OPTIMASI PENYERAP PANAS MEMANFAATKAN ENERGI
PANAS MATAHARI DENGAN TEKNIK SALURAN
MULTI BELOKAN TAJAM
T E S I S
Oleh
MUHAMAD HAIYUM 027015010/TM
SE
K O L A H
P A
S C
A S A R JA
NA
SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
OPTIMASI PENYERAP PANAS MEMANFAATKAN ENERGI
PANAS MATAHARI DENGAN TEKNIK SALURAN
MULTI BELOKAN TAJAM
TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk
Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam
Program Studi Teknik Mesin pada Sekolah Pascasarjana
Universitas Sumatera Utara
Oleh
MUHAMAD HAIYUM 027015010/TM
SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Judul Tesis : OPTIMASI PENYERAP PANAS MEMANFAATKAN ENERGI PANAS MATAHARI DENGAN TEKNIK SALURAN MULTI BELOKAN TAJAM
Nama Mahasiswa : Muhamad Haiyum Nomor Pokok : 027015010
Program Studi : Teknik Mesin
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof.Dr.Ir. Ahmad Syuhada, MSc ) Ketua
(Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA) ( Ir. Zamanhuri, MT) Anggota Anggota
Ketua Program Studi Direktur
(Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof.Dr.Ir.T. Chairun Nisa B.,M.Sc)
Telah diuji pada
Tanggal : 02 Februari 2009
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Ahmad Syuhada, M.Sc Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA
2. Ir. Zamanhuri, MT
ABSTRAK
Optimasi penyerap panas dengan memanfaatkan energi matahari (surya) dipengaruhi oleh beberapa karakteristik aliran fluida di dalam saluran. Saluran penampang persegi empat dengan belokan tajam 1800 sering digunakan sebagai laluan aliran pada berbagai tipe peralatan termal. Pola aliran dalam saluran tersebut mempunyai suatu stuktur tiga dimensi yang kompleks, karena pemisahan aliran disebabkan oleh perubahan arah yang mendadak/tiba-tiba dari aliran di dalam belokan tajam lebih-lebih untuk aliran sekunder yang disebabkan oleh gaya sentrifugal, oleh karena itu laju perpindahan panas konveksi lokal untuk permukaan daerah yang kecil diharapkan tingkat perubahan secara nyata. Melalui variasi sudut hambatan yang disusun secara zig zag diharapkan dapat ditemukan sudut hambatan yang sesuai dalam upaya mengoptimalkan penyerapan panas dengan memanfaatkan energi matahari dengan teknik saluran multi belokan tajam. Ukuran dari kolektor adalah 250 cm x 80 cm. Pada setiap sisi dari kotak absober dilapisi dengan isolator termal berupa karet bewarna hitam dengan tebal 10 mm. Sebagai penyerap radiasi surya pada pengujian ini digunakan pasir besi dengan tebal 6 cm. Kotak pasir besi terbuat dari kayu dengan tebal 15 mm dan sebagai penutup transparan digunakan kaca 5 mm dengan ukuran 250 cm x 80 cm. Posisi kotak pemanas udara dibuat miring 150 dengan tujuan agar proses aliran udaranya bisa berlangsung dengan adanya perbedaan elevasi masukan dan keluaran. Jumlah hambatan sebanyak sembilan buah. Susunan hambatan yang berbentuk saluran multi belokan tajam (dengan sudut hambatan 900 dan 1050) dan tanpa belokan. Pengukuran temperatur dilakukan dengan beberapa variasi, yaitu : saluran tanpa belokan, saluran multi belokan tajam dengan sudut hambatan 900, dan saluran multi belokan tajam dengan sudut hambatan 1050. Pengujian dilakukan di alam terbuka dengan menggunakan energi surya sebagai energi pemanas dan pengukuran temperatur dilakukan sebanyak 29 titik pada laluan aliran Pengujian dilakukan dari jam 11.00 sampai dengan 15.00 wib. Hasil penelitian menunjukan, distribusi temperatur absorber untuk ketiga tipe solar kolektor cenderung sama, distribusi temperatur tertinggi dapat dicapai oleh kolektor dengan belokan tajam sudut hambatan 1050 yaitu temperatur maksimum 830 Cpada waktu pukul 12.30 – 13.30. Tipe solar kolektor berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900 merupakan distribusi temperatur kedua tertinggi yang mampu dicapai yaitu 810 C. Waktu untuk distribusi temperatur optimal adalah pukul 12.30 – 13.30, ini terjadi ketiga tipe kolektor yang diuji, hal ini terjadi karena waktu itu merupakan radiasi terbesar yang mampu di pancarkan ke bumi. Hasil dari kajian ini menyatakan bahwa tipe kolektor saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 1050 memperoleh kemampuan memanaskan udara di dalam saluran kolektor paling optimal.
ABSTRACT
The optimum of heat absorber by exploiting the solar energy is influenced by some characteristics of fluid flow in a channel. The square longitudinal channel with the 180° sharp curve is always used as the streams for some various types of thermal instruments. The flowing pattern in that stream has a complex three dimensional structure, because the separation of stream is caused by a changing of sudden direction on the sharp curve, especially for the secondary stream which is caused by centrifugal affect. Therefore, the speed level of local conventional heat moving for the little surface area is expected to change clearly. Hopefully, through the variations of buffle angles which are structured zig-zagly, the suitable buffle angles can be created in optimalizing the heat absorber by using the solar energy with the technic of multi sharp curve channels. The size of collector is 250 cm x 80 cm Every side of the absorber box is coated by thermal isolator in the form of black rubber with the 10 mm thickness. As an absorber of solar radiation in this research, the iron sand with 6 cm thickness is used. The box of iron sand is made up of woods with its thickness is 15 mm and the transparent glass with the thickness of 6 mm, the length of 250 cm and the width of 80 cm is used at the top of its transparent cover. The air heater box is positioned leans at an angle of 15°, with the aims of the circulation of air stream could be exist because of the differences of an input and an output elevation. The total of buffle is nine. They are constructed in multi sharp curve of channel (with 90° and 105° buffle angles) and without a curve, too. The temperature degree was measured by some variations, they are the stream without curve, the stream with 90° multi buffle curves, the flow with 105° multi sharp curves. The survey was done in open air by using solar as the heat energy, the measurements of temperature was done on 29 spots at the stream of flow. The survey was done from 11 a.m. to 3 p.m. The results show that the distribution of absorber temperature for the three types of solar collector are inclined similar, the distribution of the first highest temperature could reach by collector at the 105° sharp curve with the buffle and the maximum temperature was 83° C. at 12.30 a.m. to 01.30 p.m. The ty pe of solar collector with 90° sharp curve and buffle was the second highest temperature which could reach 81° C. The optimal time for temperature distribution was from 12.30 a.m t0 01.30 p.m. This was happened for the three tested collectors. The highest temperature could be happened because of that time was as the time of highest radiated time wich could be radiated to the earth. The result of this study claimed that the type of collector with the sharp curved flow and had 105° buffle angle got the ability to heat the air in the most optimal collector in the channel.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia
yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan
judul “Optimasi Penyerap Panas Memanfaatkan Energi Panas Matahari Dengan
Teknik Saluran Multi Belokan Tajam”.
Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium Thermal
dan Fluida Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala.
Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak
terutama komisi pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak
memberi masukan saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan
penghargaan yang tinggi kepada: Prof. Dr. Ir. Ahmad Syuhada, MSc (ketua),
Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA (anggota) dan Ir. Zamanhuri, MT (anggota),
selaku komisi pembimbing yang telah memberi petunjuk dan arahan mulai dari
pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis. Prof. Dr. Ir. Armansyah
Ginting,M.Eng selaku Dekan Fakultas Teknik, Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
dan Dr. Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi
Pascasarjana Teknik Mesin FakultasTeknik yang telah memberikan kesempatan untuk
mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Pascasarjana Teknik
Mesin. Direktur Politeknik Negeri Lhokseumawe dan Pemda NAD atas izin dan
kepercayaan yang diberikan untuk menempuh pendidikan Program Magister. Seluruh
dosen dan staf administrasi Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin yang telah
memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di
Program Magister. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang
bergabung di Laboratorium Thermal dan Fluida Jurusan Teknik Mesin Fakultas
Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala dan penyelesaian tesis in. Ayahanda dan
Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih yang setulus-tulusnya
kepada istri tercinta Erlina dan anak tersayang Muhammad Firrizqi Furqan, Firzha ade
Maulina, Firdhila Ananda Syahputri, yang telah memberikan banyak bantuan do’a,
dorongan, dan semangat dalam menyelesaikan tesis ini. Pada kesempatan ini penulis
hanya bisa berdo’a semoga Allah melindungi dan memberikan balasan yang setimpal
kepada mareka.
