3.1. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium energi dan elektrifikasi pertanian laboratorium lapang teknik pertanian yang sekarang menjadi teknik mesin dan biosistem, leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Agustus 2010 sampai Maret 2011 .
3.2. Alat dan Bahan 3.2.1.Bahan
Pada penelitian kali ini memakai bahan percobaan berupa air yang digunakan sebagai media pembawa panas.
3.2.2.Alat uji
Alat uji yang digunakan dalam penelitian ini yaitu bangunan efek rumah kaca hybrid yang telah dirancang oleh Wulandani et.al (2009)
3.2.3. Alat ukur
Alat ukur yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: a. Termokopel tipe CC (Copper Constanta)
b. Pyranometer Model MS-401
c. Alat ukur waktu, alat ukur panjang dan alat tulis d. Termometer Alkohol (0-100 ºC)
e. Anemometer Clinomaster Kanomax tipe 6011 f. Tangmeter
g. Kassa-kapas, plester, gelas plastic kecil, dan obeng h. Termometer bola basah dan bola kering
i. Heater 1000 W 220V j. Recorder Hybrid k. Multimeter
l. Kalkulator CASIO Tipe Fx-350ms m. Personal Computer
15 3.3. Spesifikasi teknis pengering rancangan Wulandani et.al
Desain struktural dan fungsional alat pengering meliputi bentuk, dimensi dan fungsi komponen alat pengering dapat diuraikan sebagai berikut:
Gambar 10. Desain alat
a. Kolektor surya model konsentrator dibuat untuk mengakumulasikan energi surya yang terbuat dari bahan stainlees steel yang bertujuan agar pemantulan (reflektanitas) energi surya terjadi secara maksimal. Model ini merupakan konsentrator tipe penyerapan garis atau dua dimensi.
b. Absorber terbuat dari bahan tembaga dipasang tepat pada ½ r lengkungan receiver yang bertujuan agar dapat memfokuskan pemantulan energi radiasi surya. Bahan tembaga digunakan karena mempunyai nilai konduktivitas panas yang baik sehingga diharapkan efek pemantulan energi matahari dari receiver dapat diserap (absorp) secara maksimal. c. Tiang utama bangunan terbuat dari besi hollow ukuran 50 mm x 50 mm dengan maksud
alat dapat menopang seluruh beban yang terpasang baik konsentrator maupun komponen yang lainnya.
d. Rak pengering terbuat dari aluminium mesh yang berguna untuk tempat komoditi dengan rangka terbuat dari besi siku berukuran 3 x 3 cm.
e. Tangki air terbuat dari plat besi dengan tebal 2 mm yang terpasang di bagian bawah bangunan berfungsi sebagai reservoir air untuk dialirkan menuju absorber dengan bantuan pompa ke konsentrator.
f. Untuk menaikkan suhu udara pengering yang dihasilkan oleh pemanasan energi surya dan konsentrator juga digunakan tungku yang terletak dibagian bawah (dapat dilihat Gambar 10.) bangunan pengering. Penelitian ini tungku biomassa tidak digunakan. Panas dihasilkan dari pemansan air oleh konsentrator dan radiasi dalam efek rumah kaca alat pengering.
16 g. Sebagai komponen penyalur energi panas baik yang berasal dari tungku maupun
konsentrator digunakan pipa berukuran 1,25 inchi di cat hitam berfungsi sebagai heat exchanger atau penukar panas di ruang pengering.
h. Kipas berjumlah 4 unit berdaya masing-masing 80 W digunakan untuk mendistribusikan udara panas didalam ruang pengering yang berasal dari pipa (heat exchanger) tersebut dengan pola perpindahan panas terjadi secara crossflow. Penelitian ini lubang saluran kipas ditutup rapat dengan menggunakan bahan polyetilen sehingga tidak ada udara yang dihembus.aliran udara pengering terjadi secara konveksi alami.
i. Lubang outlet
3.4. Rancangan Percobaan 3.4.1. Alur Proses Kerja Alat
Gambar 11 memperlihatkan secara skematik pengujian kinerja pada konsentrator, penukar panas, bak penampung, dan sub sistem tersebut secara integritas.
3.4.2. Skema pengujian
Enam jenis perlakuan, pada uji I dan II jenis perlakuannya sama seperti yang dijabarkan dalam Tabel 3.
