RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA SEBAGAI PENGHASIL FLUIDA PANAS PADA ALAT PENGERING HIBRIDA POMPA KALOR
DAN SURYA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLEH :
BUDI HARRY CIPTA 100401004
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT atas segala rahmat
dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir
ini yang berjudul “RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA SEBAGAI PENGHASIL FLUIDA PANAS PADA ALAT PENGERING HIBRIDA
POMPA KALOR DAN SURYA”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan
Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, nasihat dan bantuan baik materil,
maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu
penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :
1. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita ST.MT. selaku dosen pembimbing yang
telah membantu dalam bimbingan serta dukungan dalam penulisan skripsi
ini.
2. Bapak Ir. Abdul Halim Nasution MSc. selaku dosen pembanding 1 penulis
yang telah memberi masukan dan saran tentang penulisan laporan skripsi
ini.
3. Bapak Tulus Burhanudin S. ST.MT. selaku dosen wali yang telah
membimbing dan memberikan nasihat selama penulis kuliah dan menjadi
dosen pembanding 2 penulis sehingga skripsi ini menjadi lebih baik lagi.
4. Bapak Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom MT. selaku
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara.
5. Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina MT. yang telah memberikan masukan dan saran
6. Kedua orang tua penulis, Sucipto Bsc. dan Indah Budi Bsc. yang tidak
pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a, nasihat serta kasih
sayangnya yang tidak terhingga kepada penulis.
7. Kakak penulis Ria Agustina Str.keb, adik penulis Adytia Indra Cipta dan
keluarga lainnya yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam
penyelesaian skripsi ini.
8. Ibunda Sabda Tuah Raja Bangun yang telah menjaga asupan gizi kami
dalam bentuk makan siang yang sehat dan lezat.
9. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis
kuliah.
10. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Sabda Tuah Raja Bangun dan Nico
Hermanto Simarmata yang telah bersama-sama berjuang untuk
menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses
penyusunan skripsi.
11. Teman-teman penulis khususnya anggota Laboratorium Foundry Candra,
Abdurrahman, Ade, Aji Pajar, Zaki, Septian, decki yang telah memberikan
dukungan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
12. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 Khususnya M Ilham, Aldi, Jeri,
Bowo, Roji, Irwan, Yogi, Andika, Suhandika, Afri, Febi, Sigit dan
rekan-rekan lainnya, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah
mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam
penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterimakasih dan
dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya
tulisan yang lebih sempurna. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat
memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, Juni 2015
ABSTRAK
Alat pengering tenaga surya merupakan alat untuk mengeringkan bahan dalam ruang tertutup yang memanfaatkan radiasi matahari secara langsung dengan menggunakan kolektor. Prinsip kerjanya adalah dengan sinar matahari yang masuk menembus tutup yang berbahan kaca dan memanasi pelat kolektor hitam yang ada di bawahnya. Untuk itu, pada skripsi ini dirancang sebuah kolektor surya berukuran 1,5m x 3m x 0,171m. Perancangan kolektor surya ini bertujuan untuk mengeringkan coklat dari kadar air awal ±60% menjadi >7%. Kolektor surya diisolasi dengan rockwoll, sterofoam dan polyurethane sehingga kehilangan panas dapat diminimalisasi. Medium pengering adalah udara panas yang dihasilkan melalui kolektor yang menangkap radiasi sinar matahari dan dialirkan secara alamiah keruang ruang pengering selanjutnya akan digunakan untuk mengeringkan coklat. Setelah dilakukan penelitian dengan metode eksperimen yakni dengan cara mengamati dan mengukur langsung hal-hal yang dilakukan pada alat pengering tersebut kemudian dilakukan pengolahan serta evaluasi data penelitian. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pada pukul 09:00– 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 3014.0933 watt, dan kehilangan panas rata-rata pada kolektor 1 adalah 1025.0267 watt dan kolektor 2 adalah 737.832 watt.
ABSTRACT
Solar drier is a tool for drying object in an enclosed space which utilize direct solar radiation by using collectors. The principle works is the incoming sunlight to penetrate the lid are made of glass and heats the black collector plate underneath. To that end, in this final project designed a solar collector measuring 1.5m x 3m x 0,171m. The design of solar collectors is intended for drying cocoa from initial moisture content of ± 60% to > 7%. Solar collector isolated with rockwool, Styrofoam and polyurethane so that heat loss can be minimized. Medium hot air dryer is generated through the collector which captures solar radiation and naturally flowed chamber drying chamber will then be used to dry cocoa. After doing research with the experimental method by observing and measuring directly the things done in the drier is then performed the processing and evaluation of research data. From the results of research and analysis conducted at 09:00 - 17:00 pm during the sunny weather conditions, obtained an average heat radiation that can be absorbed by collector is 3014.0933 watts, and an average heat loss in the first collector is 1025.0267 watt and second collector is 737.832 watts.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR SIMBOL ... xi
BAB I PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Manfaat Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Matahari ... 5
2.1.1 Bagian-Bagian Matahari ... 8
2.1.2 Manfaat dan Peran Matahari... 11
2.2 Kolektor Surya ... 12
2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya ... 12
2.2.2 Manfaat Kolektor Surya... 15
2.3 Pengeringan ... 15
2.4 Tinjauan Perpindahan Panas... 19
2.4.1 Konduksi ... 20
2.4.2 Konveksi ... 21
2.4.3 Radiasi... 25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 27
3.2.1 Perancangan Pelat Absorber ... 28
3.2.2 Perancangan Penutup Kolektor ... 28
3.2.3 Perancangan Isolasi ... 29
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan... 29
3.3.1 Peralatan Pengujian ... 29
3.3.2 Bahan Pengujian ... 36
3.4 Persiapan Penelitian ... 39
3.5 Proses Pembuatan Kolektor ... 40
3.6 Prosedur Penelitian ... 43
BAB IV RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA ... 45
4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (solar radiation) ... 45
4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran ... 45