Penulis mengharapkan kritik dan saran demi perbaikan yang membangun
sangat diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi
perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, Agustus 2009
Penulis,
RIWAYAT HIDUP
Nama : Muhamad Haiyum
Tempat/Tanggal lahir : Binjai / 25 Juni 1965
Alamat : Jl. Tgk. Muda Lamkota Lr. Benteng Mas No. 2 Kel. Uteun Bayi Lhokseumawe
Pekerjaan : Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
RIWAYAT PENDIDIKAN
1. Sekolah Dasar No. 2 Harapan Binjai, 1978
2. Sekolah Menengah Pertama Taman Siswa Binjai, 1981
3. Sekolah Menengah Atas Negeri I Binjai, 1984
4. S 1 Jurusan Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala Banda Aceh, 1991
RIWAYAT PEKERJAAAN.
1. Kepala Lab. Uji Bahan Politeknik Negeri Lhokseumawe, 1989-1999.
2. Kepala Lab. Teknologi Mekanik Politeknik Negeri Lhokseumawe, 1999- 2003.
3. Sekretaris HAKI Politeknik Negeri Lhokseumawe, 2003
PELATIHAN YANG DIUKUTI
3. Workshop On “PRE PROGRAM OF INFORMATION TECHNOLOGY”
diadakan oleh IC - Star USU Medan, 02-03 Sep 2002
4. Workshop On “MSC / NASTRAN” diadakan oleh IC – STAR USU
Medan, 27 November- 24 Desember 2003
PENGALAMAN DALAM BIDANG PENELITIAN
1. Pengaruh addative pada oli Mesran SAE 20-50 terhadap putaran mesin
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ………... i
ABSTRACT……….. ii
KATA PENGANTAR ………... iii
RIWAYAT HIDUP ……….. v
DAFTAR ISI ………... vi
DAFTAR GAMBAR ………... viii
DAFTAR LAMPIRAN ………... x
DAFTAR NOTASI ……….. xi
BAB 1 PENDAHULUAN ……… 1.1 Latar Belakang ………... 1.2 Perumusan Masalah ………... 1.3 Tujuan Penelitian ………... 1.4 Manfaat Penelitian ………...
1 1 3 4 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 2.1 Pendahuluan ... 2.2 Pola Aliran dan Perpindahan Panas Konveksi Bebas
pada Bidang Vertikal ... 2.3 Pola Aliran dan Konveksi Bebas pada Bidang Miring ... 2.4 Pola Aliran dan Perpndahan Panas Konveksi Bebas
pada Bidang Horizontal ………... 2.5 Pola Aliran dan Perpidahan Panas pada Saluran
dengan Belokan 900 ………. 2.6 Aliran Panas pada Saluran dengan Belokan Tajam 1800 ……….
2.7 Kerangka Konsep ……….
5 5 9 10 11 12 12 14
BAB 3 METODE PENELITIAN ……….
3.1 Tempat dan Waktu ………...
3.2 Bahan, Peralatan, dan Metode ………. 3.3 Pelaksanaan Penelitian ………. 3.4 Variabel yang Diamati ………. 3.5 Teknik Pengukuran, Pengolahan, dan Analisa Data ...
16 16 16 19 23 23
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ……… 4.1 Distribusi Temperatur di Sepanjang Laluan ……… 4.2 Distribusi Temperatur di Sepanjang Saluran ...
4.3 Optimasi Distribusi Temperatur Pada Saluran Kolektor ……….. 4.4 Distribusi Bilangan Rayleigh Sepanjang Saluran ……… 4.5 Simulasi MEH
37 40 47
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 52
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Lapisan batas diatas plat-palat vertikal ... 10
2.2 Ilustrasi aliran panas pada bidang miring ... 11
2.3 Ilustrasi aliran panas konveksi bebas pada bidang horizontal ………. 11
2.4 Aliran panas pada belokan 900 ……… 12
2.5 Pergerakan fluida ketika melewati belokan tajam ... 13
2.6 Kerangka Konsep ... 15
3.1 Sket alat penyerap panas yang dibuat ... 18
3.2 Tata letak hambatan pada kolektor dengan belokan tajam 180O dengan sudut hambatan 90O ... 19 3.3 Posisi pengukuran temperatur pada kolektor dengan belokan tajam 180O dengan sudut hambatan 90O .……… 20 3.4 Tata letak hambatan pada kolektor dengan belokan tajam 180 O dengan sudut bufle 1050 ... 20 3.5 Posisi pengukuran temperatur pada kolektor dengan belokan tajam 180 O dengan sudut hambatan 1050 ……… 20 3.6 Posisi pengukuran temperatur kolektor tanpa belokan ... 21
3.7 Diagram alir pelaksanaan penelitian ……… 22
4.1 Posisi pengukuran temperatur absorber pada laluan tanpa hambatan ... 24
4.2 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan tanpa hambatan ……….. 25
4.3 Posisi distribusi temperatur absorber pada laluan berbelokan tajam 900 .... 26
4.4 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan berbelokan tajam 900 ... 26
4.5 Posisi pengambilan temperatur absorber laluan berbelokan tajam 1050 ... 27
4.6 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan berbelokan tajam 1050 pukul 12.30 – 13.30 Wib ……….. 28
4.9 Distribusi temperatur sepanjang saluran tanpa hambatan dengan variasi
waktu pengukuran ……… 32
4.10 Posisi pengukuran temperatur udara pada saluran berbelokan tajam 900 32 4.11 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan sudut belokan 900 untuk waktu pukul 12.30-13.30 ……….. 33
4.12 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan sudut belokan 900 ... 34
4.13 Posisi pengukuran temperatur udara pada laluan berbelokan tajam 1050 35 4.14 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan sudut belokan 1050 untuk waktu pukul 12.30-13.30 ……….. 35
4.15 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan sudut belokan 1050 ... 37
4.16 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan variasi laluan ... 38
4.17 Distribusi bilangan Rayleigh sepanjang saluran ... 45
4.18 Distribusi bilangan Rayleigh pada belokan ... 46
4.19 Bentuk elemen penyerap panas tanpa penyekat ... 47
4.20 Bentuk elemen penyerap panas penyekat 900 ... 48
4.21 Bentuk elemen penyerap panas penyekat 1050 ... 48
4.22 Kontur aliran panas disepanjang penyerap panas tanpa penyekat ………... 49
4.23 Kontur aliran panas disepanjang penyerap panas penyekat 900 …………... 50
DAFTAR LAMPIRAN
Nomer Judul Halaman
1 Konstruksi Alat Penguji yang Digunakan………...56
2 Tabel Data Hasil Penghitungan Bilangan Rayleigh Terhadap Titik Pengukuran.59
3 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer...62
DAFTAR NOTASI
Simbol Besaran Satuan
A Luas bidang perpindahan panas m2
C konstanta aliran -
cp Kalor spesifik kJ/kg.oC
d Diameter m
g Konstanta grafitasi m/s2
Gr Angka Grashof -
hc Koefisien konveksi W/m2.0C
H Tinggi plat m
k konduktivitas thermal W/m oC
L Panjang karakteristik m
Nu Angka Nusselt -
Pr Bilangan Prandt -
q Laju perpindahan panas kJ
Q Perpindahan panas konveksi W
Ra Rayleigh number -
S Jarak antar dua plat m
Tw Temperatur plat 0C
Tα Tempertur laluan 0C
v Viskositas kinematis m2/s
α Difusitas thermal m2/s
β Koefisien muai termal K-1
ρ Massa jenis kg/m3
ABSTRAK
Optimasi penyerap panas dengan memanfaatkan energi matahari (surya) dipengaruhi oleh beberapa karakteristik aliran fluida di dalam saluran. Saluran penampang persegi empat dengan belokan tajam 1800 sering digunakan sebagai laluan aliran pada berbagai tipe peralatan termal. Pola aliran dalam saluran tersebut mempunyai suatu stuktur tiga dimensi yang kompleks, karena pemisahan aliran disebabkan oleh perubahan arah yang mendadak/tiba-tiba dari aliran di dalam belokan tajam lebih-lebih untuk aliran sekunder yang disebabkan oleh gaya sentrifugal, oleh karena itu laju perpindahan panas konveksi lokal untuk permukaan daerah yang kecil diharapkan tingkat perubahan secara nyata. Melalui variasi sudut hambatan yang disusun secara zig zag diharapkan dapat ditemukan sudut hambatan yang sesuai dalam upaya mengoptimalkan penyerapan panas dengan memanfaatkan energi matahari dengan teknik saluran multi belokan tajam. Ukuran dari kolektor adalah 250 cm x 80 cm. Pada setiap sisi dari kotak absober dilapisi dengan isolator termal berupa karet bewarna hitam dengan tebal 10 mm. Sebagai penyerap radiasi surya pada pengujian ini digunakan pasir besi dengan tebal 6 cm. Kotak pasir besi terbuat dari kayu dengan tebal 15 mm dan sebagai penutup transparan digunakan kaca 5 mm dengan ukuran 250 cm x 80 cm. Posisi kotak pemanas udara dibuat miring 150 dengan tujuan agar proses aliran udaranya bisa berlangsung dengan adanya perbedaan elevasi masukan dan keluaran. Jumlah hambatan sebanyak sembilan buah. Susunan hambatan yang berbentuk saluran multi belokan tajam (dengan sudut hambatan 900 dan 1050) dan tanpa belokan. Pengukuran temperatur dilakukan dengan beberapa variasi, yaitu : saluran tanpa belokan, saluran multi belokan tajam dengan sudut hambatan 900, dan saluran multi belokan tajam dengan sudut hambatan 1050. Pengujian dilakukan di alam terbuka dengan menggunakan energi surya sebagai energi pemanas dan pengukuran temperatur dilakukan sebanyak 29 titik pada laluan aliran Pengujian dilakukan dari jam 11.00 sampai dengan 15.00 wib. Hasil penelitian menunjukan, distribusi temperatur absorber untuk ketiga tipe solar kolektor cenderung sama, distribusi temperatur tertinggi dapat dicapai oleh kolektor dengan belokan tajam sudut hambatan 1050 yaitu temperatur maksimum 830 Cpada waktu pukul 12.30 – 13.30. Tipe solar kolektor berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900 merupakan distribusi temperatur kedua tertinggi yang mampu dicapai yaitu 810 C. Waktu untuk distribusi temperatur optimal adalah pukul 12.30 – 13.30, ini terjadi ketiga tipe kolektor yang diuji, hal ini terjadi karena waktu itu merupakan radiasi terbesar yang mampu di pancarkan ke bumi. Hasil dari kajian ini menyatakan bahwa tipe kolektor saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 1050 memperoleh kemampuan memanaskan udara di dalam saluran kolektor paling optimal.
