Skripsi Desain Destilator Tipe Dua Atap Miring Dengan Memanfaatkan Panas Gas Buang Mesin Diesel

SKRIPSI TEKNIK MESIN

BAB I

PENDAHULUAN

A.     Latar Belakang

Indonesia merupakan negara kepulauan terbesar di dunia. Memiliki luas wilayah 5.193.252 km² dua per tiga luas wilayahnya merupakan lautan, yaitu sekitar 3.288.683 km². Sehingga Indonesia juga memiliki julukan sebagai benua maritim. Pada tahun 2009 penduduk Indonesia telah mencapai 250 juta jiwa. Jumlah penduduk yang terus bertambah dari tahun ketahun berpengaruh pada semakin bertambah pula kebutuhan air  bersih. Disisi lain kebutuhan air khususnya air tawar bagi nelayan dan daerah pesisir pantai atau pulau-pulau kecil di Indonesia masih terdapat banyak kendala.

Berbagai kendala yang dihadapi masyarakat dalam memperoleh air disebabkan daerah pemukiman penduduk yang memiliki kondisi yang berbeda-beda. Bagi masyarakat yang bermukim didaerah yang banyak terdapat sumber air bersih dan air tawar, bukanlah suatu masalah. Hal tersebut jauh berbeda jika dibandingkan dengan masyarakat yang bermukim pada daerah-daerah yang terletak di pulau-pulau kecil, daerah pesisir pantai.

Hal serupa juga dialami oleh para nelayan dimana disamping daerah-daerah tujuan mereka mendapat persoalan seperti diatas, juga masalah daya muat dari kapal dalam mengangkut air tawar dari darat yang mereka gunakan sehingga air yang dipersiapkan juga terbatas.

Para nelayan ini biasanya melaut  selama beberapa minggu bahkan berbulan-bulan tergantung pada kebutuhan air yang mereka persiapkan sejak lepas landas disamping kebutuhan bahan bakar dan yang lainnya.     

Berdasarkan uraian diatas maka untuk mengatasi kendala yang dihadapi perlu diterapkan suatu teknologi tepat guna yang diharapkan dapat membantu masyarakat nelayan atau pesisir pantai untuk memperoleh air bersih atau air tawar.  Berbagai penelitian telah dilakukan untuk memperoleh air bersih atau air tawar diantaranya :

IRFAN SANTOSA, ST , dkk. 2010. PENGARUH KEMIRINGAN KACA PADA ALAT BASIN SOLAR STILL TERHADAP KAPASITAS AIR HASIL DISTILASI.

Masduki, A dan Abdu F.A. 2008. Perencanaan Alat Tepat Guna Desalinasi dengan Metode Evaporasi.

Pada prinsipnya alat destilasi surya dapat dimanfaatkan pada kapal-kapal nelayan sebagai salah satu solusi dalam mengatasi kebutuhan air tawar yang mereka gunakan.

           Solusi lain yang akan diupayakan adalah destilasi atau penyulingan air laut menjadi air tawar dengan memanfaatkan energi panas gas buang mesin yang yang selama ini belum dimanfaatkan.

           Destilasi pemanfaatan panas gas buang mesin kapal nelayan untuk mengubah fase cair menjadi fase uap air laut dan fase uap menjadi air tawar. Suhu yang diperlukan untuk mengubah fase air laut menjadi uap sebesar  (100 ⁰C ) pada tekanan satu atmosfir (1 atm)

Pemanfaatan panas gas buang dari mesin Diesel sebagai media pemanas dikembangkan dalam usaha penghematan energy. Mesin Diesel banyak dipergunakan di laut sebagai penggerak kapal.

Panas gas buang yang dihasilkan mesin Diesel banyak menggandung potensi energi thermal yang dapat dimanfaatkan karena  34 – 40 % energi hasil pembakaran bahan bakar dalam mesin terbuang melalui gas buang.

           Menurut Smith A.J dan King G.H  di Inggris pada tahun 1980 sebesar 259 MJ / tahun energy thermal dari gas buang terbuang ke alam.  Jakson R.  menyampaikan bahwa pemanfaatan gas buang akan mempunyai keuntungan memperkecil biaya pada proses pemanasan yang dipakai, juga dapat menurunkan temperatur gas buang sehingga memperkecil pencemaran udara lingkungan.