4.2 Desain Kolektor Surya ... 46
4.3 Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya ... 47
4.3.1 Menghitung Kecepatan Udara Dalam Kolektor ... 49
4.3.2 Menghitung Kehilangan Panas pada Dinding ... 49
4.3.3 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Alas ... 55
4.3.4 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Atas ... 56
4.3.5 Menghitung Kehilangan Panas Radiasi ... 57
4.3.6 Menghitung Kehilangan Panas Total Kolektor ... 58
4.4 Total Panas yang Diserap Kolektor ... 58
4.5 Analisa Korelasi dan Regresi Kolektor Surya Terhadap Cuaca ... 71
BAB V KESIMPULAN dan SARAN ... 73
5.1 Kesimpulan ... 73
5.2 Saran ... 73
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Data tentang matahari ... 6
Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer ... 34
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ... 34
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ... 35
Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ... 36
Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran (Hobo) 13 Mei 2015 ... 45
Tabel 4.2 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 13 Mei 2015 ... 60
Tabel 4.3 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 13 Mei 2015 ... 62
Tabel 4.4 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 10 Mei 2015 ... 64
Tabel 4.5 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 10 Mei 2015 ... 66
Tabel 4.6 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 15 Mei 2015 ... 68
Tabel 4.7 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 15 Mei 2015 ... 70
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Matahari ... 5
Gambar 2.2 Hubungan antara matahari dengan bumi ... 7
Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari ... 8
Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana ... 13
Gambar 2.5 Konsentrator ... 14
Gambar 2.6 Evacuated Receiver ... 15
Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar ... 19
Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor ... 21
Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring ... 24
Gambar 3.1 Kolektor ... 28
Gambar 3.2 Laptop ... 30
Gambar 3.3 Agilient 34972 A ... 30
Gambar 3.4 Hot Wire Anemometer ... 31
Gambar 3.5 HoboMicrostation data logger ... 33
Gambar 3.6 Polyurethane... 37
Gambar 3.7 Polycarbonate... 37
Gambar 3.8 Pelat Aluminium ... 38
Gambar 3.9 Cat hitam gelap ... 38
Gambar 3.10 Rockwool ... 38
Gambar 3.11 Sterofoam ... 39
Gambar 3.12 Experimental Setup ... 39
Gambar 3.13 Desain kolektor pada software solidwork... 40
Gambar 3.14 Pembuatan rangka kolektor ... 40
Gambar 3.15 Pemasangan polyurethane ... 41
Gambar 3.16 Pemasangan sterofoam... 41
Gambar 3.18 Pemasangan pelat absorber ... 42
Gambar 3.19 Pemasangan kaca penutup ... 42
Gambar 3.20 Pemasangan kolektor pada mesin pengering ... 42
Gambar 3.21 Diagram Alir Tahapan Pengerjaan Skripsi ... 44
Gambar 4.1 Rancangan kolektor surya... 46
Gambar 4.2 Penamapang kolektor surya ... 47
Gambar 4.3 Gradient perpindahan panas pada isolator ... 48
Gambar 4.4 Grafik waktu vs temperature 13 Mei 2015 pukul 12.00 s/d 12.15 ... 48
Gambar 4.5 Grafik waktu vs intensitas radiasi tanggal 13 Mei 2015 ... 59
Gambar 4.6 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 13 Mei 2015 ... 59
Gambar 4.7 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015 ... 61
Gambar 4.8 Grafik waktu vs QLoss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015 ... 63
Gambar 4.9 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 10 Mei 2015 ... 63
Gambar 4.10 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 10 Mei 2015 ... 64
Gambar 4.11 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 10 Mei 2015 ... 65
Gambar 4.12 Grafik waktu vs QLoss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 10 Mei 2015 ... 67
Gambar 4.13 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 15 Mei 2015 ... 67
Gambar 4.14 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 15 Mei 2015 ... 68
Gambar 4.15 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 15 Mei 2015 ... 69
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
A Luas Penampang m2
A Ketinggian Dari Permukaan Laut km
B Konstanta Hari
� Panas Jenis kJ/kg K
E Faktor Persamaan Waktu menit
Eb Energi Matahari Yang Diterima Bumi kal/hari F’ Faktor Efisiensi Kolektor
g Gravitasi m/s2
� Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung
Ke Permukaan Bumi W/m2
� � Radiasi Difusi W/m2
Gon Radiasi Di Atmosfer W/m2
GrL Bilangan Grashof
Gsc Radiasi Rata-Rata Yang Diterima Bumi W/m2
� Radiasi Total W/m2
h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2 K hw Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi W/m2C
I Itensitas Radiasi Matahari W/m2
k Konduktivitas Bahan Termal W/mK
Lloc Posisi Bujur o
Lst Standart Meridian o
Nu Bilangan Nusselt
.
Q Laju Energi Panas Watt
Ral Bilangan Rayleigh
Re Bilangan Reynold
S Konstanta Matahari Ly.menit-1
ST Waktu Matahari
Tr Temperatur Udara Sekitar oC s
T
Temperatur Dinding oCT∞ Temperatur Udara Lingkungan oC
Kecepatan Karakteristik m/s
Kecepatan Profil Kolektor m/s
wQ Nilai Ketidakpastian
Nilai Absorbsifitas
Koefisien Udara 1/K
Sudut Deklinasi o
Tebal Lapisan Batas m
Emisivitas Bahan
� Efisiensi %
� Massa Jenis kg/m3
σ Kontanta Stefan Boltzomann W/m2 K4
̇ Laju Aliran Massa Udara kg/s
� Nilai Transmisifitas
̅ Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor oC
Δt Selang Waktu Perhitungan s
∆ Perbedaan Temperatur oC
φ Posisi Lintang o
ABSTRAK
Alat pengering tenaga surya merupakan alat untuk mengeringkan bahan dalam ruang tertutup yang memanfaatkan radiasi matahari secara langsung dengan menggunakan kolektor. Prinsip kerjanya adalah dengan sinar matahari yang masuk menembus tutup yang berbahan kaca dan memanasi pelat kolektor hitam yang ada di bawahnya. Untuk itu, pada skripsi ini dirancang sebuah kolektor surya berukuran 1,5m x 3m x 0,171m. Perancangan kolektor surya ini bertujuan untuk mengeringkan coklat dari kadar air awal ±60% menjadi >7%. Kolektor surya diisolasi dengan rockwoll, sterofoam dan polyurethane sehingga kehilangan panas dapat diminimalisasi. Medium pengering adalah udara panas yang dihasilkan melalui kolektor yang menangkap radiasi sinar matahari dan dialirkan secara alamiah keruang ruang pengering selanjutnya akan digunakan untuk mengeringkan coklat. Setelah dilakukan penelitian dengan metode eksperimen yakni dengan cara mengamati dan mengukur langsung hal-hal yang dilakukan pada alat pengering tersebut kemudian dilakukan pengolahan serta evaluasi data penelitian. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pada pukul 09:00– 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 3014.0933 watt, dan kehilangan panas rata-rata pada kolektor 1 adalah 1025.0267 watt dan kolektor 2 adalah 737.832 watt.