ABSTRACT
The optimum of heat absorber by exploiting the solar energy is influenced by some characteristics of fluid flow in a channel. The square longitudinal channel with the 180° sharp curve is always used as the streams for some various types of thermal instruments. The flowing pattern in that stream has a complex three dimensional structure, because the separation of stream is caused by a changing of sudden direction on the sharp curve, especially for the secondary stream which is caused by centrifugal affect. Therefore, the speed level of local conventional heat moving for the little surface area is expected to change clearly. Hopefully, through the variations of buffle angles which are structured zig-zagly, the suitable buffle angles can be created in optimalizing the heat absorber by using the solar energy with the technic of multi sharp curve channels. The size of collector is 250 cm x 80 cm Every side of the absorber box is coated by thermal isolator in the form of black rubber with the 10 mm thickness. As an absorber of solar radiation in this research, the iron sand with 6 cm thickness is used. The box of iron sand is made up of woods with its thickness is 15 mm and the transparent glass with the thickness of 6 mm, the length of 250 cm and the width of 80 cm is used at the top of its transparent cover. The air heater box is positioned leans at an angle of 15°, with the aims of the circulation of air stream could be exist because of the differences of an input and an output elevation. The total of buffle is nine. They are constructed in multi sharp curve of channel (with 90° and 105° buffle angles) and without a curve, too. The temperature degree was measured by some variations, they are the stream without curve, the stream with 90° multi buffle curves, the flow with 105° multi sharp curves. The survey was done in open air by using solar as the heat energy, the measurements of temperature was done on 29 spots at the stream of flow. The survey was done from 11 a.m. to 3 p.m. The results show that the distribution of absorber temperature for the three types of solar collector are inclined similar, the distribution of the first highest temperature could reach by collector at the 105° sharp curve with the buffle and the maximum temperature was 83° C. at 12.30 a.m. to 01.30 p.m. The ty pe of solar collector with 90° sharp curve and buffle was the second highest temperature which could reach 81° C. The optimal time for temperature distribution was from 12.30 a.m t0 01.30 p.m. This was happened for the three tested collectors. The highest temperature could be happened because of that time was as the time of highest radiated time wich could be radiated to the earth. The result of this study claimed that the type of collector with the sharp curved flow and had 105° buffle angle got the ability to heat the air in the most optimal collector in the channel.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Saluran penampang persegi empat dengan belokan tajam 1800 sering digunakan
sebagai laluan aliran pada berbagai tipe peralatan termal. Pola aliran dalam saluran
tersebut mempunyai suatu stuktur tiga dimensi yang kompleks, karena pemisahan
aliran disebabkan oleh perubahan arah yang mendadak/tiba-tiba dari aliran di dalam
belokan tajam [1] lebih-lebih untuk aliran sekunder yang disebabkan oleh gaya
sentrifugal [2], oleh karena itu laju perpindahan panas konveksi lokal untuk
permukaan daerah yang kecil diharapkan tingkat perubahan secara nyata.
Hampir semua riset yang telah ada, dilakukan pada aliran berkecepatan tinggi
dengan perpindahan panas konveksi paksa. Aplikasi dari riset tersebut biasanya untuk
teknologi tinggi yang sering dirancang bangun di negara-negara maju seperti untuk
saluran pendinginan dalam (internal cooling) dari turbin gas. Untuk perpindahan
panas/massa konveksi paksa, masalah yang dikaji adalah bilangan Reynold (Re) untuk
mendapat angka Nusselt (Nu) bagi penentuan karakteristik perpindahan panas, dan
angka Sherwood (Sh) untuk pengkajian karakteristi perpindahan panas/massa. Tetapi
penggunakan pada teknologi menengah, untuk proses pendinginan dan pemanas
dengan menggunakan energi pembakaran bahan bakar dan energi surya masih
Untuk pemahaman yang lebih baik dari karakteristik aliran dan perpindahan
panas konveksi alamiah pada saluran persegi empat dengan belokan tajam 1800, ini
diperlukan suatu pengkajian secara eksperimental dari karakteristik perpindahan panas
lokal pada saluran dengan pola gerakan aliran konveksi alamiah. Hasil ini juga dapat
digunakan pada perencanaan dari komponen-komponen penukar panas yang
bertemperatur medium ke bawah, seperti peralatan pemanas dan pendingin.
Sebagai latar belakang akan dilakukan suatu studi eksperimental untuk
membuat jelas pola aliran dan karakteristik perpindahan panas (massa) lokal pada
saluran persegi empat dengan sudut belokan tajam 1800 di bawah kondisi stasioner.
Kajian pada perpindahan panas/massa konveksi alamiah adalah angka Rayleigh (Ra).
Untuk mendapat distribusi Ra lokal maka diperlukan pengukuran distribusi
temperatur lokal, sehingga karakteristik medan aliran dapat diprediksikan.
Karakteristik aliran dalam saluran akibat pemanasan dapat diprediksi jika
distribusi temperatur di sepanjang laluan saluran terutama di belokan dapat di
dieksperimenkan. Dengan demikian untuk kasus ini, pemanasan dan pengukuran
temperatur fluida pada titik-titik tertentu melalui saluran uji adalah hal yang utama
pada riset ini. Untuk menjaga kestabilan temperatur pada objek uji, maka alat
(material) pemindah panas yang digunakan adalah pasir besi dengan sumber panas
energi matahari (surya) ataupun sumber pemanas lainnya.
Pergerakan fluida di dalam saluran ini dikarenakan oleh gaya apung (Buoyancy
Force) akibat adanya perbedaan gaya badan (Body Force) di antara partikel-partikel
partikel fuida di dalam saluran ketika pemanasan berlangsung. Pada penelitian ini
bidang pemanas (dinding saluran) yang akan ditinjau adalah pemanas bawah.
Sedangkan pengaruh terhadap posisi saluran dengan gaya grafitasi bumi akan ditinjau
dengan cara menvariasikan tata letak saluran aliran terhadap arah grafitasi.
1.2 Perumusan Masalah
Optimasi penyerap panas dengan memanfaatkan energi matahari (surya)
dipengaruhi oleh beberapa karakteristik aliran fluida di dalam saluran yang
diakibatkan oleh pemanasan. Hal ini dapat diprediksi jika distribusi temperatur
disepanjang laluan dapat dieksperimenkan.
Dengan demikian untuk permasalahan ini, akan dilakukan pemanasan dan
pengukuran temperatur fluida pada titik-titik tertentu di dalam saluran uji. Untuk
menjaga kestabilan temperatur pada objek uji, maka digunakan material penyerap
panas dari pasir besi dengan memanfaatkan energi panas matahari.
