
evaporator
yang besar)
3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime
sistem
Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem
desalinasi
bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis
lain beserta prinsip
kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab
berikutnya.
10,34 m
C o n d e n s e r
Evaporator
Saline Water Tank
SalineWater
Brine Condensate
Heater
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural
2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi
2.2.1 Solar Still
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh
air laut hingga
pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan
sebagai tempat
masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi
surya memasuki
bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam
yang
mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi,
karena perbedaan
tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi
sepanjang kaca
penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang
berada tepat
-
8
dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2
menunjukkan sistem
solar still sederhana.
Kelebihan menggunakan Solar Still :
1. Konstruksi yang sederhana
2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondensasi
terjadi pada
kaca
3. Mudah dalam perawatannya
Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat langsung
jatuh
kembali dan bercampur dengan air laut yang belum
berevaporasi
3. Proses evaporasi lambat karena air laut dipanaskan pada
tekanan atmosfer
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana
2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification
adalah uap
saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin
banyak dengan
meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal
sebelum
disemprotkan ke dalam evaporator. Pemanasan terjadi pada dua
fluida, yakni air
laut dan angin. Pemanasan pada angin bertujuan untuk
disirkulasikan ke dalam
ruang evaporator - kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem
ini, udara panas
membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang
berada tepat di
Sea
Water
Tank
Basin
Brine TankFresh Water Tank
Solar Radiation
Glass
SUN
-
9
sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang
tidak berevaporasi
akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam
(Parekh dkk,
2004). Gambar 2.3 menunjukkan sistem desalinasi surya
humidifikasi –
dehumidifikasi.
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi :
1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah
3. Konsentrat garam yang masih mengandung air dapat diproses
ulang
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi :
1. Konstruksi yang kompleks
2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke
tempat
penampungan dapat menimbulkan percikan air sehingga
memungkinkan
terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak
baik
3. Meskipun menggunakan energi surya sebagai sumber pemanas,
sistem
masih menggunakan energi listrik untuk mensirkulasikan udara dan
air
laut
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi –
Dehumidifikasi
Hot Air
Evaporator
Air in
Solar Air Heater
BlowerHot Air Inlet
Brine Out
Brine Storage Tank
Solar Water Heater
Preheated Sea WaterHot Sea Water
Distillate TankBrine Recycle
Pump
Dehumidified Air Outlet
Saline Water
Tank
Sea Water In
Condenser
-
10
2.2.3 Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi
kinetik
yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan
menggunakan turbo-
generator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah
diameter
kolektor surya yang besar, turbin, generator dan cerobong
(chimney) yang tinggi.
Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang
berperan sebagai
rumah kaca akan menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada
ruang
dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara
udara lingkungan
dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir
melalui
cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan
turbin yang
dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi,
2012)
Kelebihan sistem desalinasi solar chimney :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih
3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah
Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :
1. Konstruksi sistem kompleks
2. Biaya turbin dan kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan
kolektor
yang sangat besar
3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air
Laut
Condensate Tank
Condensate
Pump
Condenser
Air InSea Water
Air InSea Water
Transparent Plastic or
Glass Cover
SUN
Chimney
Humid Hot Air
Wind Turbine
Solar RadiationSolar Radiation
-
11
2.2.4. Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut
pengumpan
dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat
garam dan
mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah
yang
dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam
yang
dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk
berubah fasa pada
tingkat berikutnya dan uap dibentuk di setiap tingkat
dikondensasikan dengan
menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan
terlebih dahulu
(Manjarrez dkk, 1979)
Kelebihan solar multi stage flash desalination :
1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi
2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi
panas dari
kolektor surya
3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi
panas
selama 24 jam
Kelemahan solar multi stage flash desalination :
