i
PERANCANGAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA
KAPASITAS 25 LITER
TUGAS AKHIR
BIDANG KONVERSI ENERGI
Diajukan kepada
Universitas Muhammadiyah Malang
Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan
Program Sarjana Teknik (S1)
Oleh :
ZAINUDDIN
09510002
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
iii
LEMBARAN PENGERAHAN
TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang
Untuk Memenuhi Satu Syarat Memperoleh
Gelar Sarjana Teknik Mesin
Disusun Oleh :
Zainuddin
NIM : 09510002
Yang telah disahkan oleh :
Dosen Pembimbing I Pembimbing II
(Ir. Hery Mujayin Kholik, MT) (Ir. Ali Saifullah, MT)
Mengetahui
Ketua Jurusan Teknik Mesin
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR
Nama : Zainuddin
Nim : 09510002
Bidang Keahlian : Konvesi Energi
No. ST. Pemb. TA : E.2/106/FT/III/2013
Judul : Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas
25 Liter Air
Pembimbing I : Ir. Hery Mujayin Kholik, MT
No. Catatan Asistensi Paraf
Dosen Pembimbing I
1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I
2 ACC Bab I
3 Konsultasi Bab II
4 ACC Bab II
5 Konsultasi Bab III
6 ACC Bab III
7 Konsultasi Bab IV
8 ACC Bab IV
9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil
10 ACC Bab V dan Seminar Hasil
Mengetahui :
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Ir. Mulyono, MT
Malang, 23 Januari 2014 Dosen Pembimbing I
v
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR
Nama : Zainuddin
Nim : 09510002
Bidang Keahlian : Konvesi Energi
No. ST. Pemb. TA : E.2/106/FT/III/2013
Judul : Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas
25 Liter Air
Pembimbing II : Ir. Ali Saifullah, MT
No. Catatan Asistensi Paraf
Dosen Pembimbing II
1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I
2 ACC Bab I
3 Konsultasi Bab II
4 ACC Bab II
5 Konsultasi Bab III
6 ACC Bab III
7 Konsultasi Bab IV
8 ACC Bab IV
9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil
10 ACC Bab V dan Seminar Hasil
Mengetahui :
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Ir. Mulyono, MT
Malang, 23 Januari 2014 Dosen Pembimbing II
LEMBAR SURAT PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah :
Nama : Zainuddin
Nim : 09510002
Tempat/Tanggal Lahir : Telaga Itar, 25 Juli 1990
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Instansi : Universitas Muhammadiyah Malang
Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa :
Sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya” Yang diajukan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang, sejauh yang saya
ketahui bukan merupakan duplikasi (“PLAGIASI”) dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan / atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di
lingkungan Universitas Muhammadiyah Malang atau instansi manapun, kecuali
bagian yang sumber informasinya saya kutipan dan daftar pustaka sebagaimana
mestinya.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk
digunakan sebagaimana mestinya.
Malang, 23 Januari 2014 Yang Menyatakan,
vii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji dan syukur kepada kehadirat Allah SWT yang
mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas
akhir dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya” ini akhirnya
dapat terselesaikan.
Seiring penyusunan skripsi ini, terdapat hambatan dan rintangan yang
dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa
ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ungkapkan terima kasih
atas jasa baik yang selama ini telah diterima, baik nasehat, petunjuk, ide, saran,
serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan sekripsi
ini. Ungkapan terimaksih tersebut disampaikan kepada :
1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non
materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan-pesannya yang tak akan
terlupakan.
2. Bapak Ir. Hery Mujayin Kholik. MT. Selaku Dosen Pembimbing I yang telah
memberikan bimbingan serta arahan secara intensif selama penyusunan
sekripsi ini dilakukan.
3. Bapak Ir. Ali Saifullah. MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah
memberikan masukan ide, serta saran dan cara-cara penulisan sehingga
terselesaikannya sekripsi ini.
4. Bapak Ir. Herry Supriyanto. MT yang telah bersedia memberikan bantuan
berupa bimbingan teoritis seara langsung maupun tidak langsung.
5. Teman-teman sebimbingan, rekan-rekan laboraturium di lingkungan Teknik
6. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terimakasih banyak atas bantuan
kalian semuannya.
