POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN EVAPORATOR 22 CC DAN PEMANAS 266 WATT
Tugas Akhir
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Fakultas Sains dan Teknologi
Disusun oleh :
Errie Noviyandhika Antonius NIM : 035214038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN EVAPORATOR 22 CC DAN PEMANAS 266 WATT
Tugas Akhir
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Fakultas Sains dan Teknologi
Disusun oleh :
Errie Noviyandhika Antonius NIM : 035214038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
THERMAL ENERGY WATER PUMP WITH 22 CC EVAPORATOR AND 266 WATTS HEATER
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
Composed by
Errie Noviyandhika Antonius Student Number : 035214038
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang saya tulis ini, tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 10 September 2009
PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas sanata Dharma : NAMA : Errie Noviyandhika Antonius NIM : 035214038
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
...POMPA AIR ENERGI TERMAL... ...DENGAN EVAPORATOR 26 CC DAN PEMANAS 266 WATT... beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya-benarnya.
Yogyakarta, 10 September 2009 yang menyatakan,
ABSTRAK
KATA PENGANTAR
Puji syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugrah-Nya, sehingga tugas akhir ini dapat penulis selesaikan tepat pada waktunya. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,
Universitas Sanata Dharma.
Judul tugas akhir yang penulis ambil adalah “Pompa air energi termal dengan evaporator 22 cc dan pemanas 266 watt”. Adapun alasan penulis memilih judul ini adalah adanya penggunaan pompa air listrik di masyarakat untuk memenuhi kebutuhan air dalam kehidupan sehari-hari, sehingga penulis mencoba mencari solusi bagaimana cara untuk mengatasi kebutuhan akan air dalam masyarakat tanpa menggunakan energi listrik. Jika dibuat dalam skala ukuran yang besar, pompa air energi surya ini akan menghasilkan debit air yang sangat besar. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
5. Semua pihak yang telah ikut membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang perlu diperbaiki dalam penulisan tugas akhir ini, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga penelitian dan tugas akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima kasih.
Yogyakarta, 10 September 2009
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
ABSTRAK ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI... x
DAFTAR TABEL... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 3
BAB II. Tinjauan pustaka ... 5
2.1 Penelitian yang pernah dilakukan ... 5
2.2 Dasar teori... 6
BAB III. METODE PENELITIAN... 16
3.1 Deskripi Alat ... 16
3.2 Skema alat penelitian ... 17
3.3 Peralatan pendukung ... 24
3.4 Variabel yang diukur... 25
3.5 Variabel yang divariasikan... 27
3.6 Tahapan Pelaksanaan ... 28
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 32
4.1 Data penelitian ... 32
4.2 Perhitungan ... 42
4.3 Grafik hasil perhitungan dan pembahasan ... 49
BAB V. PENUTUP... 58
5.1 Kesimpulan ... 58
5.2 Saran ... 58
DAFTAR TABEL
4.1 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0°
pada percobaan I ... 32 4.2 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0°
pada percobaan II... 33 4.3 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15°
pada percobaan I....33 4.4 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15°
pada percobaan II... 34 4.5 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 30°
pada percobaan I. ... 34 4.6 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 30°
pada percobaan II... 35 4.7 Data penelitian pompa dengan variasi ketinggian head 175 cm
pada percobaan I dan II, seperti pada tabel 4.1 dan 4.2 yaitu
variasi dengan bukaan kran terbuka penuh pada percobaan I dan II...35 4.8 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm
pada percobaan I. ... 36 4.9 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm
pada percobaan II... 36 4.10 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm
pada percobaan I ... 37 4.11 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm
pada percobaan II... 37 4.12 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin udara
pada percobaan I dan II, seperti pada tabel 4.1 dan 4.2 yaitu
4.13 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin air
pada percobaan I ... 38
4.14 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin air pada percobaan II... 39
4.15 Data I penelitian kolektorCPC... 40
4.16 Data II penelitian kolektorCPC... 40
4.17 Data III penelitian kolektorCPC... 41
4.18 Data IV penelitian kolektorCPC... 41
4.19 Hasil perhitungan pompa dengan variasi bukaan kran ... 43
4.20 Hasil perhitungan pompa dengan variasi head ... 44