ABSTRACT
Solar drier is a tool for drying object in an enclosed space which utilize direct solar radiation by using collectors. The principle works is the incoming sunlight to penetrate the lid are made of glass and heats the black collector plate underneath. To that end, in this final project designed a solar collector measuring 1.5m x 3m x 0,171m. The design of solar collectors is intended for drying cocoa from initial moisture content of ± 60% to > 7%. Solar collector isolated with rockwool, Styrofoam and polyurethane so that heat loss can be minimized. Medium hot air dryer is generated through the collector which captures solar radiation and naturally flowed chamber drying chamber will then be used to dry cocoa. After doing research with the experimental method by observing and measuring directly the things done in the drier is then performed the processing and evaluation of research data. From the results of research and analysis conducted at 09:00 - 17:00 pm during the sunny weather conditions, obtained an average heat radiation that can be absorbed by collector is 3014.0933 watts, and an average heat loss in the first collector is 1025.0267 watt and second collector is 737.832 watts.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemanfaatan energi radiasi dari matahari merupakan salah satu bentuk energi alternatif yang dapat menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah untuk mengeringkan hasil panen dengan menggunakan sebuah perangkat yang disebut dengan kolektor surya.
Alat pengering tenaga surya merupakan alat pengering bahan dalam ruang tertutup yang memanfaatkan radiasi matahari secara langsung dengan menggunakan kolektor. Prinsip kerjanya adalah dengan sinar matahari yang masuk menembus tutup yang berbahan kaca dan memanasi pelat kolektor hitam yang ada di bawahnya.
Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.
Dibidang Industri Kolektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti Negara jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan permasalahn ini.
Indonesia dikenal sebagai negara agraris karena sebagian besar penduduk Indonesia mempunyai pencaharian di bidang pertanian, perkebunan ataupun bercocok tanam. Namun kualitas produk pasca panen masih sangat rendah. Sangat disayangkan para petani masih menjemur hasil panen secara langsung dibawah sinar matahari dan udara terbuka.
tidak optimal. Ditambah lagi ketiadaan alat pengering menjadikan hasil pertanian berjamur dan rusak karena lembapnya udara. Akibatnya, harga jual produk-produk itu rendah. Petani pun mengalami kerugian yang tidak sedikit. Untuk mencegah kerugian yang dialami para petani, diperlukan suatu alat pengering. Dengan alat itu, jamur dan mikroba yang bisa merusak produk-produk pertanian dan perkebunan bisa dihilangkan.
Mengingat wilayah Indonesia memiliki sinar matahari cukup melimpah, terletak pada daerah khatulistiwa yang mempunyai iklim tropis dan radiasi surya hampir sepanjang tahun, sehingga pengembangan teknologi tepat guna yang memanfaatkan sinar matahari sebagai energi alternatif sangat sesuai aplikasinya dalam bidang pengering berupa Pengering Tenaga Surya yang memanfaatkan sinar matahari untuk memanaskan udara pengering.
Pemanfaatan energi sinar matahari dapat digunakan pada pengering untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil yang akan menyebabkan pemanasan global. Pengolahan pasca panen hasil pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan masyarakat Indonesia, yang sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara yang cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat menjaga mutu dan kualitas produk pasca panen tersebut. Hal-hal inilah yang melatarbelakangi penelitian ini.
1.2 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian skripsi ini adalah :
1. Merancang dan membuat kolektor surya untuk mesin pengering dengan
menggunakan pompa kalor.
2. Untuk mengetahui berapa besar kehilangan panas dan energi radiasi yang
dapat diserap oleh kolektor surya.
3. Untuk mengetahui isolator yang baik pada kolektor surya.
4. Untuk mengetahui penutup kolektor dan plat absorber yang baik untuk
kolektor surya.
1.3 Batasan Masalah
2. Variable yang diamati adalah temperatur, waktu, dan bahan yang
dikeringkan.
3. Pegujian dilakukan pada kondisi cuaca cerah.
4. Pengujian dilakukan di kota Medan yangterletak pada posisi 4o LU - 98o BT dengan ketinggian 2,5 - 37,5 m diatas permukaan laut.
1.4 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah:
1. Memberikan rekomendasi kepada masyarakat bahwa pengeringan
menggunakan pompa kalor yang dibantu kolektor surya lebih efisien
dibandingkan mengeringkan menggunakan bahan bakar fosil.
2. Memberikan alternatif lain yang lebih ramah lingkungan untuk
mengeringkan hasil pertanian ataupun hasil industri lainnya.
3. Menjaga kualitas mutu dan harga jual produk yang dihasilkan.
1.5 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:
BAB I PENDAHULUAN
Berisi tentang latar belakang yang menentukan pengambilan penelitian dan dilanjutkan dengan tujuan penelitian, batasan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan skripsi ini.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan tentang ulasan teori-teori yang berhubungan dengan penelitian skripsi ini baik dari teori dasar maupun teori penunjang lainnya. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari: buku-buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-book, dan e-news.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
langkah-langkah penelitian, pengolahan, dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.
BAB IV HASIL DAN DISKUSI
Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan hasilnya.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari semua penelitian yang dilakukan untuk skripsi ini dan saran yang mendukung kedepannya.
DAFTAR PUSTAKA
Berisi seluruh referensi yang digunakan dalam penelitian untuk pembuatan tugas akhir ini.