Dalam penyusunan sekripsi ini tentunya terdapat kekurangan yang tidak
terbahas. Oleh sebab itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun akan
sangat diharapkan untuk pengembangan teknologi terkait. Semoga ALLAH SWT
memberikan sifat rahim Nya kepada semua pihak yang tersebut diatas dan
penyusun berharap semoga sekripsi ini bermanfaat bagi penyusun dan pembaca.
ix
DAFTARI ISI
COVER ... i
POSTER ... ii
LEMBARAN PENGESAHAN SKRIPSI ... iii
LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR ... iv
LEMBARAN PERYATAAN ... v
BERITA ACARA ... vi
ABSTRAK ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar Belakang ... 1
1.2Rumusan Masalah ... 2
1.3Tujuan Perancangan ... 3
1.4Batasan Masalah... 3
1.5Manfaat ... 3
1.6Konsep Desain ... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1Pemanas Air Tenaga Surya ... 6
2.2Perpindahan Panas Radiasi ... 8
2.3.1 Sifat Sifat Radiasi ... 10
2.3.2 Laju Perpindahan Panas Radiasi ... 12
2.3Perpindahan Panas Konduksi ... 13
2.3.1 Konduksi Bidang Datar ... 14
2.3.2 Konduksi Bidang Silinder ... 16
2.4Perpindahan Panas Konveksi ... 17
2.4.1 Konveksi Bebas ... 18
2.4.1.1 Konveksi Bebas Bidang Silinder ... 21
2.4.1.2 Konveksi Bebas Ruang Tertutup ... 22
2.4.2 Konveksi Paksa ... 23
2.4.2.1 Aliran didalam Pipa ... 23
2.5Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 25
2.6Tinjauan Mekanika Fluida ... 28
2.7.1 Bilangan Reynolds ... 29
2.7.2 Jenis jenis Aliran Fluida ... 30
III.METODOLOGI ... 32
3.1Metode Pengumpulan Data ... 32
3.2Skema Gambar Rancangan ... 33
3.3Pemilihan Spesifikasi Bahan ... 34
3.4Perhitungan Perancangan ... 36
3.4.2 Perpindahan Panas pada Kaca Penutup ... 36
3.4.3 Perpindahan Panas pada Pipa Sirkulasi Air ... 37
3.5FlowChart Perancangan ... 38
IV.PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 39
4.1Perhitungan Aliran Fluida di dalam Tabung Penampung ... 39
4.1.1 Perhitungan Diameter Tabung Penampung ... 39
4.1.2 Menghitung Luas Penampang Pipa Keluar Tabung ... 40
4.1.3 Menghitung Kecepatan Air Keluar Tabung ... 41
4.1.4 Menghitung Debit Aliran air didalam Pipa ... 42
4.1.5 Menghitung Laju Aliran Massa ... 42
4.1.6 Menentukan Jenis Aliran di dalam Pipa Kolektor ... 43
4.2Perancangan Kolektor ... 44
4.2.1 Menghitung Pipa Kolektor ... 44
4.2.2 Menghitung Luas Kerangka Pipa Kolektor ... 46
4.3Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor ... 46
4.3.1 Perpindahan Panas Pada Kaca Penutup ... 46
4.3.1.1 Perhitungan Temperatur permukaan Kaca ... 46
4.3.1.2 Perhitungan Temperatur dinding dalam Kaca ... 47
4.3.1.3 Perhitungan Laju Aliran Panas Konduksi ... 48
4.3.1.4 Perhitungan Perpan Konveksi Ruang Kolektor ... 49
4.3.1.5 Perhitungan Perpindahan Panas Menyeluruh ... 51
4.3.2 Perpindahan Panas pada Pipa Sirkulasi Air ... 53
4.3.2.1 Perhitungan Temperatur Pemukaan Pipa ... 53
4.3.2.2 Perhitungan Temperatur dinding Pipa dalam ... 54
4.3.2.3 Perhitungan Temperatur Air Keluar ... 55
4,3.2.4 Perhitungan Laju Perpindah Konveksi pada Pipa ... 56
4.3.2.6 Perhitungan Laju Perpindahan Panas Menyeluruh ... 57
4.4Perhitungan Waktu untuk Memanaskan Air ... 60
V. PENUTUP ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 63
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 : Konsep pemanas air tenaga surya sirkulasi pipa spiral ... 4
Gambar 2.1 : Pemanas air tenaga surya pelat datar ... 6
Gambar 2.2 : Spektrum elektromagnetik ... 9
Gambar 2.3 : Sifat radiasi pada permukaan benda ... 11
Gambar 2.4 : Spekuar dan refleksi difusi ... 12
Gambar 2.5 : Konduksi bidang datar 1 demensi ... 14
Gambar 2.6 : Konduksi bidang datar berlapis ... 15
Gambar 2.7 : Aliran kalor satu-demensi melalui silinder ... 16
Gambar 2.8 : Perpindahan kalor konveksi dari suatu pelat ... 18
Gambar 2.9 : Pola sel Benard pada laipasan fluida tertutup ... 22
Gambar 2.10 : Perpindahan kalor menyeluruh pada silinder ... 24
Gambar 2.11 : Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar ... 26
Gambar 2.12 : Perpindahan kalor menyeluruh bidang silinder... 27
Gambar 2.13 : Aliran laminar ... 29
Gambar 2.14 : Aliran turbulen ... 30
Gambar 2.15 : Aliran transisi ... 30
TABEL Tabel 3.2 : Data radiasi matahari bulanan 2013 (BMKG) ... 32
DAFTAR PUSTAKA
J.P Holman, 1984. Perpindahan Kalor edisi kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta. Ted J. Jasen, 1995. Teknologi Rekayasa Surya, Penerbit PT. Pradnya Paramita,
Jakarta.