4.21 Hasil perhitungan pompa dengan variasi pendingin ... 44
4.22 Hasil perhitungan data I kolektorCPC... 46
4.23 Hasil perhitungan data II kolektorCPC... 46
4.24 Hasil perhitungan data III kolektorCPC... 47
DAFTAR GAMBAR
2.1 Pompa air energi termal jenis pulsajet air(water jet puls)... 6
2.2 Pompa air energi termal jenisfluidyn pump... 7
2.3 Pompa air energi termal jenisnifte pump... 7
2.4 Kolektor plat datar konvensional ... 10
2.5 Kolektor plat datarevacuated tube... 11
2.6 Kolektor plat parabolik jenis tabung ... 12
2.7 Kolektor parabolik jenis piringan... 12
2.8 Perbandingan temperatur yang dihasilkan terhadap jenis kolektor ... 13
3.1 Pompa... 17
3.2 Ukuran pompa ... 18
3.3 Aliran fluida ... 20
3.4 KolektorCPC...21
3.5 Compound Parabolic Collectordan pengaruh sudut kemiringannya terhadap radiasi surya yang datang ... 22
3.6 Aliran fluida dalam pipa kolektor ... 24
3.7 Posisi termokopel pada pompa... 26
3.8 Posisi termokopel pada kolektor ... 26
3.9 Variasi bukaan kran pada tuning pipe ... 27
3.10 Variasi ketinggian head ... 28
3.11 Variasi pendinginan... 28
4.1 Grafik hubungan antara efisiensi pompa dengan variasi head, bukaan kran dan pendingin yang digunakan ... 49
4.2 Grafik hubungan antara daya pompa (Wp) dengan head ... 50
pada data I kolektorCPC ...52 4.5 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada
data I kolektorCPC...53 4.6 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada
data II kolektorCPC ...54 4.7 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada
data III kolektorCPC ...55 4.8 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada
data IV kolektorCPC ...56 4.9 Grafik hubungan antara faktor efisiensi kolektor (F’),
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Air merupakan kebutuhan hidup sehari-hari manusia, baik digunakan sebagai air minum maupun kebutuhan rumah tangga (memasak dan mencuci), tetapi hingga saat ini masih terdapat beberapa daerah atau masyarakat yang masih mengalami kesulitan dalam memperoleh air. Hal ini dapat disebabkan karena letak geografis suatu daerah, misalnya pemukiman di daerah perbukitan dengan sumber air yang terlalu rendah dan tidak tersedianya jaringan listrik. Dengan adanya permasalahan ini, kami mencoba membuat dan meneliti pemodelan pompa air energi alam dengan menggunakan salah satu energi termal yaitu panas matahari (energi surya). Alasan penggunaan energi ini karena Indonesia termasuk negara tropis dengan potensi radiasi surya harian rata-rata 4,8 kWh/m2 (sumber dari Kementerian Energi Republik Indonesia) sehingga penggunaan pompa air energi surya ini dapat lebih maksimal dan kebutuhan akan air tidak bergantung pada pompa air energi listrik.
jenis pulsajet (water jet puls), fluidyn pump, dan nifte pump. Pada penelitian ini menggunakan pompa air jenis pulsajet karena merupakan jenis pompa energi termal dengan sistem kerja dan pembuatan alat yang paling sederhana. Sumber panas yang digunakan pada pemodelan pompa air jenis pulsajet ini berasal dari spirtus sebagai bahan bakarnya. Kemudian dari penelitian pompa air energi termal ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan membuat pompa air energi surya. Sumber panas yang digunakan berasal dari panas matahari dan agar sumber panas tersebut dapat digunakan sebagai pemompaan air, dibuat kolektor sebagai penerima energi surya dan mengkonversikannya menjadi panas dengan fluida kerja (penyimpan panas) oli. Pada penelitian dengan menggunakan kolektor ini dibuat kolektor plat datar dengan jenis compound parabolic collector (CPC), dimana pada kolektor jenis ini terdapat 2 (dua) reflektor (pemantul) parabola jenis tabung (through) atau berbentuk setengah tabung memanjang dan bahan yang digunakan pada reflektor adalah aluminium foil. Alasan dari penggunaan jenis
CPC pada kolektor ini karena desainnya lebih tepat diaplikasikan pada pipa yang memanjang dalam kolektor atau lebih dikenal dengan pipa riser (sebagai
absorber) dan pipaheader(sebagai pemanas evaporator).
1.2. Perumusan Masalah
dihasilkan adalah debit pemompaan (Q), daya pompa (Wp), efisiensi pompa (η pompa) dengan variasi head, bukaan kran dan fluida pendingin yang digunakan.
Pada penelitian kolektor CPC (Compound Parabolic Collector), unjuk kerja yang dihasilkan ditunjukkan dengan efisiensi kolektor (η kolektor) dan faktor efisiensi (F’).
Pengujian pompa :
Beberapa variabel yang diukur saat pengujian pompa yaitu suhu (T1, T2, T3, T4), dan besarnya volume keluaran atau pemompaan yang dihasilkan (Vout).
Pengujian kolektor :
Beberapa variabel yang diukur saat pengujian kolektor yaitu suhu fluida kolektor (T5, T6, T7 dan T8) dan radiasi surya yang datang (GT).
1.3. Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui : 1. Debit pemompaan (Q).