1. Konstruksi sistem yang kompleks
2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energy Storage) dan pompa
vakum
mahal
3. Perawatan sulit dan mahal
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash
Brine
Saline Water Tank
Saline Water
Destilate
TankPump
Condenser
Preheated
Feed Water
Solar Field
Thermal Energy Storage
Heat Transfer Field
Thermic Fluid
Boiler
Vacum Pump
-
12
2.2.5. Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana
secara
umum disebut efek yang dipertahankan pada tekanan rendah dengan
pompa
vakum. Panas yang dibutuhkan untuk mengevaporasi air laut pada
efek pertama
disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran
bahan bakar fosil
dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut
pengumpan pada
efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air
pada efek
sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada
MED (Mezher
dkk, 2011)
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak
ada
konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan solar multi effect distillation :
1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada
pasaran
pompa vakum sangat mahal
2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem
3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation
To Vacuum To Vacuum To Vacuum
Preheated Feed Water
Saline Water Tank
Destillste Tank
Destillate
Pump
Condenser
Brine
Solar Cell
Hot Thermic Fluid
-
13
2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Kompresi Uap, air laut pengumpan dipanaskan
oleh
sumber panas eksternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga
uap yang
diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor
Compressor (MVC)
atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan
kondensasi
dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk
memanaskan air
pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal
dkk, 2006)
Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga
perawatannya lebih
mudah
2. Konstruksi sistem yang sederhana
3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di
kondensor
Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Komponen sistem yakni pompa dan kompresor mahal
2. Masih menggunakan enegi listrik yang tidak sedikit
3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih untuk skala
kecil
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik
Condenser
Destillate Tank Saline Water Tank
Pump
Brine Tank
Brine Out
Compressor
External power
Source
Electic Heater
Hot Saline Water
Heated Vapor
Vapor
-
14
2.2.7 Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut dibiarkan untuk
didinginkan
di bawah titik beku, sehingga kristal es dari air bersih yang
terbentuk di
permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku
kontak lansung,
desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku
operasi vakum (Rane
dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan
refrigeran
(biasanya n-butana) dicampur langsung dengan air laut pengumpan
dalam
pembeku sehingga panas dari air laut akan diserap oleh
refrigeran menghasilkan
pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan
untuk
mendapatkan air bersih dalam bentuk kristal es. Proses
desalinasi beku seperti ini
membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan
ini dengan
kompresor konvensional tidak ekonomis, sehingga dewasa ini
mengarah pada
pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin
hidrolik
tidak menggunakan minyak pelumas karena dapat mengkontaminasi
kristal es.
Ukuran dari alat pencairan dan pembersihan dapat diperkecil
dengan memperkecil
jumlah dalam air sehingga biaya dan ukuran sistem dapat
diperkecil dan dapat
digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami
kelangkaan air bersih
(Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung,
pendingin dan air
laut yang tidak dicampur satu sama lain, mereka dipisahkan dalam
bentuk kristal
oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam
sistem ini
kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk,
2011). Dalam
sistem desalinasi beku vakum, air laut umpan didinginkan di
bawah three point
dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es
dan uap. Es
yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi
dan kondensasi
di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar
karena volume
spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors
compression
freeze desalination.
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Efisiensi sistem desalinasi sangat tinggi
2. Konstruksi mudah
3. Laju Produksi air bersih tinggi
-
15
Kelemahan Freeze Desalination :
1. Sistem masih menggunakan energi listrik
2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi
sistem
mahal
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor
Compression
Heat Pump
2.2.8 Desalinasi Adsorpsi
Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator,
dudukan adsorpsi
(silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai
dengan air panas
atau pendingin sesuai kebutuhan. Air laut yang menguap di
evaporator diserap
oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh
sirkulasi air
pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh
sirkulasi air panas,
uap air terjebak di dalam dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air
panas, uap air yang
telah dipulihkan dikondensasikan dalam kondensor dan hasil
kondensasi
berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua
dudukan, adsorpsi
berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan
lain secara
bersamaan (Wu dkk, 2010)
Fresh Water
Brine Water
Waste
Washing Water Line
Brine
Fresh Water
BA
Evaporator
or CondenserEvaporator or
Condenser
Solar PV or Thermal
Powered Compressor Unit
Solenoid Controlled Valve
Reversing Unit
Throttling Valve
Sea Water Tank Saline Water
-
16
Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi karena melalui
distilasi ganda
3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat
garam
Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan
distilasi ganda
2. Perawatan sistem sulit
3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk
mensirkulasikan air
dingin dan air panas
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi
2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya
Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi
mekanik
yang dihasilkan oleh aliran fluida organik secara langsung
digunakan untuk
menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO
surya thermal
adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan
teknologi RO
akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem
panas
matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga
surya dapat
Brine Tank
Ambient Temperatur Water
Saline Water
V1 V2
Warm Water Out Warm Water Out
Cold water In Hot water In
Adsorption Process
Desorption Process
BED 1 BED 2
V3V4
Chilled Water Warm Water
Desalinated Water
Destillate
Tank
Condenser
Pump
Chilled Water
Evaporator
-
17
memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan
dengan selisih
sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012)
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi
termal
selama 24 jam
2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler
3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai
baik energi
termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem
Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya
boiler dan dua
pompa bertekanan tinggi
2. Perawatan sistem yang sulit
3. Konstruksi kompleks dan mahal
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus
Rankine
Organik Surya
Saline Water Tank
Saline Water
Condenser
Solar Organic
Rankine Cycle
Organic Fluid
Turbine
High Pressure Pump
RO Module
Fresh WaterBrine
Brine Tank Fresh Water
Tank
Heat Transfer Fluid
Thermal
Energy
Storage
Boiler
Solar Field
Thermic Fluid
-
18
2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air
laut dan
unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air
laut dan dipisahkan
oleh membran pertukaran kation dan anion. Ketika polaritas DC
diterapkan
melalui katoda dan anoda, ion negatif melewati membran
pertukaran anion dan
ion positif melewati membran pertukaran kation dan ion-ion ini
akan terakumulasi
dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai konsentrat garam.
Pembalikan
polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah
pengendapan garam di
membran (Charcosset dkk, 2009)
Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut,
kolektor surya
disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Tidak ada kemungkinan kontaminasi konsentrat garam ke air
bersih
karena melalui banyak membran
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
2. Membutuhkan energi listrik yang besar untuk disuplai pada
pompa dan
unti elektrodialisis
3. Perawatan sistem sulit dan mahal
Gambar 2.11. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis
Saline Water Tank
Pump
Fresh Water TankBrine Tank
Saline Water
AnodeCathode
CEM AEM CEM AEM
CEM
AEM
- Cation Exchange Membrane
- Anion Exchange Membrane
-
19
2.2.11 Distilasi Membran Tenaga Surya (MD)
Distilasi membran adalah proses pemisahan yang mana hanya uap
yang
diperbolehkan untuk melewati poros membran hidrofobik. Pemisahan
ini dapat
terjadi karena perbedaan tekanan uap antara permukaan membran.
Ada empat
jenis proses distilasi membran yaitu membran distilasi celah
udara, sweeping gas
distillation, membran distilasi kontak langsung dan membran
distilasi vakum. Di
semua proses ini larutan panas umpan berkontak langsung dengan
permukaan
membran (Qtaishat dkk, 2012). Penjelasan tentang keempat jenis
proses distilasi
membran dapat dilihat pada diagram berikut.
Gambar 2.12. Tipe Proses Distilasi Membran
Destilasi Membran Kontak Langsung
larutan umpan panas dan permeat dingin akan berada dalam kontak
langsung dengan membrane
kondensasi uap terjadi dalam modul membran
panas hilang secara konduksi
Destilasi Membran Celah Udara
Kehadiran celah udara antara membran dan
permukaan kondensat
kondensasi uap terjadi di dalam sel membran
setelah melintasi celah
Pengurangan panas hilang secara konduksi
adanya udara meningkatkan resistensi
perpindahan massa
Destilasi Membran gas Menyapu
gas menyapu digunakan untuk
menyapu uap di sisi membran permeat
kondensasi terjadi di luar modul
membrane
Pengurangan panas hilang secara
konduksi
perpindahan massa ditingkatkan
Destilasi Membran Vakum
vakum dibuat dalam sisi membran
permeat
kondensasi terjadi di luar modul
membran
kehilangan panas oleh konduksi
diabaikan
Proses Destilasi Membran
-
20
Gambar 2.13. Unit distilasi membran bertenaga surya
2.2.12 Forward Osmosis (FO)
Forward Osmosis adalah sebuah proses di mana molekul air dari
air laut
bergerak melalui membran semi permeabel terhadap larutan
seimbang yang mana
umumnya pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada larutan
umpan. Utamanya
FO menggunakan gradien tekanan osmotik dan bukan gradien tekanan
hidrolik
(Cath dkk, 2006).
