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.