Tabel 3. Skema Pengujian Alat
Katup Pengujian I & II (Uji Konsentrator) III (Uji HE) IV (Uji HE) V (Uji Tangki) VI & VII (Uji Sistem) A √ √ √ x √ B √ √ x x √ C x x √ x x D x √ √ x √ E √ x x x x
Keterangan : √ = Terbuka x = tertutup
Pengaturan alat pada tiap percobaan dengan melihat skema pengujian pada Gambar 11. tanpa menggunakan kipas dan tempat ditutup dengan penjelasan dibawah ini:
a. Pada pengujian I dan II dilakukan pada siang hari bertujuan menguji performansi konsentrator surya tanpa melewati penukar panas dengan kondisi radiasi surya yang berbeda. Pada pengujian energi surya digunakan untuk meningkatkan suhu air pada proses pengujian. Pemanfaatan energi surya yang ditangkap pada batang absorber
kemudian diserap oleh air yang digunakan untuk memanaskan air. Air tersebut disirkulasi menggunakan pompa melalui pipa dari konsentrator langsung ke tangki penampung tanpa masuk ke ruang pengering melalui pipa HE.
b. Pengujian III dan IV dilakukan pada malam hari bertujuan menguji performansi penukar panas dengan melewati konsentrator dan tidak melaluinya. Pada pengujian III dilakukan dengan penambahan pemanas air berupa heater kemudian di aliran melewati absorber
diteruskan ke pipa penukar panas pada ruang pengering air kembali ke bak penampung.
Pada pengujian IV air yang telah dipanaskan kemudian disirkulasi dengan menggunakan pompa tanpa melalui pipa konsentrator menuju ruang pengering kembali ke bak penampung. Tujuannya untuk menguji performansi penukar panas.
17 c. Perlakuan V menguji tangki penampung tak beraliran dengan cara memanaskan air pada
suhu 62,4 oC kemudian mendiamkan sampai suhunya tidak berubah lagi
d. Pada pengujian VI dan VII, dilakukan pada siang hari untuk menguji performansi sistem pengering dengan kondisi radiasi yang berbeda dengan mensirkulasi air dari tangki menuju konsentrator dan dialirkan ke ruang pengeringan. Pada percobaan VI suhu air dirancang hangat suhu sekitar 40 oC hasil pemanasan pengujian IV supaya dapat melihat perbedaan jika pada kondisi hangat pola kenaikan suhu air pada sistem ini dengan mengikut sertakan konsentrator surya, heat exchanger, dan tangki penampung air. Sedang pada pengujian VII dilakukan dalam suhu air normal dengan penambahan heater pada bak penapung. Pola sirkulasi air sama seperti pengujian VI.
Gambar 11. Skema Pengujian
3.5. Simulasi sistem konsentrator
Pendekatan simulasi digunakan dalam mereplika data pengujian yang telah dilakukan sehingga replika data percobaan dilapang tersebut dapat digambarkan dalam persamaan simulasi yang nantinya digunakan untuk mengevaluasi komponen pengering. Pada simulasi ini dilakukan sebatas pembuatan replikasi persamaan dari data percobaan dilapang namun belum masuk kedalam ranah pengevaluasian komponen pengering yang dibuat. Persamaan simulasi untuk menetukan distribusi suhu air di tangki, diasumsikan
18 dalam keadaan unsteady state, yang nilainya berubah tergantung waktu, hal ini berdasarkan asumsi bahwa suhu air tangki lebih lambat mencapai keseimbangan. Suhu ruang dari tiap rak di ruang pengering disamakan.
Persamaan–persamaan untuk simulasi suhu pada bagian alat pengering yang dirancang. Persamaan simulasi ini diselesaikan dengan metode numerik beda hingga Euler.
Keseimbangan termal pada konsentrator adalah sebagai berikut :
(mCp)w
= [m Cp ]w (Tw - Tki) + IAK τα – (UA)K(TP - Ta)
Solusi numeriknya adalah
Tki+1 = Tki+{ [m Cp ]w (Tw - Tki) + IAK τα – (UA)K(TP - Ta)}... (3) Persamaan diatas dapat digunakan untuk mensimulasikan perubahan suhu air di pipa kosentrator selama proses pemanasan berlangsung.