Dalam penelitian ini, akan mengkaji tentang pergerakan fluida di dalam
saluran multi belokan tajam 1800 yang disebabkan oleh gaya apung (buoyancy force)
dan gaya badan (body force) diantara partikel fluida dengan memvariasikan posisi
saluran terhadap arah grafitasi. Di dalam saluran tersebut diberi hambatan yang
disusun secara zig zag dengan sudut 900 dan 1050
Penelitian ini dibatasi oleh beberapa variabel untuk tidak melebarnya ruang
lingkup yang diteliti, adapun batasan tersebut adalah kecepatan angin dirata-ratakan 1
1.3 Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan umum
Tujuan penelitian ini adalah mengoptimalkan penyerapan panas dengan
memanfaatkan energi matahari dengan teknik saluran multi belokan tajam, adapun
parameter yang diharapkan adalah perubahan temperatur.
1.3.2 Tujuan khusus
Tujuan khusus penelitian ini adalah:
1. Mengetahui penyerapan panas pada absorber dengan parameter kenaikan
temperatur.
2. Mengetahui karakteristik pergerakan fluida terhadap posisi saluran multi belokan
tajam 1800.
3. Dengan diketahuinya karakteristik pergerakan fluida dan posisi saluran, maka
akan diperoleh suatu sistem penyerap panas optimal.
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan:
1. Mampu memberikan kontribusi dalam pengembangan sistem penyerap panas.
2. Dalam bidang ilmu pengetahuan dapat dijadikan penelitiaan ini sebagai tambahan
informasi tentang optimasi sistim penyerap panas.
3. Mempopulerkan dan mengaplikasi hasil penelitian ilmu dasar untuk rekayasa pada
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pendahuluan
Pada konveksi alami, akibat perbedaan temperatur akan terjadi perbedaan
densitas dari fluida dan akan menghasilkan perpindahan panas ke atau dari suatu
benda dari atau ke fluida. Berbeda dengan konveksi paksa, dimana kecepatan dari
fluida ditentukan oleh gaya luar. Sedangkan gerakan fluida pada konveksi alami
diakibatkan oleh kenaikan gaya apung akibat variasi temperatur dan densiti dari
partikel fluida. Seperti pada konveksi paksa perpindahan fluida secara umum oleh
gaya apung dapat berupa pola aliran laminer atau turbulen.
Perbedaan densitas dapat dilihat sebagai suatu fungsi dari koefesien ekspansi
volume fluida β berdasarkan defenisi
( )
∞ ∞ ∞
∞
∞ −
− = − − =
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛
∂∂
= ν Tv v Tv vT ρρT ρT
β 1 1 (2.1)
Pensubstitusian dalam hubungan di atas untuk ρ - ρ∞, gaya apung menjadi
ρgβ( ) untuk suatu objek pada temperatur Ts. Pengenalan terhadap gaya
apung dapat dilihat dalam bagian variabel ∞
−T Ts
β, g dan ( T −T∞) , hal ini jelas kelihatan
bahwa variabelnya ada tiga macam yaitu suatu system dari karakteristik dimensi
linier, L, dan sifat fluida,
s
Namun pada keadaan normal daerah gravitasi adalah konstan β dan g dapat digabung
menjadi suatu variabel (β g) untuk analisa dimensi.
Penulisan variabel-variabel, kenaikan setiap variabel tersebut yang tidak
diketahui powernya, dan pembentukan analisa dimensi, seperti yang ditunjuk pada
banyak literature, juga dapat dilihat melalui parameter tiga dimensi untuk korelasi
data pada pemindahan panas pada konveksi alami:
L Nu k L hc =
= (2.2)
1 λ
Pr 2
1 = =
Cp k
μ
λ (2.3)
L
s T L Gr
T g = = ∞ 2 3 2 ) _ ( μ ρ
β (2.4)
3 1 λ
Parameter pertama adalah bilangan Nusselt, parameter kedua adalah bilangan
Prandt, dan paremeter ketiga disebut bilangan Grashof, GrL adalah perbandingan dari
gaya apung terhadap gaya geser. Gaya apung dalam konveksi alami ditukar menjadi
gaya momentum dalam konveksi paksa. Di tulis sebagai ρgρ(Ts −T∞)adalah gaya
apung per satuan volume, (βgρ(Ts−T∞)L)menjadi gaya apung persatuan luas.
Sehingga perbandingan gaya apung terhadap gaya ikat adalah
) / /( )
(T T L v L
gρ s μ
β − ∞
) / L
. Bagaimanapun, kecepatan v adalah variabel bebas menuju
G
rL = 2 3 ) (v L T T
g s − ∞
β (2.5)
Pada percobaan dasar yang berulang kali sudah diperoleh bilangan Nusselt
rata-rata yang dapat dihubungkan kebilangan Grashof dan bilangan Prandt 1 dengan
persamaan sebagai berikut:
Nu
f=
C
(
Gr
fPr
f)
n (2.6)Dimana f menunjukkan bahwa semua sifat-sifat fisik harus dievaluasi pada
2
∞
+
=T T
T s
f hasilnya, GrPr, diketahui sebagai bilangan Rayleigh, Ra.
Pengaruh aliran laminar dan turbulen telah diselidiki dalam konveksi alamiah,
aliran laminar terjadi bila (104 < Ra < 109), transisi dari aliran laminar ke turbulen
terjadi pada (Ra ~ 109) dan aliran turbulen terjadi bila (109 < Ra < 1012), bergantung
pada sistem geometrik [16] dan [17].
Studi secara intensif pada aliran turbulen dan perpindahan panas dalam saluran
dengan penampang persegi empat telah dilakukan lebih dari puluhan tahun. Pada
tahap awal dari studi, penyelidikan secara riset dan numeric dilakukan pada
belokan-U Chang [3], dengan pengukuran gerakan aliran kedua Jonhson [4] melakukan
prediksi numeric angka Nusselt untuk aliran turbulent tiga dimensi didalam saluran
belokan –U. Fan, C.S. and Metzger [5] melakukan numerik simulasi dari aliran tiga
sedangkan Breuer [6] melaporkan pengembangan teknik Large–Eddy Simulasi (LES)
untuk menghitung aliran turbulent di dalam belokan-U.
Sebena
Deng
rnya data-data yang telah diperoleh dari belokan-U tidak dapat langsung
digunakan pada belokan tajam, karena pada belokan-U dengan suatu belokan lembut
nampaknya pengaruh nyata hanyalah arus aliran kedua yang disebabkan oleh gaya
sentrifugal, sedangkan efek dari pemisahan dan penyatuan aliran tidak begitu penting.
Tetapi pada saluran persegi empat belokan tajam perkiraan bahwa pemisahan dan
penyatuan aliran di sekitar belokan merupakan faktor yang dominan dalam penentuan
perpidahan panas lokal.
an alasan di atas, beberapa periset telah melakukan studi experimental pada
aliran dan perpindahan panas dalam saluran persegi empat dengan belokan tajam [1],
[7] mengukur bilangan Nusselt rata-rata untuk perpindahan panas konveksi paksa
didalam dan sekitar belokan tajam 1800 empat persegi panjang. Chyu [8] juga
mempresentasikan distribusi perpindahan panas semi-lokal dan reset dilakukan
dengan teknik sublimasi naphthalene. Besserman [9] menggunakan teknik transient
dengan suatu cairan crytal thermography untuk pengukuran laju perpindahan panas
lokal dan mereka membandingkan hasil riset dan komputasi. Astarita [10] mengukur
temperatur dinding dan koeffisien perpindahan panas didalam saluran dengan teknik
infrared thermography. Hirota [11] mempresentasikan angka Sherwood yang
diperoleh dari metode sublimasi naphthalene, perhatian utama dari studi mereka
belokan tajam 1800 terhadap karakteristik aliran dan perpindahan panas telah
dipublikasikan [12], [13] dan [14].
Hampi
Mengi
r semua riset di atas yang telah ada, dilakukan pada aliran berkecepatan tinggi
dengan perpindahan panas konveksi paksa dan aplikasinya untuk teknologi tinggi
yang sering dirancang bangun di negara-negara maju. Tetapi pada
negara berkembang seperti Indonesia, yang masih banyak menggunakan teknologi
menengah, untuk proses pengering dan pemanas dengan menggunakan energi
matahari (surya) atau energi pembakaran bahan bakar, sangat membutuhkan data
aliran dan perpindahan panas alamiah pada saluran belokan tajam sebagai penukar
panas pada proses pengering/pemanas untuk hasil-hasil pertanian dan perikanan.
ngat data dan penjelasan tentang aliran dan perpindahan panas konveksi
alamiah (bebas) pada saluran belokan tajam sangatlah minim. Penelitian ini akan
mengkaji karakteristik aliran dan perpindahan panas koveksi alamiah pada saluran
persegi empat dengan multi belokan tajam. Dengan kajian ini di harap penggunaan
sistim penukar panas dengan teknik saluran belokan tajam dapat meningkatkan unjuk
kerja (performance) peralatan pangering.