Berdasarkan latar belakang diatas, maka perlu dilakukan  suatu penelitian yang merupakan salah satu solusi untuk mereduksi permasalahan diatas dengan judul “Desain Destilator Tipe Dua Atap Miring Dengan  Memanfaatkan Panas Gas Buang Mesin Diesel”

B.      Rumusan  Masalah

Berdasarkan uraian pada latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan permasalahan yaitu:

1.    Bagaimana pengaruh volume air yang di destilasi terhadap hasil produk destilator pada putaran mesin konstan.

2.    Bagaimana pengaruh volume air yang di destilasi terhadap efektifitas destilator type dua atap miring.

C.     Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah :

1.    Untuk mengetahui pengaruh volume air yang di destilasi terhadap hasil produk destilator pada putaran mesin konstan.

2.    Untuk mengetahui pengaruh volume air yang di destilasi terhadap efektifitas destilator type dua atap miring.

D.     Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat sebagai berikut :

1.    Menghasilkan air tawar dari air laut dengan  memanfaatkan panas gas buang mesin

2.    Memberikan informasi tentang Desain destilator air laut dengan memanfaatkan gas buang mesin Diesel

3.    Memberikan informasi tentang  pengaruh kecepatan putaran  mesin  terhadap volume air laut yang dipanaskan oleh destilator.

E.     Batasan Masalah

Mengingat banyaknya permasalahan yang dapat diteliti pada pengaruh prestasi mesin terhadap destilasi air laut dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel, maka penelitian dibatasi  pada hal-hal sebagai berikut :

1.    Mesin yang digunakan  adalah mesin Diesel type KAMA KM178f

2.    Penelitian dilakukan dengan variasi putaran mesin

3.    Pengambilan data dilakukan secara eksperimental di laboratorium

4.    Jenis destilator adalah evaporatior

BAB  II

TINJAUAN PUSTAKA

A.     Destilasi

Destilasi adalah proses pemisahan komponen-komponen dalam suatu liquid untuk mendapatkan salah satu atau beberapa komponen tertentu. Pada destilasi air laut dapat dianggap hanya memisahkan dua komponen, walaupun sebenarnya banyak unsur kimia dalam air laut, tetapi sebenarnya proses destilasi ditentukan oleh besarnya perbedaan titik didih (boiling point) .

Karliana I. dan Sumujanto. 2008. Melakukan penelitian Analisis air laut Ujung Lemah Abang sebagai media pendingin PLTN. Hasil analisis menunjukan bahwa proses  desalinasi dengan teknik MED (multi effect distillation) merupakan pilihan terbaik untuk mengolah air laut pantai Ujung Lemah Abang menjadi air bebas mineral sebagai media pendingin PLTN yang akan dibangun dibandingkan dengan MSF ( multi-stage flash distillation).

Gambar 1.  Desalinasi air laut dengan MED

Dinata U.G.S. . Teknologi distilasi air laut flash-evaporation
dengan energi matahari untuk penyediaan air tawar . Dengan debit air laut 1 liter per detik, temperatur air laut sekitar 100 °C (setelah dipanaskan kolektor matahari), tekanan dan temperatur tangki flash 0,096 bar dan 45 °C, maka kapasitas produksi air tawar adalah 0,0963 liter per detik atau sama dengan 3.470 liter untuk 10 jam operasi. daya pemanasan yang dibutuhkan adalah 250 kilowatt yang disuplai dari kolektor matahari. Instalasi ini dapat menggunakan tangki flash berukuran tinggi 1,5 m dan diamater 1 m.

   

Gambar 2. Desalinasi Air Laut dengan MSF

Gambar 3. Instalasi distilasi air laut flash-evaporation energi matahari

    dua bertingkat.

1.    Evaporasi

Penguapan (evaporasi ) adalah perubahan suatu zat cair menjadi uap pada beberapa suhu dibawah titik didihnya. Sebagai contoh, air ketika ditempatkan pada wadah yang terbuka keudara, tiba–tiba volumenya berkurang. Penguapan (evaporasi) terjadi dikarenakan diantara molekul–molekul yang dekat dengan permukaan zat cair tersebut  selalu terdapat cukup energi panas untuk mengatasi gaya kohesi sesama molekul kemudian melepas.

Kecepatan penguapan bergantung pada suhu zat cair, besar ikatan antar molekul, luas permukaan zat cair, tekanan, dan pergerakan udara disekitarnya.

