Jurnal e-dinamis, Volume II, No.2 September 2012 ISSN

(1)

71

PENGUJIAN PROSES DISCHARGING SEBUAH PEMANAS AIR

ENERGI SURYA TIPE KOTAK SEDERHANA YANG DILENGKAPI

PHASE CHANGE MATERIAL DENGAN KAPASITAS 100 LITER

AIR

Putra Setiawan1, Tekad Sitepu2, Himsar Ambarita3 Email: puput_setia1@yahoo.co.id

123

Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia

Abstrak

Pemanas air energi surya tipe kotak sederhana yang dilengkapi dengan menggunakan PCM merupakan cara yang efektif dalam menyimpan panas dalam memanfaatkan energi panas dari matahari untuk memanaskan air. Pemanas air ini menyerap energi panas matahari dan diteruskan ke absorber untuk memanaskan stearic acid. Pengujian discharging dilakukan pada pukul 17.00 – 18.30 WIB dengan tujuan untuk mengetahui seberapa lama stearic acid dapat menyimpan panas. Selanjutnya air mengalir melewati stearic acid sehingga energi panas dari stearic acid dipindahkan ke air untuk menaikkan suhu air tersebut. Steraric acid merupakan bahan dari PCM (Phase Change Material) yang dipakai untuk menyimpan panas karena stearic acid memiliki titik leleh sebesar 55,1 0C. Pada penelitian proses discharging temperatur stearic acid dapat mencapai 80 0C yang dimanfaatkan untuk menaikkan suhu air masuk dari 29 0C hingga mencapai 44 0C pada suhu air keluar dimana debit aliran air diasumsikan konstan yakni sebesar 0,16 L/s pada pipa yang berdiameter 1 inchi. Efisiensi dari kolektor surya rata-rata dapat mencapai 35%.

Kata kunci : pemanas air, sterad acid, discharging

1. Pendahuluan

Seperti yang kita ketahui saat ini, pemakaian air kini dipergunakan tidak lagi hanya di perhotelan ataupun apartemen mewah melainkan sudah mermbah di kalangan rumah tangga.

Energi matahari sudah sejak lama dimanfaatkan di semua belahan di dunia sebagai pemanas air. Solar water heater

(pemanas air energi surya) mulai tumbuh dan berkembang di akhir tahun 1800-an di California, Amerika Serikat.

Clarence M. Kemp adalah orang yang mematenkan pemanas air energi surya komersial pertama di dunia.

Konsep sistem pemanas yang dibuat oleh Kemp menempatkan tangki air bercat hitam (terdiri dari tiga tangki) di dalam sebuah kotak kaca yang tertutup kemudian di bagian bawah kotak dipanaskan, air dingin dalam tangki menyerap panas dan air tersebut menjadi cukup panas untuk mandi atau keperluan lainnnya. Tetapi Pemanas air komersial pertama ini memiliki kekurangan yaitu air yang dipanaskan akan terus disimpan di dalam tangki, kemudian pada malam hari air tersebut terkena suhu malam sehingga pada saat pagi hari air menjadi

tidak terlalu panas untuk dipergunakan. Belum lagi jika cuaca buruk dan tidak ada matahari, maka pemanas air tersebut sama sekali tidak dapat dipergunakan. Desain dasar dari Kemp inilah yang menjadi acuan untuk perkembangan Solar Water Heater kedepannya. Sebagai hasil dari karyanya yang inovatif, Ia sering disebut "The Father of Solar Energy” [1].

Untuk mengatasi masalah tersebut, maka diuji sebuah kolektor surya plat datar tanpa tangki penampungan air panas. Kolektor surya yang dirancang merupakan

Thermal Storage yang menggantikan fungsi tangki penampungan air panas tersebut. Sehingga, panas dari penyimpan panas ini langsung dapat digunakan tidak seperti pemanas air umumnya, air dipanaskan berjam-jam lamanya.

Pemanas air energi surya terdiri dari kolektor untuk menyimpan panas. Kolektor surya juga dapat dimanfaatkan untuk

preheating di perhotelan dan apartemen

mewah untuk mengurangi konsumsi

pemakaian listrik.

(2)

72

1. Untuk mengetahui nilai energi panas yang diterima air pada proses

discharging.

2. Untuk mengetahui energi stearic acid

yang digunakan untuk memanaskan air.