2.2. Pola Aliran dan Perpindahan Panas Konveksi Bebas pada Bidang Vertikal
Dari gambar 2.1 dapat diterangkan bahwa apabila plat dipanaskan, akan
terbentuk suatu lapisan batas konveksi bebas. Profil kecepatan pada lapisan batas ini
kecepatan adalah nol. Kecepatan itu bertambah terus sampai mencapai suatu nilai
maksimum, dan kemudian menurun lagi hingga nol pada tepi lapisan batas, karena
kondisi ”arus bebas” (free stream) tidak ada pada sisitem konveksi bebas.
Perkembangan awal lapisan batas adalah laminar. Pada jarak tertentu dari tepi depan,
bergantung pada sifat-sifat fluida dan beda suhu antara dinding dan lingkungan, maka
terbentuklah pusaran-pusaran aliran, dan transisi kelapisan batas turbulenpun mulai
terjadi. Pada jarak lebih jauh pada plat itu lapisan batas mungkin sudah menjadi
turbulen sepenuhnya [15].
Gambar 2.1. Lapisan batas diatas plat-plat vertikal [15]
2.3 Pola Aliran dan Konveksi Bebas pada Bidang Miring
Bila suatu plat memiliki temperatur yang lebih tinggi dari temperatur fluida
dan plat tersebut dimiringkan terhadap bidang vertikal, maka aliran panas konveksi
bebas yang terjadi dapat dilihat pada gambar 2.2. Pada gambar 2.2(a), menunjukkan
Seperti pada bidang miring, pola aliran dan perpindahan panas sangat
bergantung pada permukaan pemanasan, pemanas atas atau bawah. Gambar 2.3
merupakan ilustrasi aliran panas konveksi bebas pada pemanasan atas dan bawah.
Pada pemanasan bawah, aliran akan meninggalkan lapisan batas pada bagian tengah
dinding dengan arah ke atas., aliran bergerak menelusuri bidang dan akhirnya meluap
dibagian tepi bidang itu.
(a) (b)
Gambar 2.2. Ilustrasi aliran panas pada bidang miring [16] a) Pemanas bawah b) Pemanas atas
2.4 Pola Aliran dan Perpindahan Panas Konveksi Bebas pada Bidang Horizontal
Seperti pada bidang miring, pola aliran dan perpindahan panas sangat
(a) (b)
Gambar 2.3 (a) Ilustrasi aliran panas konveksi bebas pada bidang horizontal (b) Foto aliran fluida panas pada pemanasan bawah [16]
Gambar 2.3 merupakan ilustrasi aliran panas konveksi bebas pada pemanasan
atas dan bawah. Pada pemanasan bawah, aliran akan meninggalkan lapisan batas pada
bagian tengah dinding dengan arah keatas., aliran bergerak menelusuri bidang dan
akhirnya meluap di bagian tepi bidang itu..
2.5 Pola Aliran dan Perpidahan Panas pada Saluran dengan Belokan 900
Gambar 2.4, menunjukkan aliran fluida yang sedang melewati daerah belokan
900 dalam sebuah pipa dan saluran persegi. Dari gambar 2.4 dapat dilihat bahwa pada
saluran persegi terjadi resirkulasi dan pemisahan aliran.
(a) (b)
Gambar 2.4. Aliran panas pada belokan 900 [16] (a) Pipa (b) Saluran persegi empat
Gambar 2.5, menunjukkan visualisasi aliran pada daerah sekitar belokan tajam
1800. Dari penelitian sebelumnya telah dijelaskan tentang permasalahan perpindahan
panas pada saluran dengan belokan tajam 1800. Misalnya : Metzger [1] menyatakan
aliran kedua dibangkitkan oleh gaya sentrifugal. Han, et al, 1988, melakukan
pengukuran distribusi Sherwood numbers pada laluan dengan belokan tajam untuk
permukaan yang kasar dan licin. Dari pengukuran diperoleh, Sherwood numbers
untuk laluan kasar lebih tinggi dari pada untuk laluan lembut dan Sherwoob numbers
setelah belokan lebih tinggi dari pada sebelum belokan. Chyu [8], mempelajari
distribusi perpindahan panas untuk saluran yang memilki dua laluan dengan satu
belokan dan saluran tiga laluan dengan dua belokan. Saluran dua laluan dengan satu
belokan dan saluran tiga laluan dengan dua belokan. Saluran dua laluan dengan satu
belokan dibagi menjadi 26 bagian dan 40 bagian untuk saluran tiga laluan (dua
belokan). Dari pengukuran diperoleh perpindahan massa lokal dan rata-rata
keseluruhan untuk setiap bagiannya dan koefisien perpindahan massa pada daerah
belokan sangat tidak seragam yang disebabkan aliran mengalami pemisahan,
[image:30.612.262.420.563.652.2]pengumpulan dan benturan.
Hasil pengujian karakteristik perpindahan panas pada belokan ke-2 untuk
saluran 3 relatif sama dengan yang terjadi pada belokan pertama dan terjadi
peningkatan perpindahan panas dibandingkan pada belokan pertama. Murata,[17],
mempelajari karakteristik perpindahan panas lokal disekitar belokan 1800 dengan
mengukur temperatur dinding laluan di 146 titik. Harga perpindahan panas rata-rata
setelah belokan mengalami peningkatan dan sangat tidak seragam dalam arah
melintang. Hasil pengukuran juga menunjukkan koefisien perpindahan panas untuk
belokan U lebih rendah dan lebih seragam dari pada untuk belokan tajam.
Astarita [10], melakukan pengukuran koefisien aliran panas konveksi disekitar
belokan tajam 1800 dengan menggunakan metode thermografi infra merah untuk
ujung dinding pemisah berbentuk persegi dan bundar. Data yang diperoleh berupa
distribusi tempertur, selanjutnya dikonversikan kedalam bentuk bilangan Nusselt, dan
menunjukkan adanya dua Zona pemisahan aliran, yaitu pada sudut sebelum dan
didekat ujung dinding pemisah setelah belokan.
Hirota [14] mengukur distribusi bilangan sherwood lokal pada belokan tajam
untuk celah dan bilangan Reynolds yang berbeda. Bilangan Sherwood setelah belokan
untuk celah yang sempit memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan celah
yang lebih besar dan adanya pengaruh kemiringan dinding dalam (baffle) terhadap
distribusi belangan Sherwood. Pengujian dilakukan untuk sudut konvergen (α = -20,
-40 dan -60) divergen (α= +20, +40, +60) dan standar (α = 0). Dari pengujian
diperoleh, makin konvergen dinding dalam maka bilangan Sherwood didekat dinding
2.7 Kerangka Konsep
Secara umum penelitian ini dapat dijabarkan dalam suatu kerangka konsep
penelitian yang dapat dilihat pada Gambar 2.6
Mengoptimalkan penyerapan panas
matahari
Prototipe penyerap panas menggunakan belokan
tajam
Peralatan pendukung - Termometer - Termokopel - Animometer Variabel penelitian
- arah baffle - sudut belokan - temperatur
Hasil yang diinginkan
[image:32.612.157.484.228.477.2]- karakteristik pergerakan fluida - penyerapan panas yang optimal
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu
Penelitian dilaksanakan di laboratorium Thermal dan Fluida Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala, mulai perencanaan alat,
pembuatan, pengambilan data maupun pengolahan data. Simulasi dilakukan di
laboratorium perancangan Politeknik negeri Lhokseumawe.
Waktu penelitian dimulai dari disetujuinya usulan, pengambilan data,
pengolahan data sampai sidang akhir menghabiskan waktu sekitar 9 (sembilan) bulan
terhitung sejak dari persetujuan yang diberikan oleh komisi pembimbing.
3.2 Bahan, Peralatan dan Metode
3.2.1 Bahan
Pada penelitian ini alat penyerap panas dengan memanfaatkan energi matahari
(surya) dibuat dari rangka kayu dengan isolasi dari bahan seng dan karet, sebagai
absorber digunakan pasir besi.
3.2.2 Peralatan
Pada pelaksanaan penelitian ini diperlukan beberapa peralatan yaitu satu unit
alat penyerap panas dengan memanfaatkan energi matahari (surya), thermocouple,
Peralatan pengujian yang digunakan dalam penelitian ini adalah saluran segi
empat dengan memodifikasi penambahan susunan baffel yang berbentuk saluran multi
belokan tajam (dengan sudut 900 dan 1050) dan tanpa belokan diantara laluan udara.