2.    Tekanan uap

Menurut Brady (1999) menjelaskan bahwa bila suatu cairan pada suatu wadah yang terbuka menguap, semua cairan lama - lama akan hilang, sebab molekul - molekul yang membentuk uap akan berdifusi ke udara. Tetapi bila wadahnya kita tutup, molekul - molekul yang menguap ini tak dapat keluar dan akan berkumpul pada ruang uap diatas cairan. Di sini uap  akan memberikan tekanan, seperti juga molekul-molekul gas lainnya. Tekanan yang dihasilkan oleh uap air itu disebut tekanan uap.

Besarnya tekanan uap dipengaruhi sifat dari gaya tarik cairan dan yang kedua adalah suhunya. Kedua faktor ini akan mempengaruhi kecepatan menguap. Pada cairan dimana gaya tarik menariknya kuat maka, kecepatan menguapnya akan rendah, dan begitu sebaliknya. Selain dipengaruhi oleh gaya  tarik menarik antar molekul di dalam larutan, kecepatan menguap juga dipengaruhi oleh suhu. Keberadaan uap air di udara maka akan mempengaruhi  densitas udara itu sendiri. Dengan semakin banyaknya uap air maka akan semakin meningkatkan densitas dari udara tersebut.

3.    Pengembunan / kondensasi

Menurut Karnaningroem (1990) proses pengembunan adalah proses perubahan wujud gas menjadi wujud cair karena adanya perbedaan temperatur.

Temperatur pengembunan berubah sejalan dengan tekanan uap. Oleh karena itu temperatur pengembunan didefinisikan sebagai temperatur pada kondisi jenuh akan dicapai bila udara didinginkan pada tekanan tetap tanpa penambahan kelembaban.

B.     Air Laut

Air laut menutupi permukaan bumi kurang lebih 70 %. Air laut terasa asin karena mengandung garam-garam yang berasal dari pelapukan bebatuan didaratan yang dialirkan oleh air sungai ke laut. Proses pelapukan tersebut berlangsung secara kontinyu sehingga rasa asin dari air laut tidak pernah mengalami perubahan dan sifatnya abadi. Waktu terjadi radiasi dari sinar matahari, air diuapkan dari permukaan laut dan garam-garam tertinggal. Proses ini berlangsung selama berjuta-juta tahun, sehingga sampai saat ini air laut tidak dapat diminum, karena mengandung kadar garam yang cukup tinggi.

Kadar garam air laut rata-rata 3,5 % dan ini merupakan kadar garam normal. Air laut memiliki kadar garam diatas normal yakni Laut Mati dengan kadar garam 27,5 %, Terusan Suez dengan kadar garam 6 % dan Laut  Merah dengan kadar garam 4 %. Namun ada juga laut dengan kadar garam dibawah normal seperti  yang terdapat pada Teluk Botanis dengan kadar garam 2 %, Laut Hitam 1,6 % dan Laut Timur dengan kadar garam 1,2 %.

Dalam 1000 ton air laut terdapat 35 ton garam. Kandungan garam yang terdapat pada air laut bermacam-macam yang tertinggi adalah Natrium Chlorida (NaCl) sebanyak 2,3 % sementara yang lainnya adalah Magnesium Chlorida (MgCl) sebanyak 0,5 %, Natrium Sulfat 0,4 %, Calsium Chlorida (CaCl) sebanyak 0,1 %, Kalium Chlorida (KaCl) sebanyak 0,07 %  yodium dan lain-lain sebanyak 0,08 %.

C.     Motor Diesel

Motor Diesel adalah jenis mesin  pembakaran dalam. Karakteristik dari mesin Diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain adalah metode penyalaan bahan bakar.  Pada  mesin Diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi.

Motor Diesel   biasanya juga disebut  motor penyalaan kompresi oleh karena cara penyalaan bahan bakarnya dilakukan dengan penyemprotan bahan bakar ke udara yang sudah bertekanan dan  bertemperatur tinggi, sehingga terjadi proses pembakaran.

Prinsip kerja dari motor Diesel dapat diketahui dengan adanya kerja torak yang bergerak translasi (bolak balik) di dalam silinder, dihubungkan dengan pena engkol dari poros engkol yang berputar pada bantalannya, dengan perantaraan batang penggerak.

Pendistribusian solar di dalam sistem bahan bakar pada sebuah motor Diesel dimana solar dari tangki mengalir ke saringan solar untuk didapatkan solar yang benar-benar bersih lalu dipompa oleh pompa injeksi (Injection Pump) diteruskan ke nozzle pengabut (Injector Nozzle) kemudian disemprotkan kedalam silinder dalam bentuk kabut, maka bahan bakar tersebut akan terbakar sebagai akibat dari persinggungan/pergesekkan bahan bakar dengan udara yang bertemperatur tinggi. Setelah terjadi pembakaran maka gas bekas dibuang melalui exhaust manifold, sebelum keluar ke udara luar, gas bekas disalurkan ke peredam suara (agar tidak keras suara yang ditimbulkan) dan melalui saluran gas buang, dia dikeluarkan dan dibuang ke udara bebas.