Lampiran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Matahari
Matahari adalah bintang di pusat tata surya. Hal ini hampir bulat sempurna
dan terdiri dari plasma panas terjalin dengan medan magnet. Matahari memiliki
diameter sekitar 1.392.684 km, sekitar 109 kali Bumi, dan massa (sekitar 2 ×
1.030 kilogram, 330.000 kali Bumi) menyumbang sekitar 99,86% dari total massa
dari tata surya. Secara kimiawi, sekitar tiga perempat dari massa matahari terdiri
dari hidrogen, sedangkan sisanya sebagian besar helium. Sisanya (1,69%, yang
tetap sama dengan 5.628 kali massa Bumi) terdiri dari elemen yang lebih berat,
termasuk oksigen, neon karbon, dan besi.
Gambar 2.1 Matahari [18]
Letak nya yang berjarak 149 juta kilometer dari bumi membuat panas dan
cahayanya sangat mendukung dan berguna bagi kehidupan. Tumbuhan
membutuhkan cahaya nya setiap hari untuk berfotosintesis, manusia mengubah
cahaya nya menjadi sumber energi listrik dan menggunakan panas nya sebagai
salah satu cara menjemur pakaian. Dalam klasifikasi bintang kelas spectral,
Matahari merupakan bintang kelas G2V. G2 mengindikasikan permukaan
matahari diperkirakan sekitar 9.941° Fahrenheit atau sekitar 5.505° Celcius. V
matahari menghasilkan energi dari hasil fusi nuklir inti hidrogen dengan inti
helium dan pada Inti matahari, matahari mem-fusikan hidrogen dari 430 hingga
600 juta ton per detik nya [8].
Tabel 2.1 Data tentang matahari
Ciri-ciri fisik
Diameter rata-rata 1,392684×106 km Radius khatulistiwa 6,96342×105 km
109 × Bumi
Keliling khatulistiwa 4,379×106 km 109 × Bumi
Kepepatan 9×10−6
Luas permukaan 6,0877×1012 km2 11.990 × Bumi
Volume 1,412×1018 km3
1.300.000 × Bumi
Massa 1,9891×1030 kg
333.000 × Bumi Matahari
Data pengamatan Jarak rata-rata
dari Bumi
1,496×108 km
8 menit 19 detik (kecepatan cahaya)
Kecerahan visual (V) −26,74
Magnitudo absolut 4,83
Klasifikasi spektrum G2V
Metalisitas Z = 0,0122
Kepadatan rata-rata 1,408×103 kg/m3
Kepadatan Pusat (model): 1,622×105 kg/m3 Fotosfer bawah: 2×10−4 kg/m3 Kromosfer bawah: 5×10−6 kg/m3 Korona (rt): 1×10−12 kg/m3 Gravitasi permukaan
khatulistiwa
274,0 m/s2 27,94 g 27.542,29 cgs 28 × Bumi
Kecepatan lepas (dari permukaan)
617,7 km/detik 55 × Bumi
Suhu Pusat (model): ~1,57×107 K
Fotosfer (efektif): 5.778 K Korona: ~5×106 K
Luminositas (Lsol) 3,846×1026 W ~3,75×1028 lm ~98 lm/W daya
Intensitas rata-rata (Isol) 2,009×107 W·m−2· sr−1
Usia 4,57 miliar tahun
Sumber: From www.blogspot.com/m_yq_7VZQsA/s1600/matahari.JPG [18]
Pada gambar juga ditampilkan nilai konstanta matahari GSC, yang merupakan daya radiasi rata-rata yang yang diterimabumi (diluar atmosfer) dari
matahari pad aarah tegak lurus permukaan.
Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak dari matahari ke bumi
tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1.52 x 1011 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4.8 KWh/m2 atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Matahari merupakan sumber energi yang
benar-benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang
memiliki Matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi
selanjutnya dapat dikatakan gratis.
Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin
angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya
memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah
karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk
diinstal. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk daerah-daerah
terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak
memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru
mencapai 55-60 % dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah
daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik. Sumber energi
berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah
energi yang dipancarkan oleh matahari. Energi matahari sangat efektif karena
tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis.
Setiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 1026 kalori. Energi matahari persatuan luas pada jarak dari permukaan bola dengan matahari sebagai
pusat bulatan dan jari-jari bulatan 150 juta km (jarak rata-rata bumi dengan
matahari) adalah :
S
=
. � −�
...
(2.1)S ≈ 2,0 kal.cm-2.menit-1 (pembulata) = Langley menit-1
Maka energy matahari yang diterima bumi dengan jari-jari 6370 km adalah :
Eb= π a2 S ………(2.2)
= 3,14 x (637 x 106 cm)2 x 2 kal cm-2menit-1 = 2,55 x 1018 kal.menit-1
= 3,67 x 1021 kal/hari 2.1.1 Bagian-bagian matahari
Matahari memiliki bagian-bagian penting yang membentuknya, berikut
adalah bagian dari matahari.
Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari [4]
A. Inti Matahari
Inti adalah area terdalam dari Matahari yang memiliki suhu sekitar 15 juta
o
C. Berdasarkan perbandingan diameter, bagian inti berukuran seperempat jarak
dari pusat ke permukaan dan 1/64 total volume Matahari. Kepadatannya adalah
sekitar 150 g/cm3. Suhu dan tekanan yang sedemikian tingginya memungkinkan
adanya pemecahan atom-atom menjadi elektron, proton, dan neutron.
Sementara itu, energi panas di dalam inti menyebabkan pergerakan elektron
dan proton sangat cepat dan bertabrakan satu dengan yang lain menyebabkan
reaksi fusi nuklir. Inti Matahari adalah tempat berlangsungnya reaksi fusi nuklir
helium menjadi hidrogen. Energi hasil reaksi termonuklir di inti berupa sinar
gamma dan neutrino memberi tenaga sangat besar sekaligus menghasilkan
seluruh energi panas dan cahaya yang diterima di Bumi. Energi tersebut dibawa
B. Zona Radiatif
Zona radiatif adalah daerah yang menyelubungi inti Matahari. Energi dari inti
dalam bentuk radiasi berkumpul di daerah ini sebelum diteruskan ke bagian
Matahari yang lebih luar. Kepadatan zona radiatif adalah sekitar 20
g/cm3 dengan suhu dari bagian dalam ke luar antara 7 juta hingga 2 juta derajat
Celcius. Suhu dan densitas zona radiatif masih cukup tinggi, namun tidak
memungkinkan terjadinya reaksi fusi nuklir.