2. Daya pompa (Wp).
3. Efisiensi pompa(η pompa).
4. Efisiensi kolektorCPC(η kolektor).
Manfaat dari penelitian adalah :
1. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut, sehingga dapat diaplikasikan menjadi alat yang berguna bagi masyarakat.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian yang pernah dilakukan
Penelitian pada pompa air energi surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy et. al., 1995). Penelitian pompa energi panas berbasis motor stirling dapat secara efektif memompa air dengan variasi head antara 2 – 5 m (Mahkamov, 2003), Penelitian pompa air energi panas oleh Smith menunjukkan bahwa ukuran kondenser yang sesuai dapat meningkatkan daya output sampai 56% (Smith, 2005). Penelitian pompa air energi panas surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy et. al., 1995). Penelitian secara teoritis pompa air energi panas surya dengan dua macam fluida kerja, yaitun-pentanedan
2.2 Dasar Teori 2.2.1 Pompa
Jenis-jenis pompa air energi termal dapat dibedakan menurut sistem atau cara kerjanya dan jenis yang digunakan pada umumnya adalah pompa air energi termal dengan jenis pulsajet (water puls jet), fluidyn pump dan nifte pump. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal dengan jenis pulsa jet air(water puls jet)
karena merupakan jenis pompa air energi termal dengan sistem dan pembuatan alat yang paling sederhana dibandingkan dengan kedua jenis pompa diatas. Fluida kerja yang digunakan adalah air dan sumber panas berasal dari spiritus sebagai bahan bakar. Berikut ini jenis-jenis pompa air energi termal :
Keterangan : 1. Fluida air 2. Sisi uap 3. Sisi panas 4. Sisi dingin 5.Tuning pipe
6. Katup hisap 7. Katup buang
Keterangan : 1.Displacer
2. Penukar panas 3. Pemicu regenerasi 4. Penukar panas 5.Tuning pipe
6. Katup hisap 7. Katup buang 8. Sisi volume mati 9. Pengapung
Gambar 2.2 Pompa air energi termal jenisFluidyn Pump
Keterangan :
1. Kekuatan piston 2. Beban
3. Silinderdisplacer
Perhitungan pada penelitian pompa adalah :
1. Debit pemompaan yaitu volume air yang dapat dihasilkan tiap satuan waktu (detik) dapat dihitung dengan persamaan:
t V
Q (1)
dengan:
v : volume air tiap satuan waktu (ml)
t : waktu yang diperlukan (detik)
2. Daya pemompaan yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan:
H
g : percepatan gravitasi (m/s2) Q : debit pemompaan (m3/s) H : head pemompaan (m)
3. Daya spritus yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
T
c
m
W
spirtus p
dengan :
mair : massa air (kg) Cp air : panas jenis air (J/K) ΔT : kenaikan temperatur (oC)
t : waktu yang diperlukan untuk pemanasan (detik)
4. Efisiensi pompa didefinisikan sebagai perbandingan antara daya pemompaan yang dihasilkan selama waktu tertentu dengan besarnya daya fluida yang dihasilkan . Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan :
(4) dengan :
Wp : daya pemompaan (watt) Wspritus : daya spritus (watt)
2.2.2 Kolektor
Kolektor merupakan alat yang digunakan sebagai penerima radiasi matahari (energi surya), kemudian mengubah energi surya menjadi energi panas yang dapat diaplikasikan dengan pompa air energi termal. Terdapat 2 (dua) jenis kolektor yaitu :
1. Kolektor plat datar
Kolektor plat datar dibagi menjadi 2 jenis, yaitu kolektor plat datar konvensional dan kolektor plat datar evacuated tube. Jenis kolektor plat datar
Wspritus WP pompa
konvensional adalah jenis yang paling umum digunakan. Pada prinsipnya terdiri dari kotak berisolasi yang di dalamnya terdapat reflektor dari alumunium foil untuk memantulkan radiasi surya yang datang ke pipariser(pipaabsober). Energi surya diterima reflektor dikonversikan menjadi panas kemudian fluida kerja dalam pipa risers menyimpan panas dan bersirkulasi secara natural menuju evaporator. Kemudian evaporator yang telah panas dapat digunakan untuk menguapkan fluida kerja.
Jenis kolektor plat datar evacuated terdiri dari beberapa tabung individual yang dihubungkan secara pararel, tiap tabung terdiri dari beberapa tabung konsentris. Jenis kolektor plat datar evacuated ini dapat mencapai temperatur 120OC dan dapat dimanfaatkan untuk sistem pendingin absorbsi serta untuk pemrosesan air, uap dan panas pada industri.
Gambar 2.5 Kolektor plat datarEvacuated Tube
2. Kolektor Plat Parabolik
Kolektor ini menggunakan cermin berbentuk parabolis untuk merefleksikan radiasi surya dan mengkonsentrasikan energinya pada area tertentu. Agar tetap dapat memfokuskan radiasi surya yang datang, kolektor ini harus dapat bergerak mengikuti gerak matahari dari terbit sampai tenggelam. Ada 2 jenis kolektor plat parabolik, yaitu jenis tabung(through)dan piringan(disk).Jenistroughberbentuk setengah tabung memanjang. Jenis ini dapat menghasilkan temperatur 90OC
sampai 290OC dengan efisiensi () maks 60% (pada tengah hari) yang dapat
diartikan, 60% energi surya yang datang dapat dikonversi langsung menjadi panas dan diserap fluida kerja. Jenis piringan (disk) kemampuan pemanasannya lebih
besar dari jenis trough, dapat mencapai temperatur 800OC dengan efisiensi ()
yang dapat menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan listrik, sehingga pemindahan energinya menggunakan kabel dan bukan pipa.
Gambar 2.6 Kolektor plat parabolik jenis tabung
Gambar 2.8 Perbandingan temperatur yang dihasilkan terhadap jenis kolektor.