Yunus A. Cengel, 2002, Heat Transfer A Practical Approach Second Edition, Solution Manual to Acompany, McGraw-Hill.
Copper Development Association, 2010. The Copper Tube Handbook, 260 Madison Avenue, New York, NY 10016-2401.
Ullrich Alumunium, Standard Aluminium Extrusion And Rolled Product Listing, New Zealand.
Prof Dr. Ir. Rudy Soenoko, M. Eng Sc & Ir, I. Made Gunadiarta, MT, 2009. Mekanika Fluida Jilid 1, Penerbit Asori, Malang.
Ranald V Giles, Ir Herman Widodo Soemitro, 2002. Mekanika Fluida dan Hidrolika, Penerbit Erlangga, Jakarta.
K Gieck, 1985. R. Slamet Brotodirejo, Heryanto Slamet,1989. Kumpulan Rumus Teknik, Penerbit Pradnya Paramita, Jakarta.
Victora L. Streeter, E. Benjamin Wylie, Arko Prijono M,S,E, 1996. Mekanika fluida jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta.
Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, 2004. Termodinamika Teknik Jilid 1 edisi 4, Penerbit Erlangga, Jakarta.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Matahari adalah sumber energi tak terbatas dan sangat diharapkan dapat
menjadi sumber energi pengganti yang sangat berpontensi. Kebutuhan energi di
Indonesia masih dipenuhi dengan energi berbahan bakar minyak bumi dan
batubara yang bersifat polutif dan tidak dapat diperbaharui. Seiring dengan
pertumbuhan penduduk, pengembangan wilayah, dan pembangunan dari tahun ke
tahun, kebutuhan akan pemenuhan energi listrik dan juga bahan bakar secara
nasional pun semakin besar. Maka tidak tertutup kemungkinan bahwa nantinya
negara ini akan mengalami krisis energi. Maka dari itu dibutuhkan pola pikir
untuk mengembangkan pontensi yang dimiliki matahari agar nantinya Indonesia
tidak termasuk negara terkena dampak krisis energi global.
Indonesia merupakan salah satu negara yang terletak di khatulistiwa serta
beriklim tropis sehingga matahari bersinar sepanjang tahun dan berpotensi untuk
memanfaatkan energi matahari sebagai energi alternatif. Salah satu bentuk
pemanfaatan dari energi matahari selain Solar Cell adalah Solar Water Heater
(pemanas air tenaga surya). Agar dapat memafaatkan energi radiasi matahari
untuk memanaskan air digunakan suatu perangkat untuk mengumpulkan energi
matahari yang sampai ke permukaan bumi dan mengubah menjadi energi kalor
yang berguna. Perangkat ini disebut dengan kolektor surya.
Kolektor surya terdiri dari berberapa bagian yaitu, penutup transparan dari
kaca, pipa kalor, pelat absorber, dan isolator. Sistem kerja yang dipakai pemanas
air tenaga surya ini terbagi menjadi dua jenis yaitu, Pemanas air tenaga surya
2
kerjanya menggunakan sistem Thermosiphon (gaya graviatasi) sedangkan
sistem aktif sistem kerjanya menggunakan bantuan pompa untuk
mensirkulasikan air.