3. Untuk mengetahui efisiensi thermal storage pada proses discharging.

2. Landasan Teori

Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elipse sehingga jarak antara bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekatnya adalah 1,47x1011 km yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011 dan jarak terjauh rata-rata dengan bumi adalah 1,5 x 1011 km [2]. Matahari berputar pada sumbunya dengan kecepatan sekali putar dalam empat minggu. Karena matahari terdiri dari kumpulan awan gas dan tidak solid maka bagian ekuatorialnya berputar sekali dalam 27 hari sedangkan kutub-kutubnya berputar sekali dalam 30 hari. Suhu efektif pada permukaan besarnya 5760 K. sedang pada inti temperaturnya dapat mencapai lebih kurang 8x106_{K sampai} dengan 40x106 K.

- Radiasi Matahari

Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energy radiasi menimpa permukaan suatu bahan maka sebagian akan dipantulkan, sebagian lagi akan diserap dan sebagian yang lain akan ditransmisikan. Kebanyakan benda padat tidak dapat meneruskan radiasi termal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol [3].

Persamaan radiasi pada atmosfer (Gon) yang diajukan oleh Spencer tahun 1971 adalah

Gon = Gsc(1,00011+0,034221cosB+0,00128 sinB+0,000719cos2B+0,000077sin2B)..…(1) Qr = ..A. (T14 – T24)_{………...( 2 )} Dimana,

Q = laju perpindahan panas (W)

 = emisivitas panas permukaan ( 01)

 = konstanta Stefan Boltzmann (5,67x10-8 W/m2K4)

A= luas penampang (m2)

- Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas antara dua substansi dari substansi yang bersuhu tinggi ke substansi yang bersuhu

rendahdengan adanya kontak kedua

substansi secara langsung. Penghantaran panas melalui suatu benda dengan cara partikel-partikel dalam benda tersebut mentransfer energi melalui tumbukan [4].

= − . ...(3) Dimana,

q = Laju perpindahan panas (watt) k = Konduktivitas Termal (W / (m.K) A = Luas penampang m2

dT/dx = Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)

- Konveksi

Konveksi adalah proses transfer panas dengan melibatkan perpindahan massa molekul-molekul fluida dari satu tempat ke tempat lainnya [5].

Qconv = hA (Ts –Tf) watt ...(4) Dimana,

H = Koefisien konveksi (W / m2.K) A = Luas permukaan kolektor surya (m2) Ts = Temperatur permukaan (K)

Tf = Temperatur fluida (K)

Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdsarkan persamaan berikut ini.

h = ………..(5)

Dimana,

h = koefisien konveksi (W/m2.K) Nu = Bilangan Nusselt

Secara umum pola aliran terbagi menjadi tiga jenis, yaitu aliran laminar, transisi dan turbulen. Pola aliran dapat dibedakan dengan menghitung bilangan

Reynolds (Re). pada bagian ini, semua persamaan digunakan untuk konveksi paksa aliran dalam. Jika nilai bilangan Re < 2300 aliran tersebut merupakan aliran laminar, jika bilangan Re > 10000 aliran tersebut

(3)

73                               1 18 cos cos ) 8 , 1 (sin 1708 1 cos 1708 1 44 , 1 1 Nu 3 / 1 3 / 1     L L L Ra Ra Ra





 cr cr cr Nu Nu Nu Nu         4 / / 0 90 0   sin         

merupakan aliran turbulen. Sedangkan aliran transisi adalah dimana bilangan 2300 < Re <10000 [6].

Untuk mencari bilangan Reynold digunakan persamaan berikut.

Re = . ………(7)

Dimana,

Re = bilangan Reynolds

V = kecepatan rata-rata fluida (m/s) di = diameter pipa (m)

μ = viskositas dinamik (kg/ms)

Bilangan Nusselt dengan jenis aliran

laminar dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan yang diajukan oleh Sieder dan Tate (1936) yaitu, sebagai berikut. Nu = 1,86 / , ………(8) Dimana, Nu = bilangan Nusselt Re = bilangan Reynold Pr = bilangan Prandtl D = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m)

= viskositas fluida pada temperatur film (Ns/m2)

μs = viskositas fluida pada temperatur

permukaan (Ns/m2)

Pada aliran turbulen, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang diajukan oleh Gnielinski (1976) dengan bilangan Re 2300 < Re < 5x106 dan bilangan Pr 0,5 ≤ Pr≤ 2300 [7]. Nu = ( / )( )( ) , ( / )/ ₍ / ₎ ……….(9) Dimana, Nu = bilangan Nusselt f = faktor gesekan Re = bilangan Reynold Pr = bilangan Prandtl

Nilai f merupakan faktor gesekan yang terjadi karena kehilangan tekanan pada aliran. Faktor gesekan dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut.

f = (0,79 ln (Re) – 1,64)2...(10) Dimana,

f = faktor gesekan

Re = bilangan Reynolds

Persamaan untuk menentukan

bilangan Nusselt yang diajukan oleh Holland dkk (1976) dapat digunakan. Syarat menggunakan persamaan ini adalah rasio lebar terhadap ketinggian cukup besar

≥12, < 10 , dan sudut kemiringan

kurang dari 70˚, 0≤ < 70°[8].