Kelebihan Forward Osmosis :
1. Konstruksi sederhana
2. Perawatan mudah yaitu cukup dengan mengganti membran semi
permeabel
3. Laju produksi air bersih yang tinggi
Kelemahan Forward Osmosis :
1. Membran semi permeabel yang mahal
2. Kontaminasi konsentrat garam ke air bersih bergantung pada
efektivitas
membran semi permeabel
3. Usia membran semi permeabel singkat
Saline Water Tank
Pump
Distillate
Brine
Membrane
Condensate
Solar Collector Field
Hot Saline Water
-
21
Gambar 2.14. Unit Forward Osmosis
2.2.13 Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
Dalam sistem desalinasi, uap air bersih dapat diproduksi dari
air laut pada
tekanan operasi yang rendah jika vakum telah disediakan oleh
pompa vakum,
akan tetapi hal ini akan mengkonsumsi lebih banyak daya.
Konsumsi energi listrik
dapat dikurangi atau ditiadakan dengan memvakumkan ruangan
secara alami,
artinya dengan menggunakan gaya gravitasi yang diikuti oleh
jatuhnya air
dibawah gravitasi sehingga membentuk vakum pada ketinggian 10,34
meter.
Gambar 2.15. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
Sea Water Tank
Fresh Water Tank
Fresh Water
Solar Radiation
Draw SolutionBrine Tank
Semi Permeable Membrane
Sea Water
CondensateBrine
Saline Water
Saline Water Tank
Solar Heating System
Evaporator
C o n d e n s e r
10 m
-
22
2.3 Pemodelan Matematik Sistem
Pada subbab ini akan dijelaskan pemodelan matematis dari
setiap
komponen yang ada dalam desalinasi sistem vakum. Pemodelan
matematis yang
akan dibahas adalah pada evaporator, sumber panas (heat source),
alat penukar
kalor tube in tube, dan kondensor. Pembahasan akan lebih
sederhana apabila telah
ditetapkan beberapa asumsi, antara lain :
1. Kapasitas panas di evaporator dan kondensor diabaikan
2. Temperatur pada masing-masing komponen adalah seragam atau
tidak ada
variasi temperatur di evaporator dan kondensor
3. Sumber panas menggunakan pemanas listrik agar suplai panas
ke
evaporator merata dan tidak mengganggu perhitungan
konfigurasi
evaporator dan kondensor
4. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan laminar karena
kecepatan fluida
kerja baik dalam alat penukar kalor, evaporator dan kondensor
sangat kecil
5. Kenaikan konsentrasi air laut dalam evaporator sangat kecil
sehingga
dapat diabaikan
6. Efek radiasi diabaikan
7. Panas hilang secara konveksi natural
8. Ketinggian air laut dalam evaporator konstan
2.3.1 Analisis pada Evaporator
Pada subbab 2.1 telah dijelaskan bahwa fungsi dari evaporator
adalah
sebagai ruang pemanasan air laut hingga sejumlah air laut dapat
menjadi air
bersih. Air laut akan masuk ke evaporator dari pipa pengumpan
pada laju aliran
massa yang disimbolkan im [kg/s]. Kemudian akan terjadi
penguapan dengan laju
em [kg/s] yang akan mengalir dalam bentuk uap dan masuk ke
kondensor.
Sebagai sisanya akan terbentur air garam yang akan keluar dari
evaporator dengan
laju wm [kg/s]. Pada saat terjadi penguapan diperlukan panas
untuk menyuplai
panas laten penguapan. Panas ini akan diambil dari elemen
pemanas dengan daya
pemanasan Qin. Diagram Aliran pada evaporator ditampilkan pada
gambar 2.14
-
23
Gambar 2.16 Diagram Aliran Massa pada Evaporator
Penerapan hukum kekekalan massa diberikan oleh persamaan berikut
:
eewwiis VVVVdt
d (2.1)
Dimana V [m3] adalah volume air laut di evaporator, dan V [m3/s]
laju aliran
volume pada masing-masing sisi masuk dan sisi keluar evaporator.
