Tugas Akhir
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh
Stefonus Tri Ardi Atmoko
NIM : 035214024
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2008
SOLAR WATER HEATER WITH PARALLEL PIPE COLLECTOR
Final Project
Pressented as partial fulfillment of the requirements
to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By
Stefonus Tri Ardi Atmoko
Student number : 035214024
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2008
Nama : Stefonus Tri Ardi Atmoko
Nomor Mahasiswa : 035214024
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
……… ...…Pemanas Air Energi Surya Dengan Kolektor Pipa Paralel ... ... beserta peragkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me- ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dam mempublikasikan 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 yang saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal : Maret 2008
Yang menyatakan
( Stefonus Tri Ardi Atmoko )
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat
karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu
Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau
pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara
tertulis diacu dalam masalah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, Januari 2008
Stefonus Tri Ardi Atmoko
Tugas akhir ini kupersembahkan sebagai tanda syukur dan kasihku untuk :
Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberiku berkat dan kelimpahan
rahmat – Nya.
Bapak dan Ibu tercinta yang telah memberikan segalanya untuk
keberhasilan studiku.
Kakakku yang telah memberikan dukungan dan petunjuk.
Untuk kekasihku yang selalu menemaniku, memberiku semangat dan
motivasi.
Untuk teman – teman seperjuangan semua.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
berkah dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan
laporan tugas akhir : Pemanas Air Energi Surya dengan Pipa Paralel ini dengan baik.
Tujuan dari penyusunan Tugas Akhir ini adalah sebagai salah satu syarat
dalam menyelesaikan jenjang program S-1 pada Program Studi Teknik Mesin,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Dari hati yang terdalam kiranya penulis tidak lupa mengucapkan banyak
terima kasih atas segala bantuan, saran dan fasilitas serta segala sesuatunya
sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, kepada :
1. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku
Dekan Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi
Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.
3. Bapak Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T selaku dosen pembimbing
Tugas Akhir, yang telah berkenan meluangkan waktu memberi
bimbingan dan pengarahan sampai Tugas Akhir ini selesai.
4. Seluruh Dosen di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata
Dharma Yogyakarta yang telah memberikan ilmu pengetahuan
sebagai dasar yang sangat berguna bagi saya.
6. Orang tua, kakak, dan saudara-saudara saya atas semua bantuan
baik berupa dorongan moral, materiil, maupun spiritual.
7. Thomas Yudanto, Anggara N.P, Ign Kurniadi yang telah banyak
membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
8. Semua teman-teman mahasiswa angkatan 2003 Jurusan Teknik
Mesin USD, teman - teman kost Super Kumpo, anak-anak
Komunitas Gereja Mangulon, PS Sing Sip-Sip dan semua pihak
yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa di dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak
terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Untuk itu penulis
mohon maaf atas segala kekurangan dan kesalahan yang terdapat dalam penulisan
ini. Saran serta kritik membangun dari pembaca sangat diharapkan penulis demi
perbaikan di kemudian hari.
Akhir kata penulis berharap semoga penyusunan Tugas Akhir ini dapat
memberi manfaat bagi pembaca sekalian.
Yogyakarta, Januari 2008
Penulis.
Intisari
Air panas dapat disediakan dengan menggunakan peralatan pemanas air dengan sistem energi surya. Tujuan dari pemanas air energi surya ini untuk menghemat bahan bakar minyak dan energi listrik yang digunakan untuk memasak air. Selain itu pemanas air energi surya ini ramah lingkungan. Melalui pancaran energi surya / sinar matahari langsung ini, kita dapat memperoleh pemanasan air tanpa harus menggunakan energi listrik ataupun harus membeli bahan bakar minyak.
Pada penelitian ini akan diukur besarnya suhu kolektor, suhu kaca, suhu air, suhu lingkungan, serta besarnya radiasi masuk. Hal tersebut digunakan untuk mengetahui kinerja dari pemanas air energi surya ini. Pengujian dilakukan enam hari, untuk tiap harinya diukur setiap sepuluh menit sekali dan air hasil pemanasan dikeluarkan 5 liter setiap satu jam pemanasan. Dari data hasil pengujian tersebut dilakukan perhitungan, kemudian dibuat grafik. Pengaruh yang disebabkan oleh besarnya radiasi masuk akan dibahas dalam penelitian Tugas Akhir ini.
Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa faktor efisiensi paling rendah 1,514 % dan mempunyai nilai faktor efisiensi paling tinggi 99,310 %. Dan diperoleh suhu paling rendah 40,1 °C, suhu paling tinggi 60,1 °C.
Tittle Page ... ii
Halaman Pengesahan Pembimbing ...iii
Halaman Pengesahan ...iv
Lembar Pernyataan Persetujuan Publikasi Karya Ilmiah ... v
Halaman Pernyataan ...vi
Halaman Persembahan ... vii
Kata Pengantar ...viii
Intisari ... x
Daftar Isi ...xi
Daftar Gambar ...xiv
Daftar Tabel ... xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 4
1.5 Manfaat penelitian... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori... 5
2.1.1 Kolektor ... 5
2.1.2 Tangki Penyimpanan Air ... 8
2.1.3 Pipa Saluran Air ... 9
2.1.4 Keran Pengeluaran Air Panas ... 10
2.1.5 Penelitian yang Pernah Dilakukan ... 10
BAB III MATERI DAN METODE PENELITIAN 3.1 Skema Alat ... 11
3.2 Peralatan yang digunakan pada Penelitian... 12
3.3 Langkah Penelitian... 13
3.3.1 Pembuatan Alat ... 13
3.3.2 Pelaksanaan Penelitian ... 13
3.3.3 Pengambilan Data ... 15
3.4 Langkah Perhitungan ... 16
BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Pengamatan ... 19
4.2 Perhitungan Data Hasil Percobaan... 25
4.3 Analisa Data Hasil Percobaan... 34
4.3.1 Temperatur Air ... 34
4.3.2 Faktor Efisiensi (F’) dan Nilai Radiasi Masuk (Gt) ... 38
4.3.3 Suhu (C) dan Waktu (jam) ... 41
4.3.4 Nilai Radiasi Masuk ... 45
4.3.5 Faktor Efisiensi (F’) dan (Trata2 tangki – Tling)/Gt ... 48
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 52
5.2 Saran ... 52
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kolektor ... 6
Gambar 2.2 Bagian-bagian Kolektor Datar ... 7
Gambar 2.3 Tangki Penyimpan Air ... 8
Gambar 3.1 Ukuran dan bagian pemanas thermosifon ... 11
Gambar 3.2 Pemanas Air Thermosifon ... 15
Gambar 4.1 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel pertama... 34
Gambar 4.2 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel kedua ... 35
Gambar 4.3 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel ketiga ... 35
Gambar 4.4 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel keempat ... 36
Gambar 4.5 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel kelima... 36
Gambar 4.6 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor Pipa Paralel kelima... 37
Gambar 4.7 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk pertama ... 38
Gambar 4.8 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk kedua... 38
Gambar 4.9 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk ketiga ... 39
Gambar 4.10 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk keempat... 39
Gambar 4.11 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk kelima ... 40
Gambar 4.14 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran
terhadap waktu kedua... 42
Gambar 4.15 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu ketiga ... 42
Gambar 4.16 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu keempat... 43
Gambar 4.17 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu kelima ... 43
Gambar 4.18 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu keenam... 44
Gambar 4.19 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu pertama... 45
Gambar 4.20 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu kedua ... 45
Gambar 4.21 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu ketiga ... 46
Gambar 4.22 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu keempat ... 46
Gambar 4.23 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu kelima... 47
Gambar 4.24 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu keenam ... 47
Gambar 4.25 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt pertama .... 48
Gambar 4.26 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt kedua ... 49
Gambar 4.27 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt ketiga ... 49
Gambar 4.28 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt keempat ... 50
Gambar 4.29 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt kelima ... 50
Gambar 4.30 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt keenam... 51
Tabel 4.2 Data penelitian thermosifon pipa paralel kedua... 21
Tabel 4.3 Data penelitian thermosifon pipa paralel ketiga... 22
Tabel 4.4 Data penelitian thermosifon pipa paralel keempat... 23
Tabel 4.5 Data penelitian thermosifon pipa paralel kelima ... 24
Tabel 4.6 Data penelitian thermosifon pipa paralel keenam... 25
Tabel 4.7 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel pertama ... 28
Tabel 4.8 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel kedua... 29
Tabel 4.9 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel ketiga ... 30
Tabel 4.10 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel keempat... 31
Tabel 4.11 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel kelima ... 32
Tabel 4.12 Data hasil perhitungan (F') pipa paralel keenam... 33
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air panas sangat dibutuhkan dalam kehidupan kita sehari-hari, mulai dari
keperluan rumah tangga hingga untuk proses-proses industri. Air panas ini dapat
disediakan dengan berbagai macam cara atau proses, antara lain yang telah umum
kita lakukan yaitu dengan merebus dengan sumber panas api. Akan tetapi ada
cara lain yang lebih murah dan mudah yaitu melalui peralatan pemanas air dengan
sistem tenaga surya (Solar Water Heater System). Tujuan dari pemanas air tenaga surya ini untuk menghemat bahan bakar minyak dan energi listrik yang digunakan
untuk memasak air. Selain itu pemanas air tenaga surya ini ramah lingkungan.