D.     Analisa Perhitungan

1.    Perpindahan Panas Konduksi

Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium (padat,cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (Frank Kreiht 1991).

Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. 

Menurut teori kinetik, suhu elemen suatu zat sebanding dengan energi kinetik rata-rata molekul-molekul yang membentuk elemen itu. Konduksi adalah satu-satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya.

Berdasarkan hukum kedua termodinamika panas akan mengalir secara otomatis dari titik yang bersuhu lebih tinggi ke titik yang bersuhu lebih rendah, maka aliran panas akan menjadi positif bila gradien suhu negatif.

Persamaan dasar konduksi satu dimensi dalam keadaan steady  adalah

                                            (2.1)

dimana :

q_k  = laju aliran panas konduksi ( Watt)

k   = konduktifitas termal bahan (W/m K)

A  = luas penampang yang tegak lurus terhadap arah aliran panas (m²)

dT = gradien suhu pada penampang  (K)

dx = jarak dalam arah aliran panas  (m)

2.    Perpindahan Panas Konveksi

Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur, konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan dan gas ( Frank Kreiht 1991).

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap, pertama panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida ini. 

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Jika gerakan fluida berlangsung semata-mata sebagai akibat dariperbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu maka prosesnya disebut konveksi bebas. Dan jika gerakan fluida itu disebabkan oleh suatu alat dari luar seprti pompa atau kipas maka prosesnya disebut konveksi paksa (Frank Kreiht 1991).

                                       q = h (T_w – T_f)                                             (2.2)

Dan perpindahan panas konveksi dari fluida panas ke dinding dingin dapat ditulis sebagai berikut :

                         q = h. A.(T_f – T_w)                                           (2.3)

dimana :

 q   = laju aliran panas konveksi ( Watt)

 A  = luas penampang yang tegak lurus terhadap arah aliran panas          (m²)

 h   = koefisien perpindahan panas konveksi  (W/m² K)

T_w  = temperatur permukaan (K)

T_f    = temperatur fluida dingin (K)

3.    Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari banda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisahkan di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut.

Semua benda memancarkan panas radiasi secara terus- menerus. Intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat permukaan. Energi radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya ( 3 x 10⁸ m/s) dan gejala-gejalanya menyerupai radiasi cahaya. Menurut teori elektromagnetik, radiasi cahaya dan radiasi termal hanya berbeda dalam panjang gelombang masing-masing.

Hukum Stefan-Boltzmann yang fundamental menyatakan

           q = σ A T⁴                                                        (2.4)

dimana :

A  = Luas permukaan  (m²)

σ  = konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,67 x 10^-8 W/m²K⁴)

T  =  Suhu absolut (K)

4.    Perhitungan  Laju Aliran Kalor

Laju aliran panas dihitung denga persamaan :

                                  (J/s)                                         (2.5)

                                                (2.6)

dimana :

U        = koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m².^OC)

A        = Luas permukaan (m²)

ΔT_lm  = beda suhu rata-rata logaritmik ( logarithmic mean temperature difference )       (^OC )

Berdasarkan hukum termodinamika pertama Laju aliran massa fluida panas sama dengan laju aliran massa fluida dingin  yaitu :

                                     (2.7)

                                    (2.8)

Subskrip c dan h masing-masing menunjukan  fluida dingin dan fluida panas.

dimana :

      (kg/s)
          (J/kg. ^OC )

   (^OC)

  (^OC)

ε =

Laju perpindahan panas aktual Laju perpindahan panas maksimum

Efektivitas penukar kalor dapat dihitung dengan persamaan dengan persamaan :

                                                                                                                                   

                     (2.9)

Laju perpindahan panas aktual  dan maksimum dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :                 (2.10)                                                 (2.11)                                   (2.12)

Perpindahan kalor maksimum terjadi bila fluida yang nilai C-nya lebih kecil.

Kalor penguapan dapat dihitung dengan persamaan :

                                  (2.13)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

A.     Tempat  Penelitian

Penelitian akan dilakukan pada Laboratorium  Motor Bakar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik dan pembuatan alat destilasi akan dilakukan pada Laboraturium teknik mesin Universitas Dayanu Ikhsanuddin Baubau.