Perhitungan pada penelitian kolektor adalah :
1. Faktor efisiensi kolektor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi yang diberikan ke evaporator dengan yang diterima kolektor. Efisiensi sistem (F’) dapat dihitung dengan persamaan:
dengan :
F’ : faktor efisiensi.
ms : massa oli evaporator (kg). cs : panas jenis oli (J/(kg.K)).
Ts : temperatur oli pada evaporator (0C). θ : waktu pemanasan oli (s).
Ac : luasan kolektor (m2). τ.α : transfusifitas kaca.
GT : radiasi surya yang datang (W/m2). UL : faktor koefisien panas di kolektor.
Ts2 : temperatur rata – rata oli masuk dan keluar (0C). Ta : temperatur lingkungan (0C).
dengan :
Ac : luasan kolektor (m2).
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Deskripsi Alat
Pompa air energi termal pada penelitian ini terdiri dari 4 komponen utama, yaitu :
1. Pemanas dengan bahan bakar spiritus yang berfungsi untuk memanaskan pipa evaporator.
2. Pendingin atau kondenser sebagai tempat pengembunan sehingga uap air dapat menjadi fluida cair dan kembali ke pemanas. Fluida pendingin yang digunakan adalah udara dan air.
3. Evaporator yang berfungsi untuk menguapkan fluida kerja (air).
4. Pipa pengatur atau tuning pipe untuk mengatur dan mengetahui jumlah tekanan uap air pada evaporator.
Kolektor CPC yang diaplikasikan sebagai pemanas pompa air energi termal terdiri dari 3 komponen utama, yaitu :
1. Pipa pemanas (piparisersatau pipaabsorber) dengan fluida kerja oli sebagai penyimpan panas dan meneruskannya ke pipa evaporator.
3.2 Skema alat penelitian 3.2.1 Pompa
Gambar 3.1 Pompa
Keterangan : 1. Evaporator
2. Kotak pembakar (pemanas) 3. Pipa pendingin (kondenser) 4. Tangki air pendingin 5. Selang pendingin atas 6. Selang pendingin bawah 7. Kran pengisi
8. Rangka besi dudukan pompa
9. Tangki air sumber 10. Katup searah sisi hisap 11. Katup searah sisi tekan 12. Gelas ukur
13. Kran pengatur osilasi 14. Tuning pipe(pipa pengatur)
15. Head
Gambar 3.2 Ukuran pompa
Prinsip kerja pompa dapat dijelaskan sebagai berikut :
atmosfir atau vakum), sehingga air kembali naik ke pipa evaporator dan menghisap air dari tangki sumber (9) melalui katup searah pada sisi hisap (10). Sirkulasi air pendingin pada kondenser berlangsung secara natural karena perbedaan massa jenis air. Air pendingin yang menyerap panas dari evaporator akan bergerak naik karena massa jenis rendah dan keluar melalui selang pendingin atas (5), kemudian mendorong air di dalam tangki pendingin (4) menuju selang pendingin bawah (6). Sirkulasi air berjalan terus menerus secara natural (proses
thermosyphon) selama terjadi penyerapan panas dari evaporator.
Pada saat turunnya tekanan pompa belum cukup untuk menaikkan sejumlah massa air dari tangki sumber melalui katup searah pada sisi hisap (10) menuju selang head (15), terjadi proses osilasi pada tuning pipe yang menyebabkan air bergerak naik dan turun. Pergerakan tinggi rendahnya air pada
tuning pipe dapat diatur dengan memutar kran pengatur osilasi (13) dan pada percobaan ini dilakukan 3 (tiga) variasi bukaan kran pengatur osilasi. Tiap variasi bukaan kran menghasilkan volume pemompaan air yang berbeda karena tiap variasi mempengaruhi penguapan air dalam evaporator.
hisap (uap air yang mengembun karena pendinginan) disebut satu siklus. Fungsi katup adalah agar saat langkah hisap terjadi, air yang dihisap adalah air dari tangki sumber (bukan air dari kondenser) dan pada saat langkah tekan terjadi, air dapat mengalir ke tujuan dan tidak kembali ke tangki sumber. Fluida kerja yang digunakan umumnya adalah fluida cair yang mempunyai titik didih rendah (agar mudah menguap).
3.2.2 Kolektor
Gambar 3.4 KolektorCPC
Keterangan : 1. Pipaheader
2. Saluran oli keluar sistem 3. Evaporator
4. Piparisers
5. Kaca
6. Reflektor 7. Kotak kayu
8. Saluran oli masuk sistem (saluran pengisi)
Gambar 3.5 Compound Parabolic Collector dan pengaruh sudut kemiringannya terhadap radiasi surya yang datang
Prinsip kerja kolektor dapat dijelaskan sebagai berikut :
dalam pipa risers akan menyimpan panas dan karena oli yang panas tersebut mempunyai massa jenis yang lebih kecil dari oli dingin di sekitarnya, sehingga bagian oli yang panas ini mengalir ke bagian pipa atas kolektor yaitu pipa header
(1). Panas oli tersebut diserap oleh pipa evaporator (3) yang berada di dalam pipa
Gambar 3.6 Aliran fluida dalam pipa kolektor 3.3 Peralatan Pendukung
Peralatan yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah : a. Piranometer
Alat ini berfungsi untuk mengetahui radiasi surya yang datang dalam satuan W/m2.
b. Stopwatch
Alat ini digunakan untuk mengukur lama waktu pemompaan dan waktu penyalaan pemanas.
f. Thermo Logger
Alat ini digunakan untuk mengukur suhu pipa evaporator, kolektor, dan kondenser pada pompa.