C. Zona konvektif
Zona konvektif adalah lapisan di mana suhu mulai menurun. Suhu zona
konvektif adalah sekitar 2 juta 0C. Energi dari inti Matahari membutuhkan waktu 170.000 tahun untuk mencapai zona konvektif. Saat berada di zona konvektif,
pergerakan atom akan terjadi secara konveksi di area sepanjang beberapa ratus
kilometer yang tersusun atas sel-sel gas raksasa yang terus bersirkulasi.
D. Fotosfer
Fotosfer atau permukaan matahari meliputi wilayah setebal
500 kilometer dengan suhu sekitar 5.500 derajat Celcius (10.000 derajat
Fahrenheit). Sebagian besar radiasi Matahari yang dilepaskan keluar berasal dari
fotosfer. Energi tersebut diobservasi sebagai sinar Matahari di Bumi, 8 menit
setelah meninggalkan Matahari.
E. Kromosfer
Kromosfer merupakan lapisan gas di atas fotoser yang tebalnya sekitar l6.000
km. Oleh karena itu, kromosfer sering disebut lapisan atmosfer matahari. suhu
kromosfer diperkirakan sekitar 4.000 oC. Makin ke atas. suhu kromosfer makin tinggi. Pada lapisan yang paling atas.,suhu kromosfer diperkirakan mencapai
10.000 0C. Warna dari kromosfer biasanya tidak terlihat karena tertutup cahaya yang begitu terang yang dihasilkan fotosfer. Kromosfer hanya dapat dilihat pada
saat terjadi gerhana matahari total. Pada saat itu. Kromosfer tampak seperti
F. Korona
Korona merupakan lapisan terluar dari Matahari. Lapisan ini berwarna putih,
namun hanya dapat dilihat saat terjadi gerhana karena cahaya yang dipancarkan
tidak sekuat bagian Matahari yang lebih dalam. Saat gerhana total terjadi, korona
terlihat membentuk mahkota cahaya berwarna putih di sekeliling Matahari.
Lapisan korona memiliki suhu yang lebih tinggi dari bagian dalam Matahari
dengan rata-rata 2 juta derajat Fahrenheit, namun di beberapa bagian bisa
mencapai suhu 5 juta derajat Fahrenheit.
G. Bintik matahari
Bintik Matahari adalah granula-granula cembung kecil yang ditemukan di
bagian fotosfer Matahari dengan jumlah yang tak terhitung. Bintik Matahari
tercipta saat garis medan magnet Matahari menembus bagian fotosfer. Ukuran
bintik Matahari dapat lebih besar daripada Bumi. Bintik Matahari memiliki
daerah yang gelap bernama umbra, yang dikelilingi oleh daerah yang lebih terang
disebut penumbra.
Warna bintik Matahari terlihat lebih gelap karena suhunya yang jauh lebih
rendah dari fotosfer. Suhu di daerah umbra adalah sekitar 2.200 °C sedangkan di
daerah penumbra adalah 3.500 °C.
H. Lidah api (prominensa)
Prominensa adalah salah satu ciri khas Matahari, berupa bagian Matahari
menyerupai lidah api yang sangat besar dan terang yang mencuat keluar dari
bagian permukaan serta seringkali berbentuk loop (putaran).
Prominensa berisi materi dengan massa mencapai 100 miliar kg. Prominensa
terjadi di lapisan fotosfer Matahari dan bergerak keluar menuju korona
Matahari. Plasma prominensa bergerak di sepanjang medan magnet
Matahari. Pergerakan semburan korona tersebut terjadi pada kecepatan yang
sangat tinggi, yaitu antara 20 ribu m/s hingga 3,2 juta km/s. Pergerakan tersebut
juga menyebabkan peningkatan suhu hingga puluhan juta derajat dalam waktu
2.1.2 Manfaat dan peran Matahari
Matahari adalah sumber energi bagi kehidupan. Matahari memiliki banyak
manfaat dan peran yang sangat penting bagi kehidupan seperti:
a) Panas Matahari memberikan suhu yang pas untuk kelangsungan
hidup organisme di Bumi.
b) Cahaya Matahari dimanfaatkan secara langsung oleh tumbuhan
berklorofil untuk melangsungkan fotosintesis
c) Mahluk hidup yang sudah mati akan menjadi fosil yang menghasilkan minyak
Bumi dan batu bara sebagai sumber energi. Hal ini merupakan peran dari
energi Matahari secara tidak langsung.
d) Pembangkit listrik tenaga Matahari adalah moda baru pembangkit listrik
dengan sumber energi terbarukan. Pembangkit listrik ini terdiri dari kaca-kaca
besar atau panel yang akan menangkap cahaya Matahari dan
mengkonsentrasikannya ke satu titik
e) Pergerakan rotasi Bumi menyebabkan ada bagian yang menerima sinar
Matahari dan ada yang tidak. Hal inilah yang menciptakan adanya hari siang
dan malam di Bumi. Sedangkan pergerak Bumi mengelilingi Matahari
menyebabkan terjadinya musim.
f) Matahari menjadi penyatu planet-planet dan benda angkasa lain di sistem tata
surya yang bergerak atau berotasi mengelilinya. Keseluruhan sistem dapat
berputar di luar angkasa karena ditahan oleh gaya gravitasi Matahari yang
sangat besar.
2.2 kolektor surya
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.
Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen
1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan
2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .
4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan
5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor
2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
A. Kolektor Plat Datar
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan
fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi
radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak
, oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran
dibawah 95°C dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk
memanaskan udara dan air.
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan
langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk
memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses
pemanasan dalam industry [8].
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya
yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal
tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar
memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ),
perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk
pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas
industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara
lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka.
Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana [8]
B. Concentrating Collectors
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu
memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga
dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber.
Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang
terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen
absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan
Point Focus
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,
concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking.
Temperatur fluida melebihi 400 oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.
C. Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya
terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan
panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak
diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga
mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari
permukaan luar absorber menuju lingkungan.
Gambar 2.6 Evacuated Receiver [8]
2.2.2 Manfaat kolektor surya
Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti
bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor
surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil
pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu
yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk
kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.
Dibidang Industri Koektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti
negara Jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk
mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan
penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar
minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya
sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan
permasalahn ini.
