BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengeringan
Pengeringan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif
dalam pengolahan pascapanen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi
kadar air produk seperti buah-buahan, sayuran dan produk pertanian lainnya
setelah panen. Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan massa uap air
secara simultan yang memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan
bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses
pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan
kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan
kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam
bahan tersebut.
Pada prinsipnya, pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air yang
terkandung pada bahan sampai pada kadar air yang diinginkan. Tujuan
mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang kehidupan rak-produk
bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat yang cukup rendah sehingga
menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi enzimatik, dan reaksi lainnya
yang memperburuk produk pertanian tersebut.
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu,
kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhir
bahan.
a. Proses perpindahan panas
Proses perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan suhu udara
pengering dengan suhu bahan yang dikeringkan, dimana suhu udara
pengering lebih tinggi dari suhu bahan. Panas yang dialirkan melalui udara
pengering akan meningkatkan suhu bahan, sehingga air dalam bahan berubah
b. Proses perpindahan Massa Uap Air
Peningkatan suhu bahan karena proses perpindahan panas akan menyebabkan
tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari tekanan uap air pada udara
pengering, sehingga terjadi perpindahan uap air bahan ke udara.
Kelembaban relatif udara pengering akan turun dengan adanya peningkatan
suhu udara pengering, Hal ini menyebabkan kelembaban relatif udara
pengering lebih rendah dari kelembaban relatif bahan. Selanjutnya panas
yang dialirkan ke permukaaan bahan akan meningkatkan tekanan uap air
bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih tinggi dari tekanan uap air udara
pengering. Dengan kondisi demikian akan terjadi perpindahan massa uap air
dari bahan ke udara pengering dan disebut sebagai proses penguapan. Proses
penguapan air dari bahan akan terus berlangsung sampai terjadi
kesetimbangan tekanan uap air antara bahan dengan pengering.
2.1.1. Jenis-Jenis Pengeringan
Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa
pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu: (Arun S. Mujumdar, Chung
Lim Law, 2009)
a) 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.
b) 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
c) 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.
d) 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 atau
searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk
padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan
dengan hydrocyclone.
e) 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.
f) 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.
g) Membekukan
Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya
digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk
h) Batch dryer
Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat
sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.
Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan simulasi pengeringan tipe wadah
dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara
pengering.
Kaca
Solar Kolektor
Ud ara lua
r
Drying chamber
Cerobong
isolator
Solar collector Glass cover
Gambar 2.1 Skema sistem pengering dengan energi surya
2.2. Kolektor dan Jenis-jenisnya
Pengering surya adalah suatu sistem pengering yang memanfaatkan energi
surya. Sistem pengering surya terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor surya
dan ruang pengering. Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki
komponen-komponen utama, yaitu:
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.
Gambar 2.2 Komponen-komponen umum kolektor
Berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimiliki, kolektor
surya dibagi atas 4 macam yaitu:
1. Flat-Plate Collectors (Kolektor Plat Datar)
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 industri.
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya
tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Aplikasi umum kolektor tipe ini
antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara,
dan proses panas industri.
Gambar 2.3 Kolektor surya plat datar
(Sumber: http://www.rainharvest.co.za/2010/08/solar-geyser-collector-types/)
2. Prismatic Solar Colector (Kolektor Surya Prismatik)
Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor plat datar
dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang yang
membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segitiga sama kaki dan 2 bidang yang lain
berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini
adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari segala
posisi matahari.
Gambar 2.4 Kolektor surya prismatic
(Sumber: Philip Kristianto & James Laeyadi, Jurnal Teknik Mesin Universitas
3. Concentrating Collectors (Kolektor Surya Konsentrasi)
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur antara 100°C – 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. Berdasarkan komponen
absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu line focus dan point
focus.
(a) (b)
Gambar 2.5 Kolektor Surya Konsentrator, (a) Line Focus, (b) Point Focus.
(Sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector)
4. 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
Gambar 2.6 Evacuated Tube Collector
(Sumber: http://www.greenspec.co.uk/solar-collectors.php)
Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan perancangan dan pembuatan
alat pengering energi surya dengan menggunakan kolektor surya tipe plat datar.