Konstruksi dari peralatan pengujian secara skematik dapat dilihat pada lampiran 1.
Ukuran dari kolektor adalah 250 cm x 80 cm. Pada setiap sisi dari kotak
absober dilapisi dengan isolator termal berupa karet bewarna hitam dengan tebal 10
mm. Sebagai penyerap radiasi surya pada pengujian ini digunakan pasir besi dengan
tebal 6 cm. Kotak pasir besi terbuat dari kayu dengan tebal 15 mm dan sebagai
penutup transparan digunakan kaca 5 mm dengan ukuran 250 cm x 80 cm. Posisi
kotak pemanas udara dibuat miring 150 dengan tujuan agar proses aliran udaranya bisa
berlangsung dengan adanya perbedaan elevasi masukan dan keluaran.
3.2.3. Metode
Peralatan utama dari penelitian terdiri dari alat penyerap panas dengan
memanfaatkan energi matahari (surya) dengan absorber pasir besi sebagai pemanas
bawah, sedangkan untuk pemanas atas menggunakan kaca. Saluran ini juga dilengkapi
oleh isolator termal. Gambar 3.1 memperlihatkan sketsa peralatan uji.
Pada penelitian ini, peralatan ukur menggunakan thermometer air raksa yang
memiliki range temperatur 0-1100C. Sebelum pengujian dilakukan, seluruh
thermometer sudah harus dipasang dengan baik pada alat penyerap panas yang
memanfaatkan energi matahari. Posisi penempatan thermometer atau titikpengukuran
Masukan
Isolasi
[image:35.612.164.508.93.361.2]Matahari
Gambar 3.1 Sket alat penyerap panas yang dibuat
Pengukuran temperatur dilakukan dengan beberapa variasi, yaitu :
a. Pengujian pertama, dilakukan terhadap peralatan penyerap panas dengan
memanfaatkan energi matahari yang menggunakan teknik saluran multi belokan
tajam 1800 dengan sudut hambatan 900.
b. Pengujian kedua, dilakukan terhadap peralatan penyerap panas dengan
memanfaatkan energi matahari yang menggunakan teknik saluran multi belokan
tajam 900 dengan sudut hambatan 1050
c. Pengujian ketiga, dilakukan terhadap peralatan penyerap panas dengan
3.3. Pelaksanaan Penelitian
3.3.1 Pengujian eksperimental
Pengujian dilakukan di alam terbuka dengan menggunakan energi surya
sebagai energi pemanas dan pengukuran temperatur dilakukan di banyak titik pada
laluan aliran
Pengukuran temperatur dengan belokan tajan 1800, sudut hambatan (baffle)900
menggunakan hambatan sebanyak sembilan buah dan 29 thermometer. Peletakan
baffle dan titik-titik pengukuran secara skematis diperlihatkan Gambar 3.2 dan 3.3.
250
50
25
85
[image:36.612.99.551.536.659.2]65
Gambar 3.2. Tata letak hambatan pada kolektor dengan belokan tajam 180O
dengan sudut hambatan 90O
Gambar 3.3 Posisi pengukuran temperatur pada kolektor dengan belokan
tajam 180O dengan sudut hambatan 90O 4
2 3
1 5 6 7
10
8 9 14 15 16 20 21 22 26 27 28
19
17 18 25
12 13
Untuk pengukuran temperatur dengan belokan tajan 1800, sudut hambatan
1050 juga digunakan sebanyak sembilan buah hambatan dan 29 thermometer.
Peletakan hambatan dan titik-titik pengukuran diperlihatkan Gambar 3.4 dan 3.5.
250
105
65
50
85
Gambar 3.4. Tata letak hambatan pada kolektor dengan belokan tajam 180 O
dengan sudut hambatan 105 O
Gambar 3.5 Posisi pengukuran temperatur pada kolektor dengan belokan
tajam 180 O dengan sudut hambatan 105 O
Sebagai pembanding dilakukan pengukuran temperatur tanpa belokan. Secara
skematik pengukuran temperatur tanpa belokan dapat dilihat pada Gambar 3.6. Pada
pengujian tanpa belokan, pengukuran temperatur dilakukan di 5 titik sepanjang
kolektor. 4 2 3
1 5 6 7
10 15 16 20 21 22 26 27 28
19
17 18 23 24 25
14 9
8
29 12 13
250
50
85
1 2 3 4 5
Gambar 3.6 Posisi pengukuran temperatur kolektor tanpa belokan
Karakteristik aliran dapat diprediksi jika distribusi temperatur di sepanjang
laluan saluran terutama dibelokan dapat di data. Dengan demikian, pemanasan dan
pengukuran temperatur fluida pada titik-titik tertentu yang melalui saluran uji adalah
hal yang utama dilakukan untuk pendataan agar analisis hasil penelitian dapat
dilakukan
3.3.2 Simulasi elemen hingga
Simulasi komputer dilakukan untuk hipotesa awal dan klarifikasi terhadap
hasil eksperimental. Simulasi komputer secara metode elemen hingga (MEH)
dilakukan dengan software FLUENT 6.2 for Windows. Kecepatan angin di wilayah
penelitian eksperimental dijadikan input kecepatan angin pada simulasi yaitu, 1 m/s.
Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini telah dilaksanakan berurutan dan
sistematis (Gambar 3.7). Pelaksanaan penelitian dimulai dari penelusuran literatur
dan penyusunan proposal penelitian, pemeriksaan ketersediaan peralatan, pembuatan
prototipe alat uji, simulasi, dan pengujian dengan belokan tajam (dengan sudut
pengujian dengan belokan tajam. Semua hasil pengujian akan diolah dan didapat
kesimpulan yang berupa jawaban dari tujuan penelitian.
Penelusuran literatur & Mulai
penyusunan proposal
Selesai Pemeriksaan ketersediaan
peralatan & bahan
[image:39.612.123.483.167.529.2]Pembuatan
Gambar 3.7 Diagram alir pelaksanaan penelitian
3.4. Variabel yang diamati
Variabel terikat
1. Suhu udara luar masuk alat
2. Suhu udara pada titik-titik pengamatan
prototipe alat uji
Pengujian 1.
2. Dengan belok Tanpa belokan
an (sudut 900dan 1050)
Pengolahan d hasil pengujia
ata n
Hasil dan kesimpulan
3. Suhu pada pengarah awal
4. Suhu pada pengarah akhir
Variabel bebas
1. Arah hambatan
2. Sudut belokan
3.5. Teknik Pengukuran, Pengolahan dan Analisis Data
Pengukuran temperatur pada alat penyerap panas dengan memanfaatkan energi
matahari dilakukan setiap selang waktu setengah jam, dari jam 11.00 Wib s.d 15.00
Wib. Pengujian tersebut dilakukan dengan tiga kondisi alat, yaitu memvariasikan
posisi aliran di dalam saluran tersebut yang diberi hambatan dengan sudut 900, 1050
dan tanpa diberi hambatan di dalam saluran aliran tersebut. Dari ketiga alat penyerap
panas yang menggunakan energi matahari tersebut akan diketahui karakteristik
pergerakan fluida dan posisi saluran yang akhirnya diperoleh suatu sistim penyerap
panas yang paling optimal diantara ketiga alat tersebut.
Pengolahan atau analisa data merupakan tahap akhir dari metodologi
penelitian. Data-data yang diperoleh dari pengujian ditabulasikan dan kemudian
diplot dalam bentuk grafik yang selanjutnya dilakukan pembahasan dan dilihat
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik aliran dan distribusi temperatur sepanjang saluran perlu
pemahaman lebih detil, keoptimasian penyerapan panas dengan memanfaatkan energi
matahari (surya) dipengaruhi oleh beberapa karakteristik aliran fluida di dalam saluran
yang diakibatkan oleh pemanasan. Karakteristik pola aliran ini dapat diprediksi jika
distribusi temperatur disepanjang laluan dapat ditentukan.
4.1 Distribusi Temperatur di Sepanjang Laluan
Distribusi temperatur pada absorber di sepanjang saluran pemanas kolektor
mempengaruhi distribusi udara panas yang melalui saluran tersebut. Gambar 4.1
memperlihatkan pengukuran distribusi temperatur pada absober dengan saluran tanpa
hambatan. Pada kasus ini diambil hanya 3 titik yaitu posisi setelah saluran masuk, titik
tengah saluran dan posisi mendekati saluran keluar.