Berdasarkan dari tipe bentuk pipa kalor atau pipa sirkulasi air kolektor yang
sudah ada terbagi menjadi dua tipe bentuk pipa yaitu, tipe pipa Serpentine dan
tipe pipa vertical. Tipe pipa Serpentine dimana pipa bebentuk seperti ular yang
berbelok – belok, sedangkan tipe pipa vertical dimana pipa dibentuk tengak
lurus. Bentuk – bentuk pipa tersebut berpengaruh pada energi panas yang
diserap oleh air pada pipa kalor, sehingga meningkatkan temperatur air panas
yang keluar pada pipa kalor. peningkatan temperatur air juga dipengaruhi oleh
konduktivitas termal (hantaran panas) pipa ke air, semakin tinggi konduktivitas
termalnya, semakin baik hataran panas pipa ke air.
Atas dasar teori tersebut penulis memilih Perancangan Pemanas Air Tenaga
Surya Sirkulasi Pipa Spiral, dimana pipa kalor pada kolektornya dibuat
berbentukspiralseperti obat nyamuk sehingga air dalam pipa sirkulasi kolektor
akan menerima radiasi matahari lebih banyak karena air yang mengalir lebih
lambat. Sistem yang digunakan pada perancangan ini, menggunakan sistem
thermosiphon dimana sumber airnya harus lebih tinggi dari kolektornya
sehingga bisa bersikulasi tampa menggunakan bantuan pompa dan lebih hemat
listrik.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari perancangan pemanas air tenaga surya ini
adalah :
3
2. Berapa temperatur air panas yang keluar ?
3. Berapa menit waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air dengan
kapasitas 25 liter?
1.3 Tujuan perancangan
Tujuan yang ingin dicapai dari perancangan pemanas air tenaga surya ini
adalah :
1. Menghasil gambar kolektor surya dengan pipa sirkulasispiral.
2. Mengetahui temperatur air panas yang keluar.
3. Mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk memanasikan air dengan
kapasitas 25 liter.
1.4 Batasan Masalah
Untuk menghindari pembiasan dari tujuan diatas maka perlu adanya
pembahasan guna memudahkan dalam pemahaman sehingga sasaran yang
diharapkan dapat tercapai. Adapun batasan–batasannya adalah :
1. Tidak menghitung detail tabung peyimpanan air panas.
2. Tidak menghitung kerugian panas pada kolektor.
3. Tidak membahas rangka kolektor.
4. Aliran fluida pada pipa kalor dianggap edial.
1.5 Manfaat Penulis
1. Memperkenalkan desain sistem pemanas air tenaga matahari kepada
masyarakat luas, terutama bagi mereka yang menggunakan air panas untuk
keperluan mandi keluarga.
2. Sebagai penerapan dari ilmu dibidang konversi energi, yaitu mekanika
4
berhubungan dengan Pemanas Air Tenaga Surya. Sebagai literatur pada
perancangan yang sejenisnya dalam rangka mengembangkan teknologi
bidang konversi energi.
3. Sebagai altenatif bagi masyarakat utnuk kebutuhan rumah tangga yang
tentunya akan menghemat energi listrik.
[image:16.595.192.432.258.678.2]1.6 Konsep Desain
5
Keterangan Gambar :
1. Rangka Kolektor Surya 4. Plat absorber
2. Kaca Penutup 5. Pipa sirkulasi
3. Isolator 6. Tabung penampung air
Cara kerja Alat :
Prinsip kerja dari sistem pemanas air tenaga surya adalah pertama radiasi
matahari yang menimpa permukaan kaca yang bening sebagian besar
ditransmisikan ke permukaan kolektor sehingga terjadi absorpsi pada permukaan
kolektor. Secara tidak langsung permukaan pipa sirkulasi air menjadi panas (terjadi
perpindahan panas secara konveksi) maupun secara radiasi, dan juga sebagai akibat
dari tertangkapnya radiasi surya didalam kolektor yang diserap oleh plat penyerap
panas. Karena adanya perpindahan panas tersebut maka secara langsung suhu
air yang berada didalam pipa – pipa sirkulasi air pada kolektor akan meningkat
menjadi panas, mengakibatkan adanya perbedaan massa jenis air. Dimana air
yang bersuhu lebih tinggi memiliki massa jenis yang lebih kecil, sehingga
kecenderungan akan bergerak ke arah yang lebih tinggi. Sebaliknya air yang
berada dalam pipi kolektor yang suhunya lebih rendah memiliki massa jenis yang
lebih besar dan akan bergerak ke bawah, sehingga terjadi peristiwa konveksi
secara alami. setelah proses pemanasan tadi air mengalir melalui pipa aliran yang