Dimana, Nu = bilangan Nusselt

RaL = bilangan Rayleigh

θ = sudut kemiringan (˚)

Arti dari operator _[_]_{adalah yang}

diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang didalam kurung negative maka hasilnya sama dengan nol. Perhatikan operasi berikut

2 ]

2 [





tetapi

[



2 ]





0

.

Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar terhadap

ketinggian < 12, Catton (1978)

mengusulkan menggunakan persamaan

berikut [9].

…

- Konveksi Natural

Perpindahan panas konveksi dimana fluidanya mengalir secara alami, tanpa dipaksa mengalir disebut konveksi natural [10].

Rumus untuk persamaan umum

adalah:

∅

+ ∅= ∅ + …………..(13)

Asumsi yang umum digunakan untuk dapat menurunkan persamaan pembentuk aliran pada udara di sekitar plat vertikal ini

(4)

74

adalah, aliran 2D, incompressible, sifat fisik konstan. Dengan menggunakan asumsi yang telah disebutkan, maka persamaan pembentuk aliran menjadi,

Kontinuitas: 0       y v x u ...(14) Momentum arah-x:                      2 2 2 2 y u x u x p y u v x u u    ……...(15) Momentum arah-y g y v x v y p y v v x v u    _                     2 2 2 2 …..(16) Energi                  2 2 2 2 y T x T c k y T v x T u p  ……….(17)

- Phase Change Material (PCM)

Penyimpanan energi bisa dilakukan dalam bentuk panas sensibel, panas laten, atau hasil energi kimia yang dapat balik (reversibel). Energi yang disimpan tersebut tidak hanya digunakan untuk memanaskan suatu fluida, tetapi juga mampu untuk

mendinginkan atau mempertahankan

temperatur suatu fluida agar tetap konstan. Penyimpanan energi kimia belum digunakan secara praktis. Hal ini disebabkan biaya dan

penggunaannya memerlukan perhatian

khusus. Saat ini, penelitian tentang material penyimpan panas dipusatkan pada panas sensibel dan panas laten. [11]

 Panas Laten

Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan panas antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran panas ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut panas transformasi. Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari materi bermassa m adalah :

= ...(18)

Dimana,

QL = Kalor laten zat (J)

Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)

m = Massa zat (kg)

 Panas Sensibel

Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, panas sensibel adalah panas yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.

Material yang digunakan sebagai PCM harus memiliki panas laten yang besar dan konduktifitas termal yang tinggi.

PCM tersebut juga harus memiliki temperatur titik cair yang bekerja pada rentang temperatur yang diizinkan, reaksi kimia yang stabil, biaya rendah, tidak beracun, dan tidak menyebabkan korosi.

PCM diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu organik dan non organik.

PCM organik merupakan PCM dari golongan hidrokarbon, asam/ester atau garam, alkohol, freon, dan

polimer. Keuntungan penggunaan

PCM organik adalah sifat fisik dan kimia yang stabil dan perilaku termal

material yang baik. Kerugian

penggunaan PCM ini adalah

konduktifitas termal rendah, massa jenis rendah, titik lebur rendah, kelembapan tinggi, mudah terbakar, dan perubahan volume.

PCM non organik merupakan

campuran unsur metal pembentuk garam. Keuntungan penggunaan PCM non organik adalah penyimpanan energi yang tinggi, konduktifitas termal tinggi, dan tidak mudah terbakar. Kerugian penggunaan PCM ini adalah

(5)

75

mudah menyebabkan pengkaratan, pemisahan unsur ketika terjadi perubahan fasa, dan penurunan suhu yang drastis. [12]

= ∆ ...(19) Dimana, Qs = Kalor sensibel zat (J)

m = Massa zat (kg)

CP = kalor spesifik (J/kg K)

ΔT = perubahan temp. (K)

3. Metodologi Penelitian

Penelitian dilakukan pada tanggal 10 September 2012 – 12 Oktober 2012

Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknik Pendingin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Pengujian dimulai dengan

menghubungkan kabel-kabel termokopel ke Agilient dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Kemudian kabel termokopel pada sisi lainnya dihubungkan ke kolektor di bagian plat absorber, kaca dan dinding kayu untuk memperoleh data temperatur. Setelah itu, flashdisk

dihubungkan (dicolokkan) ke Agilient untuk

pengambilan data selama pengujian

berlangsung. Setelah Agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diset (dalam pengujian, waktu pengujian selama 10 menit), flashdisk dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer / laptop.