B.    Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data yang digunakan dalam  penelitian  ini adalah dengan cara sebagai berikut :

1.    Pembuatan alat destilasi air laut

2.    Pengambilan  data  pada pengujian  destilator

3.    Studi  kepustakaan. 

C.    Bahan dan Alat

1.    Bahan

Bahan yang digunakan pada pembuatan destilasi yaitu :

a.    Besi plat Tembaga, Aluminium

b.    Isolator ( kain asbes )

c.    Pipa Tembaga

d.    Fleksibel knalpot

e.    Kawat las

f.     Baut

2.    Alat

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini terdiri yaitu :

a.    Motor Diesel

Adapun spesifikasi motor tersebut adalah sebagai berikut :

Model / tipe                    :  KM178F AIR COOLED

Daya                               :  5.44 hp

Putaran                          :  3000/3600 rpm

Jumlah silinder             : 1 silinder

Dispiacement                :  296 (18.06)

Compression ratio        :  20 : 1

System penyalaan       :  engkol manual

Gambar 4. Mesin Diesel

b.    Tachometer

Digunakan untuk mengukur kecepatan putaran dari poros mesin pada setiap kondisi operasi yang diberikan

c.    Thermometer

Digunakan untuk mengukur temperatur gas buang yang keluar destilator, temperature plat pendingin, temperature air hasil destilasi, temperature air laut yang didestilasi, dan temperature dinding destilator.

d.    Thermocouple

Digunakan untuk mengukur temperatur gas buang yang masuk destilator, mengukur temperatur air yang didestilasi, mengukur temperatur permukaan plat, temperature ruang destilator, dan temperature air pendingin yang masuk dan keluar.

e.    Anemometer

Digunakan untuk mengukur temperature ruangan dan kecepatan udara dalam ruangan.

f.     Gelas Ukur

Berfungsi untuk mengukur volume air yang dihasikan dari proses penyulingan air laut dalam satuan waktu tertentu

g.    Stop Watch

Berfungsi untuk mengukur waktu yang dibutuhkan untuk mengahsilkan satu satuan volume tertentu.

D.     Instalasi Pengujian

         

Gambar  5.  Instalasi pengujian  Destilator

Keteranagan :

1.    Temp. gas masuk (T1)                           6.  Temp. kondensasi (T6)

2.    Temp. gas keluar (T2)                           7. Temp. air destilasi (T7)

3.    Temp. permuk. Plat (T3)                        8.  Temp. dinding destilasi (T8)

4.    Temp. air (T4)                                          9.  Temp. air hasil Destilasi (T9)

5.    Temp. ruang destilasi (T5)

E.     Prosedur Pengujian dan Pengambilan Data.

1.    Percobaan awal

a.    Hidupkan mesin Diesel

b.    Atur putaran mesin pada putaran 2410 rpm dengan cara mengatur pembukaan throttle

c.    Masukan air laut yang akan didestilasi dengan volume 3 liter

d.    Mencatat data yang terbaca pada alat ukur yng telah terpasang

Untuk pengujian dengan volume air yang di destilasi 5 dab 8 liter putaran 2410 rpm dilakukan seperti diatas.

2.    Pelaksanaan penelitian

Langkah-langkah yang dilakukan pada pelaksanaan penelitian sama dengan percobaan awal,  kemudian dilakukan tahapan selanjutnya yaitu dengan variasi jumlah air yang didestilasi pada putaran mesin konstan 241o rpm.

3.    Pengambilan data

Data - data  yang langsung dibaca pada Instrumen  pengujian adalah :

a.    Putaran  mesin 

b.    Temperatur gas buang yang masuk destilator

c.    Temperatur gas buang yang keluar destilator

d.    Temperatur permukaan plat

e.    Temperatur air laut yang masuk destilator

f.     Temperatur air yang didestilasi

g.    Temperatur ruang destilasi

h.    Temperatur kondensasi

i.      Temperatur air hasil destilasi

j.      Temperatur dinding destilator

k.    Voleme air hasil desitilasi

l.      Temperatur udara

m.    Kecepatan udara

F.      Skema  Penelitian

Mulai

Proses Pembuatan Destilator

Selesai

Persiapan Alat Ukur

Pengujian Destilator

Variasi Jumlah Air Yang Di Destilasi: 3 Liter, 5 Liter, 8 Liter

Ambil Data yang Terbaca pada Alat Ukur

Pengolahan Data

Hasil

Pembahasan

Kesimpulan dan Saran