1 2 3
Gambar 4.1 Posisi pengukuran temperatur absorber pada laluan tanpa hambatan
Gambar 4.2 menunjukan distribusi temperatur di sepanjang laluan pada jam
12.30 – 13.30 Wib. Dari gambar 4.2, terlihat perbedaan dirtribusi temperatur
disepanjang laluan. Temperatur titik 1 sampai titik 3 naik secara signifikan, ini
disebabkan pengaruh temperatur luar dan penyerapan panas yang besar dari absorber
pada daerah saluran masuk. Pada titik 2 ke titik 3 kenaikan temperatur relatif sama,
hal ini di sebabkan oleh penyerapan panas oleh absorber sudah stabil dan pengaruh
penyerapan panas absorber oleh udara di saluran pemanas tidak terlalu tinggi pada
daerah keluaran.
y = 3.5x + 59.333
40 50 60 70 80 90
1 2 3
Titik Pengukuran
Te
m
p
e
ra
tur (
C
[image:42.612.125.518.342.559.2]º)
Gambar 4.2 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan tanpa hambatan
Gambar 4.3 menjelaskan titik pengukuran temperatur pada kolektor belokan
tajam 1800 dengan sudut hambatan 900. Pada kasus ini diambil hanya 3 titik pada
posisi masuk saluran hingga posisi tengah saluran, hal ini di lakukan karena posisi
Gambar 4.3 Posisi distribusi temperatur absorber pada laluan berbelok tajam dengan sudut hambatan 900
Distribusi temperatur pada absorber dengan laluan belokan tajam dengan sudut
hambatan 900 untuk tiga titik pengukuran diperlihatkan pada Gambar 4.4.
y = 4x + 48.667 y = 2x + 64 y = 3.5x + 64.333
30 50 70 90
1 2 3
Titik Pengukuran
Te
m
pe
ra
tur
(
º
C
)
11.00 Wib - 12.00 Wib 12.00 Wib - 13.30 Wib
14.00 Wib - 15.00 Wib
Gambar 4.4 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan berbelok tajam dengan sudut hambatan 900
2 3
Pada pukul 11.00-12.00 wib kenaikan temperatur dari saluran masuk titik 1 ke
titik 2 cendrung meningkat tajam, hal ini di sebabkan waktu penyerapan panas radiasi
oleh absorber masih singkat sehingga panas yang di panyai oleh absorber diserap
langsung oleh udara yang masuk ke saluran kolektor. Sedangkan pada pukul 12.30–
13.30 wib, terlihat perbedaan dirtribusi temperatur disepanjang laluan (titik 1 sampai
titik 2 dan 3) naik tidak secara signifikan, hal ini di sebabkan oleh penyerapan panas
oleh udara dari absorber di saluran pemanas banyak pada daerah masukan. Hal ini
disebabkan terdapat hambatan sehingga udara berada lebih lama di setiap daerah
saluran, sehingga penyerapan panas pada daerah saluran selanjutnya sudah stabil,
maka distribusi temperatur di absorber naik merata. Untuk distribusi pada pukul
14.00-15.00 wib distribusi temperaturnya lebih tinggi dari pukul sebelumnya. Ini
terjadi walaupun panas radiasi dari matahari sudah berkurang, ini dikarenakan panas
yang masih disimpan oleh absorber masih cukup banyak.
1 2 3
Pengukuran temperatur pada tiga titik pada kolektor dengan belokan tajam
dengan sudut hambatan 1050 juga dilakukan. Untuk kasus ini diambil hanya 3 titik
pada posisi masuk saluran hingga posisi tengah saluran, hal ini di lakukan karena
posisi setelah saluran tengah kenaikan termperatur bisa dianggap tidak terjadi
kenaikan lagi, sama dengan saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900.
Gambar 4.6 menunjukan distribusi temperatur di sepanjang laluan dengan belokan
tajamdengan sudut hambatan 1050.
y = 4x + 58.667
40 50 60 70 80
1 2 3
Titik Pengukuran
T
e
m
p
er
at
u
r (
°
C
[image:45.612.136.508.306.525.2])
Gambar 4.6 Distribusi temperatur absorber sepanjang laluan berbelokan tajam dengan sududt hambatan1500 pukul 12.30 – 13.30
Gambar 4.6 memperlihatkan distribusi temperatur absorber laluan berbelokan
tajam dengan sudut hambatan 1050 yang terjadi pada pukul 12.30 – 13.30 wib. Pada
gambr 4.6 terlihat perbedaan dirtribusi temperatur disepanjang laluan. Kenaikan
temperatur pada titik 1 sampai titik 3 terjadi tidak secara signifikan. Hal ini di
terlalu tinggi pada daerah masukan yang disebabkan hambatan sehingga udara berada
lebih lama di setiap daerah saluran. Sehingga penyerapan panas pada daerah saluran
selanjutnya sudah stabil, maka distribusi temperatur di absorber naik merata. Hal ini
hampir sama dengan dengan saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900.
4.2 Distribusi Temperatur di Sepanjang Saluran
Untuk mengkaji pola aliran dan perpindahan panas pada saluran dibutuhkan
karakteristik distribusi temperatur disepanjang saluran tersebut, maka dari hasil
pengukuran distribusi temparatur pada penelitian ini. Setelah di analisa hasil ini dapat
di tampilkan selebih lanjut pada sub bab lanjutan.
4.2.1 Distribusi temperatur sepanjang saluran tanpa penghalang saluran
Gambar 4.7 menunjukkan posisi distribusi titik-titik pengukuran temperatur
udara di dalam saluran pada saluran tanpa hambatan. Ada 5 titik pada saluran dan
temperatur udara di luar saluran.
1 2 3 4 5
Hasil pengukuran temperatur udara sepanjang saluran tanpa penghalang untuk
waktu pukul 12.30-13.30 wib diperlihatkan pada Gambar 4.8. Temperatur setelah
masuk saluran di titik 1 mencapai 700, dapat dijelaskan bahwa secara keseluruhan
distribusi temperatur udara disepanjang saluran cenderung mengalami kenaikan
dengan bertambahnya panjang laluan aliran hingga titik 4. Kecendungan ini karena
sepanjang laluan ini terjadi pemanasan udara baik oleh absorber maupun radiasi
langsung dari matahari ke kolektor. Temperatur tertinggi di capai pada titik 3 dengan
temperatur mencapai 720, setelah titik 3 menuju titik 5 hingga ke saluran keluar
cenderung menurun, hal ini terjadi disebabkan kecepatan udara di saluran bertambah
karena sudah mendekati saluran keluar dari saluran pemanas kolektor.
y = 0.2333x + 69.633
40 50 60 70 80
1 2 3 4 5
Titik Pengukuran
T
e
m
p
er
at
u
r
( °
C
[image:47.612.124.529.399.623.2])
Distribusi temperatur sepanjang saluran kolektor tanpa penghalang untuk
pukul 11.00-12.00, 12.30-13.30, dan 14.00-15.00 wib diperlihatkan pada Gambar 4.9.
Kecendrungan fenomena distribusi temperatur ke 3 garis distribusi tersebut adalah
mendekati sama. Dari hasil ini menunjukkan bahwa distribusi temperatur pada pukul
12.30-13.30 yang mencapai temperatur tertinggi. Sedangkan untuk distribusi
temperatur untuk waktu pukul 11.00-12.00 merupakan distribusi temperatur terendah,
hal ini terjadi karena panas yang di miliki oleh absorber masih kecil. Pada selang
waktu ini jumlah panas radiasi yang mampu diserap masih kecil. Untuk distribusi
pukul 14.00-15.00, temperatur yang di capai masih tinggi walau panas radiasi mulai
rendah. Tingginya temperatur udara di saluran kolektor ini disebabkan oleh masih
tingginya temperatur yang dimiliki oleh absorber. Rendahnya temperatur di titik 3
karena penyerapan panas radiasi oleh udara sudah kecil, yang masih besar hanyalah
panas konveksi dari absorber.
y = -0.4524x2 + 2.9476x + 66.467
y = -0.5476x2 + 4.0524x + 60.733
y = -0.9048x2 + 5.9619x + 56.667
50 60 70 80
1 2 3 4 5
Titik Pengukuran
Te
m
pe
ra
tur
(
C
)
11.00 Wib - 12.00 Wib 12.30 Wib - 13.30 Wib 14.00 Wib - 15.00 Wib
4.2.2 Distribusi temperatur sepanjang saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900
Gambar 4.10 menunjukkan posisi distribusi titik-titik pengukuran temperatur
udara di dalan saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900. Ada 29 titik
pengukuran temperatur pada saluran ini, jumlah yang demikian di karenakan pola
aliran yang sangat komplek.