3.4 Variabel yang diukur
3.5 Variabel yang divariasikan
Variabel yang divariasikan dalam penelitian adalah :
1. Variasi bukaan kran yaitu terbuka penuh (0 º), tertutup 15º, dan tertutup 30 º.
2. Variasi head yaitu 100 cm, 150 cm, dan 175 cm 3. Variasi pendinginan yaitu udara dan air.
1
,7
5
m
Gambar 3.10 Variasi ketinggian head
Pendingin air
Evaporator
Gambar 3.11 Variasi pendinginan
a. Mempersiapkan sistem dengan mengisi fluida kerja (air) pada pompa melalui kran pengisi
b. Memasang termokopel pada evaporator (T3), kondenser bagian atas (T2) dan bawah (T1) serta udara sekitar (T4).
c. Mempersiapkan alat ukur seperti display thermologger, stopwatch dan gelas ukur.
d. Mencatat suhu awal pada T1, T2, T3 dan T4.
e. Mengisi bahan bakar spiritus pada kotak pembakar, yang digunakan sebagai pemanas.
f. Menyalakan spirtus pada kotak pembakar dan mencatat waktu pengujian dimulai.
g. Mencatat suhu T1, T2, T3 dan T4 setiap 2 menit selama pembakar menyala. h. Mencatat lama waktu pemompaan (tout).
i. Mencatat lama waktu pengujian berlangsung. j. Mencatat volume air hasil pemompaan (Vout).
k. Mengulangi percobaan di atas dengan menggunakan variabel yang divariasikan.
Tahap pengujian kolektor :
a. Mempersiapkan kolektor dengan mengisi fluida kerja (oli).
c. Mempersiapkan alat ukur yang digunakan seperti display thermologger, stopwatchdan solar meter.
d. Mencatat suhu awal pada T5, T6, T7 dan T8.
e. Menempatkan kolektor sesuai dengan arah datangnya energi surya. f. Mencatat waktu awal pengujian dimulai
g. Mencatat suhu dan waktu pengujian setiap 5 menit selama 60 menit.
h. Mengulangi percobaan di atas dengan waktu awal pengujian yang berbeda dan dengan hari yang berbeda.
3.7 Analisa Data
Dari variabel-variabel yang diukur pada penelitian pompa dapat dihitung : 1. Debit (Q).
2. Daya spirtus (Wspirtus). 3. Daya pompa (Wp). 4. Efisiensipompa (ηpompa).
Dari variabel-variabel yang diukur pada penelitian kolektor dapat dihitung : 1. Faktor efisiensi kolektor (F’).
2. Efisiensi kolektor (ηkolektor).
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Penelitian
Pada pengambilan data penelitian ini didapat data-data pengukuran seperti tabel 4.1 sampai dengan tabel 4.18.
Tabel 4.2 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0° pada
Tabel 4.3 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15° pada percobaan I.
17:17:00 65 59 114 25
17:18:00 70 60 121 25
Tabel 4.4 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15° pada
17:30:00 83 58 166 25
17:31:00 115 59 265 25
17:32:00 72 59 125 25
17:33:00 67 59 105 25
17:34:00 65 58 98 25
17:35:00 65 58 96 25
17:36:00 65 59 93 25
17:37:00 64 59 91 25
17:38:00 64 59 89 25
Tabel 4.6 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 30° pada percobaan II.
waktu T1 T2 T3 T4
17:50:00 64 57 94 25
17:51:00 64 57 96 25
17:52:00 64 57 93 25
17:53:00 62 58 91 25
17:54:00 62 58 89 25
17:55:00 59 58 81 25
17:56:00 53 65 59 24
17:57:00 49 57 50 25
17:58:00 44 48 44 24
17:59:00 42 43 40 25
18:00:00 42 43 37 25
18:01:00 40 42 36 25
18:02:00 38 40 35 24
18:03:00 37 38 35 24
18:04:00 37 35 38 25
18:05:00 37 37 40 24
Tabel 4.8 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm pada percobaan I.
Tabel 4.9 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm pada percobaan II.
Tabel 4.10 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm pada percobaan I.
Tabel 4.11 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm pada percobaan II.
Tabel 4.12 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin udara pada percobaan I dan II seperti pada tabel 4.1 dan 4.2 yaitu variasi dengan bukaan kran 0° pada percobaan I dan II.
Tabel 4.15 Data I penelitian kolektorCPC.
Tabel 4.16 Data II penelitian kolektorCPC.
Tabel 4.17 Data III penelitian kolektorCPC.