Dibidang teknologi tenaga listrik dapat dihasilkan dari kolektor surya
listrik merupakan kebutuhan masyarakat, penggunaan tenaga matahari sebagai
bahan yang menggubah sinar menjadi energi listrik patut dikembangkan, seperti
yang pernah diterapkan oleh pemerintah pada tahun 2002 di daerah Bireun, Aceh
Utara, pemerintah mencoba memberikan listrik tenaga surya bagi masyarakat
setempat, tetapi karena peralatan yang tidak mencukupi dan tidak memadai maka
proyek ini hanya berjalan ditempat, Output dari tenaga matahari tersebut hanya
menghasilkan tenaga sebesar 10 – 20 volt dalam semalam. Padahal kalau jika
dikembangkan dan diadakan penelitian lebih lanjut kemungkinan besar akan
berhasil, tetapi mungkin mengingat dana yang juga sangat besar mungkin
pemerintah menunda dulu proyek tersebut. Tetapi pada intinya tenaga surya bisa
bermanfaat dan dapat menghasilkan listrik.
2.3 Pengeringan
Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke
waktu. Perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia
yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin meningkatnya jumlah
penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan pertanian dan perkebunan makin
menyempit. Hal tersebut menyebabkan dibutuhkannya teknologi-teknologi
pemrosesan produk pertanian dan perkebunan yang mampu meningkatkan
kualitas dan kuantitas produk tersebut, salah satunya adalah teknologi
pengeringan bahan pangan.
Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang
terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembaban dari suatu bahan sampai batas
kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber
panas dan penerima uap cairan [16]. Pengeringan merupakan proses pemindahan
menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan, yang
dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Tujuan
pengeringan itu sendiri adalah untuk mengurangi kadar air bahan sampai batas
dimana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat
menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti.
Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu
simpan yang lebih lama. Metode pengeringan secara umum terbagi menjadi dua,
pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami membutuhkan
lahan yang luas, sangat tergantung pada cuaca, dan sanitasi hygiene sulit
dikendalikan sedangkan pada pengeringan buatan kendala tersebut dapat diatasi
[15].
Kelemahan Pengeringan buatan adalah memerlukan keterampilan dan
peralatan khusus, serta biaya lebih tinggi dibanding pengeringan alami.
Mekanisme pengeringan ketika benda basah dikeringkan secara termal dan
berlangsung secara simultan ada dua. Mekanisme pertama perpindahan energi dari
lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat.
Perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi,
konveksi, radiasi, atau kombinasi dari ketiganya. Proses ini dipengaruhi oleh
temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas
permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses
penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan.
Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh
peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film
tipis udara. Mekanisme yang kedua perpindahan massa air yang terdapat di dalam
benda ke permukaan. Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi
perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat
menuju ke permukaan benda padat. Struktur benda padat tersebut akan
menentukan mekanisme aliran internal air.
Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa
1. Baki atau wadah
Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material
yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media
pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi
dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan
memanaskan baki tersebut.
2. Rotary
Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara
material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium
pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan
bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat
penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan
terjadinya konduksi.
3. Flash
Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan
kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi
yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan
proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa
produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang
dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.
4. Spray
Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan
produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat.
Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan
produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan
dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas.
Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan
padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan
dengan hydrocyclone.
5. Fluidized bed
Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif
tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika
dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih
besar.
6. Vacum
Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah.
Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang
terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.
7. Membekukan
Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya
digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk
farmasi dan zat-zat kimia lainnya.
8. Batch dryer
Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang
sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.
Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe
wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas
udara pengering.
2.4 Tinjauan perpindahan panas
Dalam perencanaan suatu alat dengan pemanfaatan tenaga surya perlu
diketahui semua jenis perpindahan panas yang terjadi selama siklus terjadi.
Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan
cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara
konveksi dan konduksi ke udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan
Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar [4]
Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke
daerah lain yang terjadi karena perbedaan suhu. Panas ini akan mengalir dari
tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur
rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis
besar dapat dibagi menjadi 3 bagian :
a. Konduksi
b. Konveksi
c. Radiasi
2.4.1 Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu
bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih
rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut
pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan
pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran
(flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat,
sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik
Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah
memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi,
model matematikanya yaitu :
L t kA
Q
...
(2.3)dengan : Q = laju aliran energi (W)
A = luas penampang (m2)
Δt = beda suhu (K)
L = panjang (m)
K = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)
Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan
perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur
molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang
umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat
dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat
terdapat pada bahan bukan logam.
Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum
dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :
dx dT kA
Qx
...
(2.4)Bahan yang mempunyai konduktifitas termal yang tinggi dinamakan
konduktor, sedangkan bahan yang konduktifitas termal rendah disebut isolator.
Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir
Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor [4]
Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi
pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwool, steroform, dan kayu. Energi
panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam kolektor menuju temperatur
yang lebih dingin (temperatur lingkungan).
2.4.2 Konveksi
Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan
benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan
panas secara konveksi telah diajukan oleh Newton pada tahun 1701 yang berasal
dari pengamatan fisika.
) (s f c
c h At t
Q
...
(2.5)dengan : hc = koefisien konveksi (W/m2K) ts = suhu permukaan (0C)
tf = suhu fluida (0C)
Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang
banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :
a. Bilangan Reynold (Re)
Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran
fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re<2300 dikatakan aliran
laminar; Re>2300 dikatakan aliran turbulen.
DRe . .
...
(2.6)dengan :
= rapat massa (kg/m3)v = kecepatan aliran fluida (m/s)
D = diameter aliran fluida (m)
μ = viskositas fluida (Pa.det)
b. Bilangan Prandtl (Pr)
Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi
dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan
viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu :
k C
Pr p.
...
(2.7)dengan : Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K)
μ = viskositas fluida (Pa.det)
k = konduktivitas thermal (W/m2K) c. Bilangan Nusselt (Nu)
k D h
Nu c.
...
(2.8)dengan : hc = koefisien konveksi (W/m2K) D = diameter efektif aliran fluida (m)
Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu
sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan :
) )(Pr (Ren m C
Nu
...