Melalui pancaran tenaga surya / sinar matahari langsung ini, kita dapat
memperoleh pemanasan air tanpa harus menggunakan energi listrik ataupun harus
membeli bahan bakar minyak.
Pemanas air tenaga surya telah banyak digunakan di negara-negara maju
seperti; Jepang, Australia dan Israel. Pemanas thermosifon merupakan tipe
pemanas yang banyak digunakan. Pemanas thermosifon mempunyai metode
konversi energi surya yang sederhana dan sangat efektif, sehingga banyak
digunakan di negara sedang berkembang. Pada saat ini kira-kira 60 % dari
penjualan kolektor pelat rata di Amerika Utara adalah sistem panas bagi
keperluan rumah tangga. Kebanyakan dari sistem tersebut menggunakan zat anti
beku atau dengan mensirkulasi air melalui kolektor. Air dialirkan kembali ke
dalam tangki penyimpan apabila radiasi surya tidak cukup.
Pemanas air sistem thermosifon merupakan sistem pemanas air yang
sederhana, sistem ini hanya terdiri dari sebuah tangki penyimpan yang
ditempatkan lebih tingi di bagian atas dari kolektor. Thermosifon diciptakan oleh
perbedaan massa jenis fluida, apabila dalam kolektor memperoleh panas dari
matahari, maka massa jenisnya turun; segera setelah perbedaan massa jenis antara
kolektor dan tangki telah cukup untuk mengatasi tinggi gesekan dari sistem, maka
terjadilah suatu sirkulasi searah jarum jam, air hangat dari kolektor dipindahkan
ke tangki penyimpan dan diganti oleh air yang dingin dari dasar tangki. Sirkulasi
ini berlanjut sampai seluruh sistem mencapai temperatur yang seragam. Gerakan
sirkulasi fluida ini tidak lagi memerlukan sensor temperatur, alat-alat kontrol,
pompa serta motor.
Pemanas air tenaga surya merupakan suatu peralatan pemanas air yang
menggunakan media pemanas yang diperoleh dari radiasi atau pancaran sinar
matahari. Pada prinsipnya pemanas air tenaga surya ini didasari prinsip mekanika
fluida dan peralatan-peralatan elemen perancangan peralatan konversi energi.
Perencanaan solar water heater system mencakup prinsip- prinsip perpindahan panas radiasi, konveksi, maupun konduksi.
Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam
sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang
pelat penyerap dan melalui dinding saluran. Dari pelat penyerap panas kemudian
3
dilakukan dengan pompa, biasa kita sebut dengan konveksi paksa. Pelat penyerap
yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca dengan cara koneksi
alamiah dan dengan cara radiasi.
Pemanas cairan surya pada umumnya terdiri dari selembar bahan
konduktif thermal yang biasa disebut pelat penyerap yang terhubung dengan pipa
pemindah panas. Radiasi thermal ditransmisikan melalui penutup yang trnsparan
dan diubah menjadi panas pada pelat penyerap tersebut. Alat pemanas cairan
digunakan untuk menyediakan air panas untuk keperluan industri dan sistem air
panas untuk keperluan rumah tangga.
1.2 Rumusan Masalah
Pada penelitian ini akan dibuat model pemanas air jenis thermosifon yang
tersusun pararel untuk mengetahui unjuk kerja yang dihasilkan jika digunakan di
Indonesia, dalam hal ini penelitian dilakukan di halaman laboratorium konversi
energi Unversitas Sanata Dharma Yogyakarta.
1.3 Tujuan Penelitian
a. Membuat model pemanas air energi surya sederhana (jenis thermosifon).
b. Mengetahui temperatur maksimal dan efisiensi pemanas air yang dapat
dihasilkan.
1.4 Batasan Masalah
a. Kemiringan kolektor 30°, luas kolektor 0,5 m , susunan pipa kolektor
parallel.