Tabel 4.18 Data IV penelitian kolektorCPC.
t W/m2 T5 T6 T7 T8
13:16:00 830 43,6 38,9 36,7 49,6
13:21:00 830 42,4 40,5 32,4 45,4
13:26:00 835 41,7 41,7 34,5 42,0
13:31:00 865 42,9 42,6 36,7 46,0
13:36:00 880 48,3 42,5 37,7 48,4
13:41:00 868 49,2 42,1 38,2 47,2
13:46:00 890 44,8 40,0 39,5 51,3
13:51:00 886 59,2 39,9 40,7 50,9
13:56:00 899 60,6 40,5 43,0 51,1
14:01:00 911 61,7 40,4 44,0 51,6
14:06:00 944 61,9 39,8 44,6 51,5
14:11:00 915 63,3 40,4 46,1 56,3
14:16:00 902 63,9 41,7 47,1 56,4
t W/m2 T5 T6 T7 T8
12:28:00 329 49 41 38 50
12:33:00 335 45 38 38 46
12:38:00 1053 45 43 38 48
4.2 Perhitungan
4.2.1 Perhitungan Pompa
1. Perhitungan nilai Q ( debit ) :
Berikut ini adalah contoh perhitungan pompa dengan variasi kran terbuka penuh. Diketahui volume keluaran (Vout) sebesar 4900 ml, dan waktu (t) yang diperlukan selama pemompaan adalah 728 detik, sehingga debit yang dihasilkan
t
= 6,73 ml/detik. = 0,0000067 m3/detik.
2. Daya pemompaan yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
H
3. Daya spritus yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
480detik .61 0,5kg.4200
= 266 watt.
4. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan :
=
Untuk perhitungan pada data selanjutnya terdapat dalam tabel berikut :
Tabel 4.19 Hasil perhitungan pompa dengan variasi bukaan kran.
Bukaan
0° 728 4900 0,0000067 0,115 0,043 Tertutup
15° 616 3500 0,0000057 0,097 0,037 Tertutup
30° 538 2900 0,0000054 0,092 0,035
Wspritus WP
Tabel 4.20 Hasil perhitungan pompa dengan variasi head.
Tabel 4.21 Hasil perhitungan pompa dengan variasi pendingin.
4.2.2 Perhitungan kolektor
1. Perhitungan faktor efisiensi kolektor :
Berikut ini adalah contoh perhitungan pada data I penelitian kolektor CPC, dimana massa oli evaporator (
m
s =m
f) 0,329 kg, panas jenis oli (c
s) 2300J/kg0C, temperatur oli pada evaporator (dTs) 13°C, waktu pemanasan oli (dθ)
300 detik, luasan kolektor (Ac) 0,625 m2, transfusifitas kaca (
τ
.
α
) 0,8, radiasisurya yang datang (GT) 791 W/m2, faktor koefisien panas dikolektor (UL) 4 1,75 728 4900 0,0000067 0,115 0,043
1,5 861 3500 0,0000041 0,060 0,022
1 438 1700 0,0000039 0,038 0,014
Pendingin Waktu Udara 728 4900 0,0000067 0,115 0,043
2. Perhitungan efisiensi kolektor :
Dimana massa oli evaporator 0,329 kg, panas jenis oli 2300 J/kg0C, kenaikan temperatur fluida pipa kolektor (∆T) 2° C, waktu pemanasan oli 3600 detik, radiasi surya yang datang 791 W/m2, luasan kolektor 0.625 m2, sehingga η kolektor yang dihasilkan :
Tabel 4.22 Hasil perhitungan data I kolektorCPC.
t dTs Ts2 GT(τ.α) ms.Cs(dTs/dθ) (mf.Cp.∆T)/dt F' (%)
η kolektor
(%) 12:41 2,0 49,5 632,8 32,79 5,04 9,46 1,02 12:46 -5,5 44,0 631,6 -13,87 -13,87 -3,86 -2,81 12:51 -1,0 43,0 586,0 -2,52 -2,52 -0,76 -0,55 12:56 0,5 43,5 590,8 1,26 1,26 0,38 0,27 13:01 -2,0 41,5 630,8 -5,04 -5,04 -1,38 -1,02 13:06 -2,5 39,0 632,8 -6,31 -6,31 -1,69 -1,28 13:11 2,5 41,5 665,6 6,31 6,31 1,63 1,21 13:16 5,0 46,5 703,6 12,61 12,61 3,16 2,29 13:21 4,5 51,0 738,8 11,35 11,35 2,77 1,97 13:26 8,5 59,5 766,8 21,44 21,44 5,29 3,58 13:31 10,5 70,0 740,0 26,48 26,48 7,31 4,58 13:36 1,5 71,5 736,0 3,78 3,78 1,06 0,66
Keterangan : warna abu-abu pada data di atas menunjukkan nilai faktor efisiensi (F')dan efisiensi kolektor (η kolektor )minus yang disebabkan oleh minusnya nilai kenaikan temperatur evaporator (dTs).
Tabel 4.23 Hasil perhitungan data II kolektorCPC.
Keterangan : warna abu-abu pada data di atas menunjukkan nilai faktor efisiensi (F')dan efisiensi kolektor (η kolektor )minus yang disebabkan oleh minusnya nilai kenaikan temperatur evaporator (dTs).
Tabel 4.24 Hasil perhitungan data III kolektorCPC.