Adapun parameter pengujian yang diukur temperaturnya oleh agilient adalah sebagai berikut (lihat Gambar 3.16) .

- 7 termokopel ditempatkan pada stearic acid (T1-T7)

- 3 termokopel ditempatkan pada sisi atas

thermal storage (T8, T9, T10)

- 1 termokopel ditempatkan pada

aluminium (T11)

- 1 termokopel ditempatkan pada kayu (T12)

- 1 termokopel ditempatkan pada kaca atas (T13)

- 1 termokopel ditempatkan antara kaca atas dan bawah (T14)

- 1 termokopel ditempatkan pada kaca bawah (T15)

- 1 termokopel ditempatkan antara kaca bawah dan thermal storage (T16)

- 1 termokopel ditempatkan dibawah

thermal storage (T17)

- 1 termokopel ditempatkan di pipa air masuk (T19)

- 1 termokopel ditempatkan di pipa air keluar (T20)

Gambar 1.1 Letak termokopel pada kolektor surya 4. Analisa Data

Untuk mendapatkan data temperatur pada kolektor secara pengukuran dapat dilakukan dengan menggunakan Agilent. Agilent yang digunakan pada penelitian ini bernama

Agilent 34972 A dan terdapat di Laboratorium Teknik Pendingin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Pengukuran rata-rata dilakukan pada sore hari (17.00-18.30 WIB). Tujuan dari pengukuran di sore hari adalah karena pada umumnya masyarakat menggunakan air panas pada sore hari untuk mandi. Data temperatur air keluar juga bisa dihitung dengan menggunakan pendekatan analitik.

Tabel 1.1 Perbandingan suhu air keluar secara teoritis dengan pengukuran pada tanggal 10 September 2012

Time % Ralat 17.44 29.13 49.04 44.36 9.551581877 17.45 29.09 44.92 40.38 10.11891969 17.46 28.92 41.79 38.33 8.294943969 17.47 29.38 39.76 36.93 7.129116897 17.48 29.68 38.87 32.98 15.15626799 17.49 29.57 37.51 30.67 18.23312718 17.50 29.81 37.19 31.44 15.48225255 17.51 29.73 36.66 31.43 14.27211946 17.52 29.89 36.15 31.17 13.78106584

(6)

76 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 T e m p e ra tu r (C ) 17.54 17.53 17.52 17.51 17.50 17.49 17.48 17.47 17.46 17.45 17.44

waktu pengukuran (WIB)

fit_T__e_teoritis_ fit_T__e_pengukuran_ fit_T_In 42 40 38 36 34 32 30 28 T e m p e ra tu r (C ) 17.10 17.09 17.08 17.07 17.06 17.05 17.04 17.03 17.02 17.01 17.00

fit_T__e_teoritis_ fit_T__e_pengukuran_ fit_T_in

17.53 29.97 35.52 30.71 13.5258664

17.54 29.98 34.67 30.27 12.69846066

Gambar 1.2 Grafik perbandingan suhu air teori dengan pengukuran tanggal 10 September 2012

Pada gambar 4.2 terlihat bahwa grafik merupakan suhu air masuk dimana pada menit pertama sebesar 29,13 0C dan pada menit ke-10 sebesar 29,98 0C. Pada grafik , suhu air keluar sekitar 44,36 0

C. Angka tersebut didapat dari pengukuran dengan menggunakan Agilient 34972 A. Suhu air keluar berubah setiap menitnya dikarenakan suhu stearic acid menurun. Menurunnya suhu stearic acid dikarenakan terjadinya proses perpindahan panas secara konveksi dan konduksi dari stearic acid ke air sedangkan stearic acid tidak lagi mendapatkan energi panas dari matahari. Pada grafik suhu air keluar dapat dilakukan dengan pendekatan analitik. Selisih antara suhu air yang diukur dengan pendekatan analitik tidak jauh berbeda.