4 2 3
1 5 6 7
10
8 9 14 15 16 20 21 22 26 27 28
19
17 18 23 24 25 13
11 12 29
Gambar 4.10 Posisi pengukuran temperatur udara pada saluran berbelokan tajam 0 dengan sudut hambatan 900
Gambar 4.11 memperlihatan distribusi temperatur sepanjang saluran dengan
sudut hambatan 900 untuk waktu pukul 12.30-13.30 wib. Temperatur setelah masuk
saluran di titik 1 mencapai 450, dapat dijelaskan bahwa secara keseluruhan distribusi
temperatur udara disepanjang saluran dari titik 1 hingga titik 13 cenderung mengalami
kenaikan yang sangat tajam terutama di daerah belokan. dengan bertambahnya
panjang laluan aliran. kecendungan ini karena di sepanjang laluan ini terjadi
pemanasan udara cukup baik yang disebabkan oleh adanya belokan tajam yang
berakibatkan terjadinya turbulensinya aliran. Dari titik 14 menuju titik 27 kenaikan
panas oleh udara yang terbatas. Temperatur tertinggi di capai pada titik 27 dengan
temperatur mencapai 810. Di titik 27 hingga titik 29 menunjukkan fonomena
temperatur udara manurun seperti juga pada kondisi saluran tanpa hambatan, yang
mana terjadi kecepatan udara bertambah karena sudah mendekati saluran keluar dari
saluran pemanas kolektor.
y = -0.0674x2 + 3.0013x + 46.136
30 50 70 90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Titik Pengukuran
Te
m
pe
ra
tur
(
º
C
[image:50.612.125.516.252.466.2])
Gambar 4.11 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan sudut belokan tajamdengan sudut hambatan 900 untuk waktu pukul 12.30-13.30
Gambar 4.12 adalah hasil pengukuran distribusi temperatur sepanjang saluran
berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900 untuk pukul 11.00-12.00, 12.30-13.30,
dan 14.00-15.00 wib. Kecendrungan fenomena distribusi temperatur ke 3 garis
distribusi tersebut adalah mendekati sama. Dari hasil ini menunjukkan bahwa
distribusi temperatur pada pukul 12.30-13.30 dan pukul 14.00-15.00 yang mencapai
12.00 merupakan distribusi temperatur terendah, hal ini terjadi karena panas yang di
miliki oleh absorber masih kecil (temperatur masih agak rendah), ini dikarena jumlah
panas radiasi yang mampu diserab masih kecil oleh sebab waktu yang tersedia masih
singkat.
y = -0.0697x2 + 2.7518x + 37.963 y = -0.0653x2 + 2.9547x + 44.537
y = -0.0697x2 + 3.2276x + 41.873
30 45 60 75 90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Titik Pengukuran
Te
m
p
er
at
u
r
(C°
)
[image:51.612.127.519.222.433.2]11.00 Wib - 12.00 Wib 12.30 Wib - 13.30 Wib 14.00 Wib - 15.00 Wib
Gambar 4.12 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan hambatan 900
4.2.3 Distribusi temperatur sepanjang saluran berbelokan tajam dengan sudut
hambatan 1050
Gambar 4.13 menunjukkan posisi distribusi titik-titik pengukuran temperatur
udara di dalam saluran berbelokan tajam dengan sudut hambatan 1050. Terdapat 29
titik pengukuran temperatur disepanjang saluran ini, jumlah yang demikian di
Gambar 4.13 Posisi pengukuran temperatur udara pada laluan berbelokan tajam dengan sudut hambatan 1050
Hasil pengukuran distribusi temperatur sepanjang saluran kolektor dengan
penghalang untuk waktu pukul 12.30-13.30 wib diperlihatkan pada Gambar 4.14.
y = -0.0985x2 + 3.6309x + 50.676
30 45 60 75 90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Titik Pengukuran
Te
m
p
e
ra
tu
r (
º
C
)
Gambar 4.14 Distribusi temperatur sepanjang saluran belokan tajam dengan sudut hambatan 1050 untuk waktu pukul 12.30-13.30
Temperatur setelah masuk saluran di titik 1 mencapai 520, disini terlihat
distribusi temperatur udara disepanjang saluran dari titik 1 hingga titik 9 cenderung
mengalami kenaikan yang sangat tajam terutama di daerah belokan. Kecenderungan 4
2 3
1 5 6 7
10 15 16 20 21 22 26 27 28
19
17 18 23 24 25 14
9 8
29 12 13
ini karena di sepanjang laluan ini terjadi pemanasan udara cukup baik yang
disebabkan oleh adanya belokan tajam yang berakibatkan terjadinya turbulensinya
aliran. Dari titik 10 menuju titik 23 kenaikan temperatur udara ini tidak begitu besar,
hal ini terjadi karena kemampuan penyerapan panas oleh udara yang terbatas.
Temperatur tertinggi di capai pada titik 21 dengan temperatur mencapai 830. Di titik
24 hingga titik 29 menunjukkan fenomena temperatur udara manurun seperti juga
pada kondisi saluran tanpa hambatan, yang mana terjadi kecepatan udara bertambah
karena sudah mendekati saluran keluar dari saluran pemanas kolektor.
Gambar 4.15 memperlihatkan distribusi temperatur sepanjang saluran
berbelokan tajam 1050 untuk pukul 11.00-12.00, 12.30-13.30, dan 14.00-15.00.
Kecendrungan fenomena distribusi temperatur ke 3 garis distribusi tersebut adalah
mendekati sama. Dari hasil ini menunjukkan bahwa distribusi temperatur udara pada
pukul 12.30-13.30 mencapai distribusi temperatur tertinggi. Sedangkan untuk
distribusi temperatur untuk waktu pukul 11.00-12.00 merupakan distribusi temperatur
terendah, hal ini terjadi karena panas yang di miliki oleh absorber masih kecil. Hal ini
dikarena jumlah panas radiasi yang mampu diserab masih kecil oleh sebab waktu
yang tersedia masih singkat. Untuk distribusi pukul 14.00-15.00, temperatur yang di
capai masih tinggi walau panas radiasi mulai rendah sama dengan yang terjadi pada
saluran tanpa hambatan Tingginya tenperatur udara di saluran kolektor ini disebabkan
y = -0.0924x2 + 3.4718x + 44.09
30 45 60 75 90
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Titik Pengukuran
Tem
p
er
at
ur
(
°
C
)
[image:54.612.130.511.116.339.2]11.00 Wib - 12.00 Wib 12.30 Wib - 13.30 Wib 14.00 Wib - 15.00 Wib
Gambar 4.15 Distribusi temperatur sepanjang saluran belokan tajam dengan sudut hambatan 1050
4.3. Optimasi Distribusi Temperatur Pada Saluran Kolektor
Untuk mengetahui jenis kolektor mana yang paling baik untuk di pilih dalam
hal pemanas udara, kita perlu mengkaji masing karakteristik pola aliran dan
perpindahan panas yang terjadi pada masing-masing karakteristik kolektor.
Untuk kolektor tanpa hambatan dari Gambar 4.9 terlihatkan distribusi
temperatur sepanjang saluran tanpa penghalang untuk pukul 12.30-13.30,
menghasilkan distribusi temperatur tertinggi tercapai dibandingkan dengan distribusi
pada pukul 11.00 – 12.00 dan pukul 14.00-15.00, dengan temperatur tertinggi di capai
pada titik 3 dengan temperatur mencapai 720.
Untuk kolektor berbelokan tajam dengan sudut hambatan 900 pada gambar 4.12
hambatan 900 untuk pukul 12.30-13.30, menghasilkan distribusi temperatur tertinggi
dibandingkan dari distribusi pada pukul 11.00 – 12.00 dan pukul 14.00-15.00.
Temperatur tertinggi di capai pada titik 27 dengan temperatur hingga 810.
Untuk kolektor berbelokan tajam dengan sudut hambatan 1050 (Gambar 4.14)
terlihat bahwa distribusi temperatur sepanjang saluran berbelokan tajam dengan sudut
hambatan 1050 untuk pukul 12.30-13.30, juga menghasilkan distribusi temperatur
mencapai tertinggi dari distribusi pada pukul 11.00 – 12.00 dan pukul 14.00-15.00,
dengan temperatur tertinggi di capai pada titik 21 dengan temperatur mencapai 830.
y = -0.0185x2 + 0.6881x + 57.305 y = -0.0653x2 + 2.9547x + 44.537
y = -0.0985x2 + 3.6309x + 50.676
30 45 60 75 90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Titik Pengukuran
Tem
p
er
a
tur
(
°
C
)
[image:55.612.127.516.334.570.2]Sudut 105° Sudut 90° Tanpa Bufel
Gambar 4.16 Distribusi temperatur sepanjang saluran dengan variasi laluan
Gamba
![Gambar 2.5 Pergerakan fluida ketika melewati belokan tajam [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/338732.30990/30.612.262.420.563.652/gambar-pergerakan-fluida-melewati-belokan-tajam.webp)