2
b. Jumlah tangki yang digunakan 2 buah, yaitu tangki air dingin (atas), dan
tangki air panas (bawah).
c. Volume air tiap tangki 20 liter.
d. Pemakaian / pengambilan air panas dilakukan setiap 1 jam sekali sebanyak
5 liter.
1.5 Manfaat Penelitian
a. Menambah kepustakaan teknologi pemanas air energi surya.
b. Dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi pemanas
air energi surya sederhana yang sesuai dengan kondisi cuaca di Indonesia
dan dapat diterima masyarakat.
c. Mengurangi ketergantungan penggunaan energi listrik, kayu bakar,
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Sistem sirkulasi air panas adalah sistem air panas yang memutarkan air
panas melalui pipa sedemikian sehingga menghasilkan air panas yang stabil.
Sebagai suatu sistem pemanas air, maka peralatan ini juga membutuhkan
komponen yang sesuai pula dengan jenis operasional yang nantinya akan
dijalankan mesin pemanas air thermosifon ini.
2.1.1 Kolektor
Kolektor merupakan suatu komponen atau peralatan yang fungsinya untuk
menangkap atau menerima sinar matahari yang digunakan untuk memanasi air
yang mengalir di dalam kolektor. Bahan untuk kolektor ini menggunakan kaca
dan tembaga. Kaca berfungsi sebagai penerima dan pengumpul sinar matahari.
Kaca mempunyai konduktivitas thermal rata-rata 0,043 W/mºK. Sifat kaca bening
menyebabkan panas yang ditransmisikan relatif lebih besar. Kaca bening baik
untuk digunakan pada tempat yang langsung terkena sinar matahari.
Tembaga mempunyai sifat sebagai penghantar panas dan penghantar listrik yang
sangat tinggi. Selain mempunyai daya hantar panas yang baik, tembaga juga
mempunyai daya tahan yang tinggi terhadap terjadinya karat, sehingga biasa
digunakan pada pembuatan alat pemanas.
Kolektor merupakan komponen utama sebagai penerima panas matahari, kolektor
ini ada berbagai macam.
Gambar 2.1 Kolektor
Kolektor pelat datar merupakan kolektor yang biasa digunakan di rumah
untuk pemanas air dan pemanas ruangan. Kolektor pelat rata adalah suatu kotak
logam yang dibatasi dengan suatu plastik atau suatu kaca atau penutup plastic
yang disebut glazing dan suatu piringan peredam berwarna gelap. Pemasangan kaca dapat tembus cahaya atau transparan. Kaca tipis adalah suatu material yang
umum digunakan untuk kolektor pelat rata, sebab kaca tipis memancarkan suatu
prosentase yang tinggi dari total energi matahari yang tersedia. Pemasangan kaca
memungkinkan cahaya untuk mengenai peredam tapi mengurangi jumlah panas
yang dapat dilepas. Alas dan sisi dari kolektor pada umumnya diisolasi, tujuannya
7
Gambar 2.2 Bagian bagian kolektor datar
Pelat penyerap pada umumnya hitam sebab warna hitam menyerap energi
matahari lebih baik disbanding warna terang. Cahaya matahari lewat melalui kaca
dan memantul ke pelat peredam, yang akan memanaskan dan akan mengubah
radiasi matahari menjadi energi panas. Panas ditransfer ke udara atau cairan yang
terdapat pada kolektor itu. Plat peredam sering dibuat dari logam, pada umumnya
tembaga atau aluminium karena kedua-duanya merupakan konduktor panas yang
baik. Tembaga lebih mahal, tetapi merupakan konduktor yang lebih baik dan
cenderung lebih mudah karatan dibanding aluminium.
Kolektor matahari yang terdiri dari suatu peredam tembaga yang berfungsi
untuk menyalurkan energi panas hasil radiasi matahari untuk memanasi air. Untuk
membatasi terjadinya kehilangan panas, kaca bagian atas diberi suatu lapisan
penyekat di dalamnya. Jika kondisi hangat, maka kaca dan penyekat tidak
diperlukan. Hubungan antara pipa peredam dan pipa penyalur harus dilakukan
dengan teliti untuk masing-masing sisi. Pipa disolder pada plat peredam
menggunakan logam yang akan menekan pipa pada bagian atas plat logam. Dalam
Kolektor dapat disambung menggunakan konstruksi pelat logam sederhana, untuk
penguatan dapat digunakan bingkai atau kotak dari kayu.