(2.9)Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut:
1. Bidang vertikal
Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai
dua kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida
sehingga fluidanya mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih
rendah dari temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif
persamaan mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang
berbeda. Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang
bidang L dan dinyatakan dengan L Ra. Untuk kasus ini ada beberala alternatif
yang dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada
McAdams (1954), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu:
Nu = 0,59 RaL0,25 untuk 104≤ RaL≤ 9 ...(2.10)
Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109≤ RaL ≤ 13...(2.11)
2. Bidang miring
Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan
90o. Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut kemiringannya kurang dari 90o. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya
harus diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah pelat yang panas dimiringkan
Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring [4]
Pada ruang pengering (kanal) kolektor surya ini perpindahan panas yang
terjadi menuju ruang pengering (drying chamber) adalah perpindahan panas
konveksi natural, sehingga aliran udara bergerak yang terjadi melalui kolektor
adalah akibat perpindahan panas konveksi natural. Perpindahan panas pada
kolektor dianalisa dengan plat absorber adalah plat miring dan dengan temperatur
seragam. Profil kecepatan dalam lapisan batas adalah:
=
( )�
−
�...
(2.12)Dengan adalah tebal lapisan batas (m) adalah daerah yang mengalami hambatan karena adanya tegangan geser pada permukaan plat dan
kaca sehingga partikel fluida terpaksa berhenti pada sekitar permukaan benda,
baik di permukaan plat maupun di permukaan kaca. Vc(y) adalah kecepatan
karakteristik yang merupakan fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y). Pada
posisi y yang sama, kecepatan karakteristik ini sama sepanjang x. persamaan
Dan tebal lapisan batas adalah :
Konstanta gravitasi pada persamaan diatas adalah gravitasi yang searah dengan plat miring (g cos Ө).
Pada gambar dapat dilihat bahwa pada bidang miring dengan sudut
kemiringan θ terhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi
g cos θ yang sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat dianggap
sebagai pelat vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi g cos θ. Maka untuk
bidang miring semua persamaan pada kasus bidang vertikal dengan Ts dan q′′ konstan dapat digunakan. Tetapi gravitasi g harus diganti menjadi g cos θ saat
menghitung bilangan Ra.
Ra
L=
cos � −
...
(2.15)Setelah menghitung bilangan Ra, maka semua persamaan untuk pelat
vertikal, dapat digunakan. Kita tinggal memilih persamaan mana yang sesuai
untuk kasus yang sedang dibahas.
2.4.3 Radiasi
Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton
dipancarkan dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu
permukaan ke permukaan lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang
diradiasikan juga diserap, dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui
permukaan tersebut
Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya
pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya
pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya. Untuk
Daya pancar :
Eb = σ. T
4...
(2.16)dimana : Eb = daya pancar benda hitam (W/m2)
σ = tetapan Stefan-Boltzmann = 5.669 x 10 -8W/m2K4
T = suhu absolute (K)
Perpindahan panas secara radiasidipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:
1. Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar
kecil jumlahpancaran yang akan dapat dilepaskan.
2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau
menyerap panas.
3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan
menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan
lain.
Karakteristik Radiasi dari Permukaan Benda Hitam:
1. Emisi Permukaan
Sifat dari permukaan radiasi (emisivitas) didefinisikan sebagai perbandingan
radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam pada temperatur yang sama.
Emisivitas mempunyai nilai yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang
dan arahnya. Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1, di mana benda hitam mempunyai
nilai emisivitas 1.
2. Absorbsivitas (Penyerapan)
Absorbsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi. Akibat
langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari
dalam medium yang terkena panas tersebut.
3. Transmisivitas
Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu Dan Tempat
Lokasi perancangan dan pembuatan alat pengering bertempat di Gedung
Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera
Utara. Waktu penelitian ± 7 bulan.
3.2 Metode Desain
Perancangan merupakan kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu
produk yang kebutuhannya dibutuhkan oleh masyarakat. Setelah perancangan
selesai maka kegiatan yang menyusul adalah pembuatan produk. Cara merancang
terdiri dari 4 tahap atau fase, yang masing-masing terdiri dari beberapa langkah
(Pahl danBeitz). Keempat fase tersebut adalah :
1. Fase Perumusan . (Formulation Phase)
2. Fase Fungsi (Functional Phase)
3. Fase Perancangan (Design Phase)
4. Hasil (Result)
Perencanaan alat pengering meliputi kolektor. Kolektor yang dipilih dalam
perancangan ini adalah kolektor pelat datar, karena tingkat kesulitan pembuatan
yang rendah namun memiliki efisiensi yang cukup baik dan sesuai dengan
kebutuhan untuk penelitian. Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi
triplek, pelat absorber, penutup transparan (akrilik), dan isolasi pada kolektor.
Perencanaan alat pengering bertujuan untuk membantu para petani dalam
mengolah hasil produksi perkebunan dan pertanian. Oleh karena itu pertimbangan
yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pengering yaitu: ekonomis,
Rockwool Poly carbonate
sterofoam
Plat aluminium Poly urethane 5mm
Gambar 3.1 Kolektor
3.2.1 Perancangan Pelat Absorber
Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan
mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara
secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara
lain:
Absorbsivitas tinggi (α) Emisifitas panas rendah ( ) Kapasitas panas kecil (Cp). Konduktifitas besar (k) Refleksi rendah (ρ)
Tahan panas dan tahan korosi Kaku dan mudah dibentuk Ada dipasaran
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat pengumpul yaitu: seng, aluminium,
tembaga, kuningan, dan baja. Dalam perancangan ini digunakan aluminium sesuai
pertimbangan di atas. Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan 0,5 mm.
Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam, agar jangan
terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.
3.2.2 Perancangan penutup kolektor
Penutup kolektor berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah
panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan
Transmisivitas tinggi (�) Absorsivitas rendah (α) Refleksivitas rendah (ρ) Tahan panas
Ada dipasaran dan kuat
Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan dua lapis polycarbonate
dengan ketebalan 3mm. Transmisivitas(�)= 0.88, emisifitas ( ) = 0.93.
3.2.3 Perancangan Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh
sifat-sifat bahan.Isolasi yang digunakan adalah:
Konduktifitas termal bahan (k) kecil. Mudah dibentuk dan praktis
harga murah dan ada dipasaran Tahan lama.