Pada penelitian kali ini kolektor akan dimodifikasi dengan penambahan sirip pada
pada bagian absorbernya. Ini merupakan pengembangan dari penelitian
sebelumnya. Tujuan dilakukannya modifikasi ini untuk mengetahui dan
meningkatkan efisiensi alat pengering tersebut dibandingkan dari
penelitian-penelitian sebelumnya.
2.3.Sirip (Fin)
Sirip (fin) adalah suatu peralatan tambahan yang digunakan untuk
meningkatkan kinerja suatu peralatan mesin, yaitu sebagai pembuang panas agar
peralatan mesin tidak rusak dan terbakar akibat temperatur yang sangat tinggi
seperti yang terdapat pada bagian processor yang dikenal sebagai heat sink atau
pada mesin sepeda motor dan juga sebagai penyerap panas seperti pada kolektor
yang akan menjadi pembahasan dalam skripsi ini. Pada dasarnya penggunaan sirip
bertujuan untuk menambah luas bidang perpindahan panas dengan bahan yang
mempunyai konduktivitas yang baik. Adalah sangat mubazir menambahkan sirip
tetapi aliran konduksi tidak mampu mensuplai aliran panas dikarenakan
2.3.1. Efisiensi Sirip (Fin Efficiency)
Efisiensi sirip adalah perbandingan laju perpindahan panas aktual dari
sebuah sirip dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin. Atau
dapat ditulis dengan persamaan:
η = 𝑞𝑓
𝑄𝑚𝑎𝑥 ... (2.1)
dimana qf adalah laju perpindahan panas yang sebenarnya dari sebuah sirip dan
besarnya tergantung pada jenis dan kondisi batas yang diketahui. Untuk sirip
dengan penampang konstan besarnya qf adalah:
𝑞𝑓 = 𝑘𝑝𝐴coshsinh 𝑚𝐿𝑚𝐿+(+(//𝑚𝑘𝑚𝑘) cosh) sinh 𝑚𝐿𝑚𝐿 𝑇𝑏− 𝑇∞ ... (2.2)
dimana besarnya m adalah:
m = 𝑝
𝑘𝐴 ... (2.3)
Sementara Qmax adalah laju perpindahan panas maksimum yang mungkin dari
sebuah sirip.
Qmax = hAfin (Tb - T∞) ... (2.4)
dimana Afin adalah luas permukaan sirip dan hubungannya dengan keliling (p,
perimeter) dan panjang sirip (L) dapat dirumuskan:
Afin = pL + A ... (2.5)
Perhatikan sirip berbentuk persegi pada gambar di atas. Misalkan lebar
sirip adalah w, sementara Ac luas penampang atau cross sectional area, dapat
ditulis A dan Ap luas profil yang dikoreksi dan dirumuskan dengan persamaan:
Ap = L.t... (2.6)
Untuk sirip yang sangat lebar, atau disbanding w, tebal sirip t menjadi sangat
kecil. Untuk kasus ini, maka perimeter dapat disederhanakan menjadi:
p = 2w + 2t ≈ 2w ... (2.7)
2.3.2. Efisiensi Sirip Menyeluruh (Overall Fin Efficiency)
Pembahasan yang dilakukan ini adalah untuk sirip dengan kondisi tunggal.
Sementara pada aplikasinya sirip biasanya digunakan secara banyak, dengan kata
lain hampir tidak dijumpai sirip tunggal.
Gambar 2.8 Penampang Multi Sirip (Sumber: Perpindahan Panas, JP. Holman.)
Efisiensi total dari permukaan yang mempunyai banyak sirip dapat
dirumuskan sebagai berikut:
𝜂𝑜 = 𝑄𝑚𝑎𝑥𝑞𝑡 = 𝐴𝑡(𝑇𝑞𝑏𝑡−𝑇∞) ... (2.8)
dimana qt adalah perpindahan panas total dari permukaan total At termasuk
permukaan sirip dan permukaan base. Jika dimisalkan jumlah sirip N, maka luas
total dapat dirumuskan dengan menjumlahkan luas permukaan tiap sirip As:
Sementara perpindahan panas total dari seluruh permukaan dapat dijabarkan
sebagai penjumlahan perpindahan panas dari tiap sirip ditambah dari permukaan
base.