Keseimbangan termal dalam tangki penampung air adalah sebagai berikut :
(mCp)w
= [m Cp ]w (Tki– Twi)– (UA)w(Twi- Ta)
Solusi numeriknya adalah
Twi+1 = Twi+{ [m Cp ]w (Tki– Twi)– (UA)w(Twi- Ta)} )}... (4) Jika tangki penampung ditambahkan heater maka persamaan solusi numeriknya menjadi seperti dibawah ini :
Twi+1 = Twi+{ [m Cp ]w (Tki– Twi)– (UA)w(Twi- Ta)}+QHeater)}.... (5) Sedang model jika tangki penampung tanpa aliran persamaa persamaan
(mCp)w
= -(UA)w(Twi- Ta)
Solusi numeriknya adalah
Twi+1 = Twi+{ (1– (UA)w(Twi- Ta)} ) ... (6) Persamaan diatas dapat digunakan untuk mensimulasikan perubahan suhu air di tangki pada saat proses pemanasan berlangsung.
Keseimbangan termal pada heat exchanger adalah sebagai berikut :
(mCp)w
= [m Cp ]w (Tw– THEi)– (UA)HE(THEi– Tr)
Solusi numeriknya:
THEi+1 = THEi+{ [m Cp ]w (Tw– THEi)– (UA)HE(THEi– Tr)} )}... (7) Nilai diasumsikan pada tiap komponen memiliki suhu yang seragam dan radiasi yang tiba di pipa absorber sama dengan yang dipantulkan oleh reflector pada konsentrator surya. Tabel 4. menguraikan pengujian yang akan dimodelkan dalam tiap tiap pelakuan.
19 Tabel 4 . Simulasi Pengujian
Simulasi Pengujian Model Persamaan yang dipakai (Persamaan)
II 3 dan 4
IV 5 dan 7
V 6
VII 3, 5, dan 7
3.6. Uji Performansi Sistem Konsentrator Surya
Uji kinerja konsentrator surya dilakukan pada malam dan siang hari dengan memperhatikan faktor cuaca yang terjadi di lokasi. Sampel data percobaan diambil tiap 15 menit pada sebaran suhu yang diukur. Iradiasi surya global diukur berdasarkan pendekatan intensitas radiasi surya secara periodik mengikuti pengukuran suhu. Pengukuran radiasi surya dilakukan dengan menggunakan pyranometer. Pyranometer diletakkan disamping / tempat terdekat alat pengering yang tidak terhalang sinar matahari. Data keluarannya masih berupa tegangan (mV) yang terlihat pada multimeter tester. Nilai 1 mV keluaran pyranometer setara dengan 1000/7 watt/m2. Besarnya Iradiasi surya yang diterima dan fluktuasinya merupakan ciri khas surya. Hal ini juga menentukan besar-kecilnya kinerja alat pengering. Pola pengkonsentrasian reflektor terhadap datangnya matahari dilakukan secara manual dengan menggerakkan reflektor setiap 1 menit agar pantulan sinar datang surya terfokus pada pipa absorber. Pada saat terfokus, pipa absorber akan tampak lebih bercahaya seperti diperlihatkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Posisi Ideal Pantulan Refletor ke Absorber
Titik pengukuran suhu dilakukan menggunakan termokopel CC dan termometer alkohol (0-100 oC). Sebaran Suhu pengukuran dapat dilihat pada Gambar 13.
a. Pada bak penampung diletakkan pada tiga titik yaitu pada tengah bak didalam air untuk mengukur suhu bak penampung, pada pipa inlet yang meuju konsentrator, pada pipa outlet keluaran air dari pipa konsentrator atau pipa yang terhubung pada penukar panas.
20 b. Pada konsentrator surya terdapat tiga titik pengukuran suhu yang diletakkan di dalam
selang mengenai air sebelum menuju batang absorber pada inlet konsentrator, didalam batang konsentrator yang telah dilubangi pada bagian tengah batang tembaga dan diletakkan termokopel di dalam pipa keluaran air pada outlet konsentrator
c. Pada penukar panas diletakkan pada inlet masuk air menuju penukar panas dan di dalam pipa keluar menuju bak masih didalam kotak pengering sebelum melewati selang kelauran bak penampung
d. Titik pengukuran suhu pada ruang pengering diletakkan pada rak bagian atas dan bawah posisinya berada di kanan dan kiri pipa penukar panas. Pengujian ini dilakukan tanpa beban
e. Titik pengukuran suhu lingkungan diletakkan pada luar sekitar alat ERK dengan menggunakan termometer alkohol (0-100 oC)
Laju aliran massa air dihitung dengan menggunakan gelas ukur pada debit yang keluar pada awal percobaan dan akhir percobaan.