Akibat adanya
penguapan, maka konsentrasi garam di dalam evaporator akan
bertambah. Jika
konsentrasi dinyatakan dengan C [%], maka perubahan konsentrasi
garam di
dalam tabung evaporator dapat dinyatakan dengan:
wsiis VCVCCVdt
d (2.2)
Dimana huruf s menyatakan sea water yang ada di evaporator.
Hukum kekekalan energi pada evaporator dapat didefenisikan
sebagai banyaknya
panas yang masuk dikurangi dengan panas yang keluar akan
digunakan untuk
menaikkan temperatur fluida di evaporator. Dalam bentuk
persamaan menjadi:
lossewspiipinsp QQVTCVTCQVTCdtd
(2.3)
Pada persamaan ini pC [J/kg.K] adalah panas jenis.
-
24
Laju penguapan (evaporasi) dari air laut di dalam evaporator
(dinyatakan dengan
huruf "s") ke dalam air murni di kondensor (dinyatakan dengan
huruf "f") dapat
dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:
5,05,0273
)(
273
)()(
f
f
s
s
s
f
m
seT
TP
T
TPCfAV
(2.4)
Dimana sA adalah luas permukaan air yang ada di evaporator.
Parameter m
adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen,
nilainya
67 1010 m [kg/m2.Pa.s.K
0,5] (Bemporad, 1995). Tekanan uap sebagai fungsi
temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan:
)273ln(2558,6)273(6,7139042,63100)( TTeTP [Pa] (2.5)
Pada persamaan (4), )(Cf adalah faktor koreksi yang dihitung
dengan
menggunakan persamaan:
CCf 11)( (2.6)
Dimana 1 0,0054 [tanpa dimensi] adalah koefisien empirik. Pada
persamaan
(2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida.
Sementara massa
jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida,
yang dirumuskan
dengan
000 1),( CTCT CT (2.7)
Dimana 4105 T /
oC adalah koefisien ekspansi thermal volumetrik dan
3108 C /% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan
Goswami,
2004).
Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan
konsentrasi dan
dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975):
224105261,30162,00049,14186),( BTATCCCTCp (2.8)
-
25
Konstanta A dan B dirumuskan dengan
42 10)07765,04795,12506,3( CCA dan,
62 10)0612,02084,18013,3( CCB (2.9)
Laju panas penguapan di evaporator pada persamaan (2.4), dapat
dihitung dengan
menggunakan persamaan:
esfgfe VThQ)( (2.10)
Dimana )( sfg Th adalah panas laten penguapan air laut, yang
dapat dihitung
dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996):
)]273(36,23146[1000)( ssfg TTh (2.11)
Untuk pengujian dengan suplai panas konstan, panas hilang dari
evaporator dapat
diasumsikan sebagai konveksi natural. Dalam perhitungan ini
radiasi diabaikan,
dan panas hilang diasumsikan dari tiga bagian, yaitu kerucut
(atas), dinding, dan
alas evaporator. Setiap bagian memiliki koefisien konveksi yang
berbeda-beda.
Panas hilang dari konduksi antara pipa outlet uap ke pipa
kondensor diabaikan
karena terdapat insulasi panas berbahan karet.
Panas hilang dari alas evaporator ke lingkungan dapat dihitung
dengan
persamaan:
(2.12)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural diberikan dengan
persamaan :
(2.13)
dengan RaL adalah bilangan tanpa dimensi Rayleigh diberikan
dengan :
(2.14)
l adalah panjang karakteristik yang dirumuskan dengan :
-
26
(2.15)
dimana As dan p masing-masing adalah luas alas evaporator dan
keliling
evaporator.
Panas hilang dari sisi dinding diberikan dengan persamaan :
(2.16)
dimana rins,o dan ls masing-masing merupakan radius dari pusat
evaporator ke
permukaan luar dari insulasi dan tinggi dinding evaporator.