Kolektor matahari menjadi jantung dari sistem energi matahari. Kolektor
menyerap energi cahaya matahari dan merubahnya menjadi energi panas.
Kolektor matahari memanaskan suatu zat cair, baik udara maupun cairan. Cairan
ini kemudian digunakan untuk memanaskan secara langsung, maupun tidak
langsung tergantung dari kegunaan air apakah untuk rumah tangga, pemanas
ruang di dalam rumah, air untuk kolam renang, ataupun udara atau air yang
digunakan untuk penggunaan komersil.
2.1.2 Tangki Penyimpanan Air
Air yang nantinya akan disikulasikan terlebih dahulu akan disimpan dan
ditampung di dalam tangki. Oleh karena itu penyimpan harus mempunyai sifat
yang tahan terhadap air, diantaranya harus tahan terhadap terjadinya karat.
Apabila tangki air ini mudah terkena karat ini akan sangat berbahaya, karena air
yang disimpan akan ikut jadi kotor tercemar oleh karat yang ada ditangki.
9
Tangki penyimpan air panas menggunakan ember cat yang bagian
dalamnya terdapat lapisan anti karat, penggunaan wadah ini bertujuan untuk
menghindari kerusakan wadah jika suhu yang dicapai mencapai suhu tinggi.
Penggunaan wadah ini juga bertujuan memperoleh bentuk tangki yang tetap dan
kuat karena nantinya wadah ini akan disambungkan dengan pipa besi yang cukup
berat. Tangki yang akan digunakan untuk menyimpan air harus bebas dari segala
kotoran agar tidak menyumbat saluran sirkulasi.
Sedangkan untuk tangki penyimpan air dingin digunakan tangki plastik,
tangki ini digunakan karena air yang disimpan pada tangki ini adalah air yang
dingin, selain itu tangki ini lebih ekonomis daripada tangki ember cat yang
digunakan untuk menyimpan air panas.
Tangki yang digunakan untuk menyimpan air panas juga harus diberi
isolasi untuk menjaga agar suhu air bisa stabil dan untuk mengurangi penurunan
suhu akibat adanya pelepasan kalor ke lingkungan sekitar.
2.1.3. Pipa saluran air
Dalam pemanas air tenaga surya ini digunakan pipa besi sebagai penyalur
aliran air. Pipa besi ini dipilih karena dalam perancangan sebelumnya yang
menggunakan pipa pralon, mempunyai kecenderungan tidak kuat atau pipa pralon
berubah bentuk karena menerima panas dari air panas yang keluar dari kolektor.
Selain itu pipa pada bagian output kolektor diberi isolasi berupa karet ban untuk
2.1.4. Keran pengeluaran air panas
Untuk mengeluarkan air panas dari hasil pemanasan dengan sistem
termosifon ini, digunakan keran yang terpasang pada bagian atas tangki
penyimpanan air panas. Pemasangan keran pada bagian wadah ini bertujuan agar
air yang diambil selalu mendapatkan air yang terpanas karena massa jenis air
panas lebih ringan dan berada di bagian atas daripada air yang lebih dingin yang
berada di bagian bawah tangki penyimpan.
2.2. Penelitian yang pernah dilakukan
Pada penelitian pemanas air sistem termosifon dengan pipa paralel
sebelumnya (Pamungkas, 2005) pemanas air termosifon ini menggunakan pipa
pralon sebagai alat distribusi airnya. Tangki penyimpan air panas menggunakan
jerigen plastik yang cenderung kurang bisa menahan suhu tinggi. Alat ini dijemur
dibawah terik matahari dan dibiarkan hingga air bersirkulasi secara kontinyu
selama rentang waktu tersebut, sehingga tidak diakukan pengukuran suhu air
panas keluaran dari tangki penyimpan air panas.