qt = NηhAs(Tb - T∞) + hAb(Tb - T∞)... (2.10)
substitusi persamaan (2.9) untuk mengganti parameter Ab pada persamaan diatas,
maka diperoleh:
qt = h[NηAs+ (At - NAs)](Tb - T∞)... (2.11)
atau
𝑞𝑡= h𝐴𝑡 1− 𝑁𝐴𝐴𝑡𝑠 1− 𝜂 (𝑇𝑏− 𝑇∞) ... (2.12)
Substitusi persamaan (2.12) ke dalam persamaan (2.8) akan didapat hubungan
efisiensi total dengan efisiensi masing-masing sirip, yaitu:
𝜂𝑜 = 1− 𝑁𝐴𝐴𝑡𝑆(1− 𝜂) ... (2.13)
Dengan mengetahui efisiensi total sirip secara keseluruhan, maka laju
perpindahan panas total dari kumpulan sirip dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (2.8)
2.4.Pemanfaatan Energi Matahari
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari
dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya.
Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m (Duffie &
Beckman, 1980). Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak
antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Karena adanya perbedaan jarak
ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda (Duffie,
1980).
Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk
mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970-an
mendapat perhatian yang cukup besar dari banyak negara di dunia. Di samping
jumlahnya yang tidak terbatas, pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi
yang dapat merusak lingkungan. Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi
menjadi listrik dengan menggunakan teknologi sel surya atau fotovoltaik.
Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4,8
kWh/m2/hari atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan
baru sekitar 10 MWp. Saat ini pemerintah telah mengeluarkan roadmap
pemanfaatan energi surya yang menargetkan kapasitas PLTS terpasang hingga
tahun 2025 adalah sebesar 0,87 GWp atau sekitar 50 MWp/tahun. Jumlah ini
merupakan gambaran potensi pasar yang cukup besar dalam pengembangan
energi surya di masa depan.
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. 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
Gambar 2.10 Energi yang masuk ke Bumi
(Sumber: http://edro.wordpress.com/energy/earths-energy-budget/)
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= 56 𝑥 1026𝑘𝑎𝑙.𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡−1
4𝜋𝑥 15 𝑥 1012𝑐𝑚 2 ... (2.14)
𝑆 ≈ 2,0 𝑘𝑎𝑙.𝑐𝑚−2.𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡−1 𝑝𝑒𝑚𝑏𝑢𝑙𝑎𝑡𝑎𝑛 = 𝐿𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒𝑦𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡−1
S = 2,0 Ly menit-1, yang disebut konstana matahari
maka energi matahari yang diterima bumi dengan jari-jari 6370 km adalah:
𝐸𝑏 =𝜋a2S ... (2.15) = 3,14 x (637 x 106cm)2x 2 kal cm-2menit-1
= 2,55 x 1018kal.menit-1
= 3,67 x 1021kal/hari
Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi
radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan
(refleksi), sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan
(transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal
radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka
pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah
maka pantulannya adalah diffuse.
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari
permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer
(30-50 km), dan thermosfer ((30-50-400 km). Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer
dilambangkan (Gon). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan
(Gbeam). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gdiffuse).
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi
effisiensi kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung
permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus (Duffie,
1980):
Q = 𝐼.𝐴.𝝉𝛼ΔtF’ ... (2.16)
dimana: Q = Energi Radiasi Masuk Kolektor (Watt)
I = Intensitas radiasi (W/m2)
A = Luas penampang kolektor(m2)
Δt = Selang waktu perhitungan (s)
F’ = Faktor efisiensi kolektor = 80% - 90%
𝜏 = Transmisifitas kaca
𝛼 = Absorbsifitas plat
2.5. Tinjauan Pindahan 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 plat kolektor berpindah secara konveksi ke
udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan semua jenis perpindahan panas
yang terjadi.
2.5.1. Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir dari benda yang
benda penghubung yang diam (tidak dalam mengalir). Besar kecil perpindahan
panas ditentukan oleh karakteristik zat dan benda yang dilalui panas pada waktu
perpindahan dari satu benda ke benda lain. Pada alat ini terjadi pada peristiwa
kehilangan panas dari kolektor surya.
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.
.
= gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
Nilai angka konduktifitas termal menunjukan seberapa cepat kalor mengalir dalam
bahan tertentu.
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor
Kanal Lingkungan
Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi
pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi
panas hilang (Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju
temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).