Time % Ralat 17.00 29.63 40.00 40.26 0.6482496 17.01 29.27 39.52 38.69 2.1079558 17.02 29.18 39.39 37.61 4.514098 17.03 29.17 39.31 37.46 4.7103801 17.04 29.19 39.25 37.02 5.6745674 17.05 29.18 39.19 37.11 5.3115973 17.06 29.14 39.10 37.19 4.8940204 17.07 29.14 39.06 36.88 5.5859155 17.08 29.17 39.07 36.86 5.6653114 17.09 29.11 38.97 36.73 5.7704146 17.10 29.15 38.99 36.11 7.3913975

Gambar 1.3. Grafik perbandingan suhu air teoritis dengan pengukuran tanggal 11 September 2012

Time % Ralat 18.01 29.77 44.62 45.25 18.33046 18.02 29.69 44.42 44.77 17.32374 18.03 29.6 43.56 44.59 18.0285 18.04 29.49 42.87 43.94 20.12911 18.05 29.38 42.19 42.51 19.92303 18.06 29.28 41.49 40.21 20.13744 18.07 29.17 40.69 39.84 20.25355 18.08 29.06 40.11 38.34 16.71233 18.09 28.95 39.57 37.51 15.02607 18.10' 28.85 39.26 36.68 13.10515 18.11 28.74 38.87 35.85 11.26629

(7)

77 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 T e m p e ra tu r (C ) 18.11 18.10 18.09 18.08 18.07 18.06 18.05 18.04 18.03 18.02 18.01

fit_T__e_teoritis_ fit_T__e_pengukuran_ fit_T_In

Gambar 1.4. Grafik perbedaan suhu air keluar teoritis dan pengukuran tanggal 18 September 2012

Tabel 1.4 efisiensi kolektor pada setiap pengujian

Tanggal Pengujian Q air total (kJ) Q stearic acid (kJ) (%) 10 September 2012 2473.01 15862.00 15,59 11 September 2012 3802.09 11863.24 32,05 18 September 2012 4640.23 13033.86 35,60 19 September 2012 2128.58 12443.20 17,11 22 September 2012 2864.29 11626.72 24,64 24 September 2012 3201.79 11757.34 27,23 25 September 2012 4322.89 12287.52 35,18 28 September 2012 1710.68 13824.16 12,37 10 Oktober 2012 3108.00 11450.88 27,14 12 Oktober 2012 3016.60 14081.06 21,42

Dari data di atas dapat diketahui bahwa efisiensi dari kolektor surya terendah sekitar 12,37% yang terjadi pada tanggal 28 November 2012 dan efisiensi tertinggi pada tanggal 18 September 2012.

Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan Survey yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain yaitu:

1. Suhu air keluar dapat mencapai 44, 36 0

C pada saat suhu stearic acid

mencapai 76 0C.

2. Energi yang diterima air pada proses

discharging antara 1710 kJ sampai dengan 4600 kJ.

3. Energi yang diterima oleh stearic acid

yang terendah pada saat pegujian adalah 11450 kJ pada saat intensitas cahaya kecil

4. Energi yang diterima oleh stearic acid

yang tertinggi pada saat pengujian adalah 15862 kJ karena pada saat itu intensitas cahaya yang besar.

5. Efisiensi thermal storage pada proses

discharging antara 12,37 % sampai

dengan 35,60 % karena adanya

perbedaan intensitas cahaya pada saat pengujian.

Daftar Pustaka

[1] Inti solar, “manfaat mandi air hangat”,

http://www.intisolar.com/news/manfaat _mandi_air_hangat.html

[2] Jansen, J. T. Teknologi Rekayasa Surya. Alih bahasa, Arismunandar Wiranto, Prof. Cetakan Pertama. Pradnya Paramita: Jakarta. 1995. [3] Duffie, Jhon A. dan Beckman, William

A., Solar Engineering of Thermal Processes, first edition, Jhon Wiley & Sons Inc., New York, 1980.

[4] Cengel, A. Yunus. Heat Transfer. E-book Edition. 2002.

[5] Beckman, A.W., Duffie, A.J. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York. 1991.

[6] Ambarita, H. Perpindahan Panas Konveksi dan Pengantar Alat Penukar

(8)

78 Kalor. Departemen Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara. 2011. [7] Guston, F. Fatty Acid & Lipid. Aspen

Publisher : New York. 1996.

[8] Guston, F. Fatty Acid & Lipid. Aspen Publisher : New York. 1996.

[9] Sears, F. W. Zemansky, M. W. Fisika untuk Universitas (Terjemahan). Binacipta: Jakarta. 1982.

[10] Beckman, A.W., Duffie, A.J. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York. 1991.

[11] Agyenim, F., Eames, P., Hewitt, N., Smyth M. 2000.

[12] Barrenechea, C., Cabezaa, L.F., Castell, A., de Graciaa, A., Fernández, A.I. 2010.