Keterangan : warna abu-abu pada data di atas menunjukkan nilai faktor efisiensi (F')dan efisiensi kolektor (η kolektor )minus yang disebabkan oleh minusnya nilai kenaikan temperatur evaporator (dTs).
t dTs Ts2 GT(τ.α) ms.Cs(dTs/dθ) (mf.Cp.∆T)/dt F' (%)
η kolektor
Tabel 4.25 Hasil perhitungan data IV kolektorCPC.
t dTs Ts2 GT(τ.α) ms.Cs(dTs/dθ) (mf.Cp.∆T)/dt F' (%)
η
kolektor (%) 12:33 -2,0 41,5 265,6 -5,04 -5,04 -3,7 -2,4 12:38 0,0 41,5 555,2 0,00 0,00 0,0 0,0 12:43 0,0 41,5 733,2 0,00 0,00 0,0 0,0 12:48 3,0 44,5 540,0 7,57 7,57 2,5 1,8 12:53 0,0 44,5 390,0 0,00 0,00 0,0 0,0 12:58 1,0 45,5 386,0 2,52 2,52 1,2 0,8 13:03 -3,0 42,5 366,4 -7,57 -7,57 -3,8 -2,6 13:08 0,5 43,0 274,4 1,26 1,26 0,9 0,6 13:13 -1,5 41,5 224,0 -3,78 -3,78 -3,4 -2,2 13:18 -2,0 39,5 232,0 -5,04 -5,04 -4,2 -2,8 13:23 -0,5 39,0 264,0 -1,26 -1,26 -0,9 -0,6 13:28 -1,5 37,5 260,4 -3,78 -3,78 -2,6 -1,9
4.4 Grafik hasil p 4.4.1 Grafik pompa
Gambar 4.1 Grafik bukaan
Pada grafik variasi head 1,75 m dapat dicapai oleh ke dipengaruhi oleh besa penguapan dalam Efisiensi maksimal j yang terbuka penuh, tidak terhambat da
0,010%
perhitungan dan pembahasan rafik pompa
Gr ik hubungan antara efisiensi pompa dengan bukaan kran dan pendingin yang digunakan
Pa ik ini menunjukkan efisiensi pompa maksima d 1,75 m, bukaan kran 0° dan pendingin udara. Efisi
h ketiga variasi ini karena tekanan sistem pada dipe besarnya jumlah kolom air sehingga mempenga peng evaporator dan besarnya daya pompa ya ksimal juga terjadi pada variasi bukaan kran 0°, kare nuh, tekanan uap air dan proses penguapan ai dan dapat menghasilkan tekanan uap air y
0,014%
ngan variasi head,
da grafik ini menunjukkan efisiensi pompa maksimal terdapat pada Efisiensi maksimal
ole pada head 1,75 m
dipe ngaruhi banyaknya
n besarnya daya pompa yang dihasilkan. karena dengan kran
ya air dalam sistem
ti yang besar dan
0,016%
Pendingin
penguapan air lebih terjadi karena kecepa dengan panas yang di menghasilkan volum sehingga mempenga
Gambar 4.2 G
Pada grafik
uapan air lebih cepat. Dan dengan pendingin udara efisiensi kecepatan pendinginan yang tidak terlalu cepat yang dihasilkan dari pembakar. Pengukuran dari ke
volume hasil pemompaan lebih banyak daripada garuhi perhitungan besarnya efisiensi pompa.
Grafik hubungan antara daya pompa (Wp) den
rafik ini terlihat daya pompa maksimal terjadi pada penelitian dengan m akan head 1,75 m karena dengan ketinggian
0,115 watt
0,060 watt
0,038 watt
Head
1,75 m 1,5 m 1 m
in udara efisiensi maksimal dapat
kar pat dan sebanding
Peng ri ketiga variasi ini
mengh da variasi lainnya,
Graf dengan head.
Pada g di pada penelitian
berat air yang lebih banyak sehingga mempengaruhi tekanan uap air dalam sistem dan penguapan air lebih cepat.
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara temperatur (°C) dengan waktu pada data I variasi bukaan kran 0°, head 1,75 m dan pendingin air
Pada grafik ini terlihat temperatur maksimal pada T3 (pipa evaporator) sebesar 66°C. Dengan temperatur ini, air di dalam evaporator sudah diubah menjadi uap dan terdapat tekanan uap air sehingga pompa dapat bekerja. Dengan mengetahui temperatur penguapan air pada evaporator ini, prediksi terhadap penggunaan pemanas dari kolektorCPC dapat diketahui (dengan melihat grafik temperatur maksimal evaporator pada kolektor dibawah ini).
4.4.2 Grafik kolektor
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara temperatur (°C) dengan waktu pada data I kolektorCPC
Pada grafik ini, temperatur maksimal yang dapat dicapai kolektor adalah 82°C pada pipa header (T5) dan pada pipa evaporator dicapai temperatur maksimal 61°C (T7). Selisih temperatur antara T5 dan T7 cukup banyak, karena perpindahan panas antara pipa header dan pipa evaporator kurang maksimal yang dapat disebabkan isolasi dan penyambungan antara pipa yang kurang maksimal. Temperatur pada pipa evaporator ini masih dibawah temperatur penguapan air pada pompa (pada pipa evaporator) dan penggunaan kolektor sebagai pemanas surya belum dapat diterapkan pada pompa, sehingga perlu
20,0 40,0 60,0 80,0 100,0
12:41 12:46 12:51 12:56 13:01 13:06 13:11 13:16 13:21 13:26 13:31 13:36
memperbesar luasan kolektor agar dapat dicapai temperatur maksimal diatas titik didih fluida kerja pompa.