Koefisien perpindahan panas konveksi natural dari sisi dinding
evaporator
diberikan oleh :
(2.17)
Bagian atas dari evaporator dibentuk seperti kerucut terpotong
dimana dapat
dianggap sebagai plat miring dengan sudut kemiringan θ. Panas
hilang dari bagian
tersebut dapat dihitung dengan rumus :
(2.18)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian atas
evaporator
dihitung dengan :
(2.19)
2.3.2 Analisis Alat Penukar Kalor Tube in Tube
Pada saat air garam turun atau keluar dari evaporator
temperaturnya masih relatif
tinggi. Sementara air laut yang baru yang ditarik naik ke
evaporator
temperaturnya juga masih relatif rendah. Panas yang terbawa
bersama aliran
-
27
garam akan diambil kembali (heat recovery) dengan menggunakan
sebuah Alat
Penukar Kalor pipa annulus, seperti Gambar 2.16 berikut.
0T
iT
im
wmwT
iD
oD
00 pipoic CVCmC
pswspswh CVCmC
Jika Cc > Ch
Jika Cc < Ch
h
cr
C
CC
c
hr
C
CC
l
Gambar 2.17 Alat Penukar Kalor sebagai Heat Recovery
Perpindahan panas pada Alat Penukar Kalor ini dapat dirumuskan
dengan
menggunakan persamaan efektifitas ( ).
0min TTCq wr (2.20)
Efektivitas untuk APK pipa ganda sepusat dirumuskan dengan
)1(exp1
)1(exp1
rr
r
CNTUC
CNTU
(2.21)
Dimana NTU adalah Number of Transfer Unit dan rC adalah
perbandingan
kapasitas panas kedua fluida. Kedua persamaan ini dirumuskan
masing-masing
sebagai berikut:
minC
UANTU (2.22)
max
min
C
CCr (2.23)
Untuk menentukan aliran fluida mana (air laut yang naik atau air
garam yang
turun) yang minimum, maka kedua nya harus dibandingkan terlebih
dahulu.
-
28
Perkalian koefisien perpindahan panas menyeluruh dengan luas
bidang
perpindahan panas untuk pipa ganda sepusat dapat dihitung dengan
menggunakan
persamaan berikut.
00
0 1
2
ln1
1
lhDkl
DD
lhD
UAi
ii
(2.24)
Semua dimensi pada persamaan ini sudah ditampilkan pada Gambar
2.16
Sementara untuk koefisien perpindahan panas di luar pipa dalam
diantara kedua
pipa (annulus) dapat dihitung dengan metode berikut (Incropera
dan DeWitt,
1996).
Jika aliran adalah laminar, yang dinyatakan dengan bilangan
Reynolds berikut:
2300)(25,0
)(Re
22
0
0
i
wsiD
DD
VDD
(2.25)
Maka Bilangan Nusselt diantara annulus merupakan fungsi
perbandingan
diameternya dan dapat dipilih dari Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Bilangan Nu di dalam pipa annulus aliran laminar
0DDi 0,05 0,1 0,25 0,5 1
0Nu 17,46 11,56 7,37 5,74 4,86
Tetapi jika aliran adalah turbulent 2300Re D maka koefisien di
dalam annulus
akan sama dengan di dalam pipa dan persamaan berikut dapat
digunakan :
4,08,0 PrRe023,0 Dk
hDNu (2.26)
Setelah semua parameter ini dihitung, maka temperatur air laut
masuk ke
evaporator dapat dihitung.
0
00
TCV
QT
pi
hi
(2.27)
-
29
2.4 Evaporative Cooling
Fenomena yang terjadi pada evaporator untuk mengevaporasikan
sejumlah
fluida kerja bukan hanya bergantung pada pemanas air listrik,
namun lebih
bergantung pada fenomena evaporative cooling.
Untuk lebih memahami mekanisme evaporative cooling,
bayangkan
evaporasi air dari kolam renang ke udara. Asumsikan air dan
udara bertemperatur
sama pada kondisi awal. Jika udara bersaturasi (humiditas
relatif 100%), maka
tidak akan ada perpindahan panas atau massa selama kondisi
isotermal terjadi.