2.5.2. Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi merupakan proses perpindahan panas dari benda yang
bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui
media, dimana media tersebut haruslah memiliki sifat fluida (konduktivitas
termal, kalor spesifik dan densitas). Syarat utama mekanisme perpindahan panas
konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada
pengering terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara).
Jika suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber
gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien
densitas di dekat plat itu, peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah (natural
convection) atau konveksi bebas (free convection), untuk konveksi paksa (forced
convection) terjadi apabila udara itu dihembuskan pada plat dengan fan.
Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural.
Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh
Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar
(Sumber:
http://bloghasnan.blogspot.com/2012/04/memahami-sifat-sifat-dasar-aliran.html)
Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut:
VL Re
... (2.18)
dimana, Re = bilangan Reynold
V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)
L = panjang kolektor( m )
ρ = massa jenis ( kg/m3)
μ = viskositas dinamik (kg/m.s)
Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut:
Re < 5x105 untuk aliran Laminar
Re > 5x105 untuk aliran Turbulen
Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut:
Qh = hA(Ts - T∞) ... (2.19)
dimana, h = koefisien konveksi (W/m2.K)
A = luas permukaan kolektor surya (m2)
Ts = temperatur dinding (K)
T∞ = temperatur udara lingkungan (K)
Korelasi yang sering digunakan dalam menentukankoefisien perpindahan
RaL = Bilangan Rayleigh
𝑃𝑟 = Bilangan Prandt
𝑁𝑢𝑥 = Bilangan Nusselt
𝑙 = Lebar Kolektor (m)
𝑐 = Koefisien konveksi (W/m2.K) 𝑘 = Konduktivitas termal (W/m.K)
Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan
bilangan Ra yang telah didefenisikan pada persaman:
2
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
rendah dari temperatur fluida, sehingga arahaliran 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 RaL Untuk kasus ini ada beberapa alternatif yang
dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada Mc
Adams (1954), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu:
Nu = 0,59RaL0,25 untuk 104≤ RaL≤ 109 ... (2.24)
Nu = 0,1RaL1/3 untuk 109 < RaL < 1013 ... (2.25)
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 plat yang panas dimiringkan
dengan sudut kemiringan 0
90
terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.13
Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pada Bidang Miring
Pada ruang pengering (kanal) kolektor surya ini perpindahan panas yang
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:
𝑣 =𝑉𝑐(𝑦)𝑥𝛿 1−𝑥𝛿 2
... (2.26)
Dengan δ 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 untuk mencari kecepatan
karakteristik adalah:
Konstanta gravitasi pada persamaan diatas adalah gravitasi yang searah dengan
plat miring (g.cos θ).
Pada gambar dapat dilihat bahwa pada bidang miring dengan sudut kemiringan
terhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi g.cosθ yang
sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat dianggap sebagai plat
vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi g.cosθ. Maka untuk bidang miring
2.5.3. Perpindahan Panas Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas dari benda bertemperatur tinggi
ke benda bertemperatur rendah dimana tidak diperlukan zat atau benda
penghubung, serta panas memancar dengan cara radiasi gelombang
elektromagnetik. Perpindahan panas radiasi pada alat ini terjadi pada absorber
kolektor surya.Peristiwa radiasi yang dipancarkan oleh matahari, dan
dikonversikan dalam bentuk panas terjadi pada plat absorber serta adanya
pengaruh dari emisifitas permukaan benda hitam (plat absorber).
Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi
(Sumber:
http://dedylondong.blogspot.com/2012/08/kenyamanan-suhu-dan-faktor-iklim-pada.html)
Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut:
.
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 Fire
(T2)
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 perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.
2.6.Tinjauan Mekanika Fluida
Di samping tinjauan perpindahan panas pada kolektor, tinjauan tentang
mekanika fluida juga harus kita ketahui karena juga memberikan pengaruh
terhadap perancangan sebuah kolektor surya sebagai pengering produk pertanian.
Fluida didefenisikan sebagai suatu zat yang berdeformasi secara terus menerus
selama dipengaruhi suatu tegangan geser.
Dari persamaan kontinuitas, fluida yang mengalir melalui suatu
penampang akan selalu memenuhi hukum kontinuitas yaitu laju massa fluida yang
masuk akan selalu sama dengan laju massa fluida yang keluar. Persamaan
kontinuitas dirumuskan:
tan 2
2 2 1 1
1AV AV kons
...
... (2.31)