Gambar 4.5 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada data I kolektor
CPC
Dari gambar tersebut menunjukkan grafik energi surya datang (GT) berbanding lurus dengan grafik efisiensi kolektor (η kolektor) yaitu semakin tinggi nilai GT maka η kolektor juga semakin tinggi dan besarnya efisiensi kolektor sangat dipengaruhi oleh kenaikan temperatur oli (∆T), dimana pada penelitian ini terdapat nilai ∆T yang maksimal yaitu 10,5°C dibandingkan dengan percobaan lain, karena pada saat pengambilan data terdapat energi surya yang cukup besar dan stabil. Kemudian pada perhitungannya diperoleh nilai efisiensi kolektor maksimal yaitu 4,58%.
0%
12:41 12:56 13:01 13:01 13:11 13:16 13:21 13:26
Gambar 4.6 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada data II kolektor
CPC
Pada gambar di atas energi surya yang datang (GT) mengalami penurunan selama percobaan karena pancaran radiasi surya yang terhalang mendung, tetapi hal ini tidak terlalu berpengaruh pada turunnya temperatur pipa kolektor (pipa header dan evaporator) dan nilai kenaikan temperatur oli (∆T), sehingga tidak terjadi turunnya grafik efisiensi kolektor (η kolektor) yang signifikan.
11:34 11:39 11:44 11:49 11:54 11:59 12:04 12:09
Gambar 4.7 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada data III kolektor
CPC
Pada gambar di atas terlihat turunnya grafik η kolektor dan berbanding terbalik dengan grafik GT yang mengalami kenaikan selama percobaan. Hal ini dapat terjadi karena radiasi surya tidak diterima dengan baik pada pipa kolektor, sehingga temperatur pipa kolektor tidak mengalami kenaikan dan terjadi penurunan nilai∆T. Dengan semakin turunnya ∆T, maka juga terjadi penurunan nilaiη kolektorselama percobaan.
0,0%
13:26 13:31 13:36 13:41 13:51 13:56 14:01 14:06 14:11 14:16
Gambar 4.8 Grafik hubungan GT,η kolektor dan waktu pada data IV kolektor
CPC
Pada gambar grafik ini terlihat kenaikanη kolektor dan terjadi penurunan nilai GT selama percobaan. Energi surya yang semakin kecil masih dapat diterima dengan baik oleh kolektor, sehingga tidak terlalu berpengaruh pada kenaikan temperatur oli pada pipa kolektor (∆T) dan menghasilkan naiknya η kolektor selama percobaan.
0,0%
12:33 12:38 12:43 12:48 12:53 12:58
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara faktor efisiensi (F’),η kolektor dan waktu pada data IV kolektorCPC
Pada gambar grafik ini terlihat nilai F’ berbanding lurus terhadap η
kolektor. Semakin besar nilai F’, maka nilai η kolektor juga semakin besar. Pada
perhitungan kedua variabel ini terdapat variabel pembagi yang sama dan hubungan yang berbanding terbalik, yaitu variabel GT (radiasi surya yang
datang), yang berarti semakin besar nilai GT,maka nilai F’ dan η kolektor akan semakin kecil.
12:41 12:46 12:51 12:56 13:01 13:06
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini diperoleh :
1. Debit pemompaan (Q) maksimal terdapat pada penelitian dengan menggunakan bukaan kran 0°, head 175 cm dan pendingin udara, yaitu 0,4 liter/menit.
2. Daya Pompa (Wp) maksimal terdapat pada penelitian dengan
menggunakan bukaan kran 0°, head 175 cm dan pendingin udara, yaitu 0,1154 watt.
3. Efisiensi pompa (ηpompa) maksimal terdapat pada penelitian dengan menggunakan bukaan kran 0°, head 175 cm dan pendingin udara, yaitu 0,043 %.
4. Efisiensi kolektor (η kolektor) maksimal terdapat pada data percobaan I yaitu, 4,58 %.
5. Temperatur maksimal kolektor pada pipa evaporator (T7) terdapat pada data percobaan I, yaitu 61°C.
Saran
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, Prof.Wiranto, Teknologi Rekayasa Surya, Material Penyimpan Panas (Bab 4), Cetakan Pertama, PT.Pradnya Paramitha, Jakarta
Mahkamov, K.; Djumanov, D., Thermal Water Pumps On The Basis Of Fluid Piston Solar Stirling Engine. 1st International Energy Conversion Engineering Conference, 17-21 August 2003, Portsmouth, Virginia
Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan Dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral, Jakarta
Alat ukur
Thermologger Adaptorthermologger
Alat penelitian
Tangki air sumber pada katup Katup searah searah sisi hisap