Namun apabila udara tidak bersaturasi (humiditas relatif <
100%), maka akan ada
perbedaan diantara konsentrasi uap air pada lapisan antara uap
air dan udara (yang
mana selalu tersaturasi) dan posisi di atas lapisan tersebut
(lapisan batas
konsentrasi). Perbedaan konsentrasi adalah gaya penggerak untuk
perpindahan
massa, dan oleh karena itu perbedaan konsentrasi ini akan
menggerakkan air ke
udara. Akan tetapi air harus berevaporasi terlebih dahulu, dan
untuk berevaporasi
air membutuhkan panas laten evaporasi. Pada kondisi awal,
seluruh panas
penguapan berasal dari air di dekat lapisan uap air – udara
karena tidak ada
perbedaan temperatur diantara air dan sekitarnya sehingga tidak
mungkin ada
perpindahan panas. Temperatur air yang dekat dengan permukaan
harus turun
sebagai akibat kehilangan panas sensibel, dimana juga menurunkan
tekanan
saturasi sehingga terbentuk uap air pada lapisan air –
udara.
Penurunan temperatur ini membentuk perbedaan temperatur pada
bagian
atas air dan juga diantara air dan udara sekitarnya. Perbedaan
temperatur ini akan
menyebabkan perpindahan panas ke permukaan air dari udara dan
bagian lebih
dalam dari air, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.19. Jika
laju evaporasi
tinggi dan kebutuhan panas penguapan lebih tinggi daripada
jumlah panas yang
dapat disuplai dari bagian bawah air dan sekitarnya, kekurangan
panas akan
disuplai oleh panas sensibel air pada permukaan, yang
menyebabkan temperatur
air pada permukaan akan jatuh lebih jauh. Fenomena ini akan
berlangsung secara
kontinu hingga panas laten penguapan sama dengan laju
perpindahan panas ke air
pada permukaan. Saat kondisi tetap tercapai dan temperatur
lapisan telah stabil,
-
30
keseimbangan energi pada lapisan tipis cairan pada permukaan
dapat diberikan
dengan rumus sebagai berikut.
atau
(2.28)
Gambar 2.18. Mekanisme Evaporative Cooling (Yunus A. Cengel,
2002)
2.5 Fortran PowerStation 95
Untuk menganalisa perhitungan matematik sistem yang
membutuhkan
perhitungan pada setiap detiknya, perhitungan secara manual akan
lebih sulit dan
rumit. Untuk itu digunakanlah bahasa pemrograman agar analisa
dapat dilakukan
secara kontinu. Dalam perhitungan ini, analisa data akan dibantu
dengan program
Fortran PowerStation 95. Fortran adalah sebuah bahasa
pemrograman. Pertama
kali dikembangkan pada tahun 1956 oleh John Backus di IBM
Corporation
(International Business Machines). Digunakan dalam bidang sains
selama 50
tahun kemudian. Ditujukan untuk mempermudah pembuatan aplikasi
matematika,
ilmu pengetahuan, dan teknik.
Pertama kali bernama FORTRAN yang merupakan singkatan dari
Formula
Translator/Translation, tetapi penggunaan huruf besar kemudian
ditiadakan sejak
versi Fortran 90. Merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi
pertama dan
prosedural, akan tetapi versi-versi terbaru dari Fortran
kemudian dikembangkan
dengan memasukkan kemampuan object-oriented programming. Unggul
pada
dukungan dalam menangani bentuk perhitungan, termasuk bilangan
kompleks.
-
31
Kelemahannya pada operasi input/output yang lalu. Kode sumbernya
juga sulit
dipahami dibanding bahasa pemrograman tingkat tinggi
lainnya.
Fortran dapat melakukan analisa terhadap sistem secara kontinu
dan dapat
mengurangi waktu yang lama jika dibandingkan dengan perhitungan
secara
manual. Alasan penggunaan Fortran dalam analisis ini adalah agar
lebih mudah
dan lebih cepat dalam perhitungan. Pada Bab 4 akan dibahas
mengenai koding
pada fortran beserta hasil analisis dalam bentuk tabel
perbandingan dan grafik.