Isolator yang dipilih dalam perancangan ini adalah 1 lapisan polyurethane
dengan tebal 5mm dimana kehantaran thermalnya 0,023 W/m.K, rockwool
dengan tebal 50mm dimana kehantaran termalnya 0,04 W/m.K, dan sterofoam
dengan kehantaran thermalnya 0.036 W/m.K.
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan 3.3.1 Peralatan pengujian
Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah :
1. kolektor
Spesifikasi :
Tipe = Pelat datar
Panjang kolektor = 3 m
Lebar kolektor = 1,5 m
Luas kolektor = 4.5 m2 Kemiringan = 0o (180o) 2. Laptop
Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan
dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.
Gambar 3.2 Laptop
Spesifikasi:
a. G42 series
b. Intel core i3 processor
c. 14"widescreen
d. Os: Microsoft windows 7
3. Agilient 34972 A
Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik
yang akan diukur temperaturnya. Pencatatan data pengukuran disimpan
Gambar 3.3 Agilient 34972 A Dengan Spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah saluran termokopel 20 buah
c. Tegangan 250 Volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Ketelitian termokopel 0.03o C
f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
g. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistance
Temperature Detector (RTD), dan termistor, serta arus listrik AC
4. Anemometer
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang mengalir didalam
suatu aliran. Jenis Anemometer yang digunakan adalah Hot Wire
Gambar 3.4 Hot Wire Anemometer
Spesifikasi:
General Specification
Display 46.7 mm x 60 mm LCD display
Dual fu ctio eter’s display
Measurement m/s (meters per second)
Km/h (kilometers per hour0
Ft/min (feet per minute)
MPH (miles per hour)
Knot (nautical miles per hour)
Temp. oC, oF
Data hold
Memory Maximum and minimum with recall
Sampling Approx. 0.8 sec
Operating Humidity Less than 80% RH
Power Current Approx. DC 60-90 mA
Weight 280g
Dimension 210mmx75mmx50mm
Accessories Hot wire sensor 9V battery
Electrical Specifications Air Velocity
Measurement: Range: Resolution: Accuracy:
m/s 0.1 – 25.0 m/s 0.01 m/s ± (5%+1d) reading or
±(1%+1d) full scale Km/h 0.3 – 90.0 km/h 0.1 km/h
Ft/min 20 – 4925/min 1ft/min
MPH 0.2 – 55.8 MPH 0.1MPH
Knot 0.2 – 55.8knots 0.1knots
Temperature
Measuring
Range
0oC to 50oC (32oF to 122oF)
Accuracy ±1oC/1.8oF
5. Hobo Microstation Data Logger
Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke
komputer untuk diolah datanya. Dengan Spesifikasi :
a. Skala pengoperasian: 20 o C -50 o C dengan baterai alkalin40oC -70 o C dengan baterai lithium
c. Ukuran: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
d. Berat: 0,36 Kg
e. Memori: 512 Kb Penyimpanan data nonvolatile flash
f. Interval Pengukuran: 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)
g. Akurasi Waktu: 0 – 2 detik
[image:49.595.164.533.501.741.2]Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Micro station data logger yaitu :
Gambar 3.5 HoboMicrostation data logger Keterangan
1) Pyranometer
Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu
lokasi.Satuan alat ukur ini adalah W/m2. Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer
Parameter
pengukuran intensitas radiasi dengan interval 1 detik
Rentang
Pengukuran 0 sampai 1280 W/m 2
Temperatur kerja Temperature: -40°C to 75°C (-40°F to 167°F)
Akurasi
±10.0 W/m2 or ±5% . Tambahan temperatur error 0.38 W/m2/°C from 25°C (0.21 W/m2/°F from 77°F)
Resolusi 1.5 W/m2
Penyimpangan <±2% per Year
Panjang kabel 3 Meters (9.8 ft) 1
2 3
Berat 120 grams (4.0 oz)
Dimensi 41mm Height x 32mm Diameter (1 5/8" x 1 1/4")
Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]
2) Wind Velocity Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat
ukur ini adalah m/s. Berikut adalah spesifikasi wind velocity sensor.
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor
Parameter
pengukuran
Kecepatan angin rata-rata
Kecepatan angin terttinggi
Data Channels 2 Channel, 1 Port
Rentang pengukuran 0 to 45 m/s (0 to 100 mph)
Operasi kerja Temperatur: -40C to 75C (-40F to 167F)
Akurasi ±1.1 m/s (2.4 mph) atau 4%
Resolusi 0.38 m/s (0.85 mph)
Ambang batas awal 1 m/s (2.2 mph)
Kecepatan angin
maksimum
54 m/s (120 mph)
Radius pengukuran 3 Meter
Housing 3 buah Anemometer dengan bantalan
Teflon Bearings dan poros Hardened
Beryllium
Panjang kabel 3.0 Meters (10 ft)
Dimensi 190 cm x 51 cm (7.5" x 3.2")
Berat 300 gram (10 oz)
Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]
3) Ambient Measurement apparatus
Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar.
Satuan alat ukur ini adalah °C. Dengan spesifikasi:
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus
Rentang
pengukuran
Akurasi ±0.22°C at 25°C (±0.4°F at 77°F) see
Diagram
Resolusi 0.02°C @ 25°C (0.04°F @ 77°F)
Penyimpangan 0.05°C/yr + 0.1°C/1000 hrs above 100°C
Waktu Respon Water: 3.5 minutes to 90%
Air: 10 minutes to 90% ( Moving at 1m/sec)
Akurasi Waktu ±2 Minutes per Month at 25°C (77°F)
Sampling Rate 1 Second to 18 Hours
kapasitas
penyimpanan data
43,000 12-bit Samples/Readings
Konstruksi housing 316L Stainless Steel with O-ring seal
Tekanan/kedalaman
kerja
2200 psi (1500 m/4900 ft) maximum
Lingkungan kerja Air, Water, Steam (0 to 100% RH)
Berat 72 g (2.5 oz)
Dimensi 10.1cm long x 1.75cm diameter
Sumber: From R
![Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar [4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/141732.10743/34.595.174.477.82.307/gambar-perpindahan-panas-pada-kolektor-plat-datar.webp)
![Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring [4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/141732.10743/39.595.231.410.84.256/gambar-konveksi-natural-tebal-lapisan-batas-bidang-miring.webp)