Pada penelitian ini diperoleh data suhu air tertinggi keluar dari kolektor,
pada kolektor paralel 83,1 0C dan yang paling rendah 36,9 0C. Pada penelitian ini
juga diperoleh perhitungan Faktor efisiensi F’ terbesar pada pipa paralel sebesar
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Skema alat penelitian
Gambar 3.1 Ukuran dan bagian pemanas thermosifon
Prinsip kerja sistem pemanas air tenaga surya ini adalah pertama air
dimasukkan ke dalam alat pemanas ini hingga tangki cadangan atau tangki
penyimpan air dingin terisi penuh, ini dimaksudkan agar siklus termosiphon dapat
terjadi secara kontinyu. Air dipanaskan di dalam kolektor, setelah suhu naik maka
massa jenis air akan menjadi lebih ringan dari air dingin, air panas akan mengalir
ke bagian atas kolektor karena terdorong oleh air dingin yang mempunyai massa
jenis lebih besar dan kemudian masuk ke dalam tangki penyimpanan yang terletak
di atas kolektor. Karena adanya dorongan air dingin ke kolektor menyebabkan air
panas akan ikut terdorong mengalir keluar dari kolektor pemanas menuju tangki
penyimpan air panasyang terletak lebih rendah daripada tangki penyimpan air
dingin. Demikian siklus ini bekerja, air dingin akan terpanasi oleh kolektor
sehingga massa jenisnya menjadi lebih ringan dan akan terdorong ke atas oleh air
dingin, siklus ini akan terus berlangsung berulang – ulang hingga seluruh air akan
mencapai suhu yang seragam.
3.2 Peralatan yang digunakan pada penelitian
1. Kolektor
Panjang kolektor = 1 m
Lebar = 0,5 m
2. Kaca
Tebal = 0,003 m
Panjang = 1 m
Lebar = 0,5 m
Luasan kaca (Ac) = 1 m x 0,5 m
= 0,5 m2
Transmitasi-absorber normal (τα) = 0,8
3. Rangka dan casing
Kemiringan kolektor (β) = 30°
4. Pipa besi ukuran ½ anci
Diameter pipa (d1) = 0,013 m
13
Diameter dalam pipa = 0,011 m
Panjang keseluruhan pipa = 4,46 m
5. Tangki air
Tangki air dingin (air input)
Terbuat dari jerigen plastic, dengan kapasitas 20 liter
Tangki air panas
Terbuat dari jerigen plat seng, dengan kapasitas 20 liter
6. Massa air yang ditampung tangki adalah 20 liter
3.3 Langkah Penelitian 3.3.1 Pembuatan Alat
1. Membuat tangki dari seng (ember cat) dengan kapasitas 20 liter.
2. Memasang kolektor dengan sudut kemiringan 30°.
3. Membuat pipa saluran air beserta ulirnya untuk penyambungan
4. Merangkai tangki yang dihubungkan dengan pipa yang sudah
dibuat dengan kolektor.
5. Mengisolasi dan menyiler sambungan –sambungan pipa, kolektor,
serta kotak penampung tangki air panas.
3.3.2 Pelaksanaan Penelitian
a. Persiapan pengambilan data
1. Pengisian air ke tangki sampai penuh dan di isi dari tangki
2. Penempatan solar cell dan diukur pasisinya dengan
kemiringan kolektor yaitu 30°C.
b. Pengukuran masukan energi matahari
1. Solar cell dipanaskan dan diatur posisinya sama dengan
kemiringan kolektor.
2. Diukur voltasenya setiap 10 menit bersamaan dengan
pengambilan data.
c. Pengambilan Data
1. Setiap 10 menit diukur temperatur ruangan, temperatur
kolektor (T1), temperatur kaca (T2), temperatur air masuk
kolektor (T3), temperatur air keluar kolektor(T4), temperatur
air masuk tangki bagian atas (T5), temperatur air masuk
tangki bagian bawah (T6), dan energi radiasi matahari yang
15
d. Lokasi Pengambilan Data
Halaman laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Gambar 3.2 Pemanas Air Thermosifon
3.3.3 Pengambilan Data
Tempat Percobaan = Halaman depan laboratorium konversi energi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
Jenis Reflektor = Thermosifon Paralel
Lama uji coba = 4 jam
Besar Tahanan = 10 Ohm
Kemiringan Kolektor = 30°
Parameter yang diukur :
3.4. Langkah Perhitungan • Faktor Efisiensi (F’)
Untuk menghitung Faktor Efisiensi digunakan faktor efisiensi sebagai
pengganti faktor pelepas panas,karena akan menggunakan temperatur air kolektor
rata – rata (Ti+To)/2 sebagai pengganti temperatur masuk. Karena temperatur
tangki rata-rata ternyata mendekati temperatur kolektor rata-rata. Maka digunakan
persamaan : (Wiranto Arismunandar, 1995:116)
17
dengan : ms = massa air (liter)
Cs = panas jenis fluida
dTs = T awal – T sebelum
dTθ = waktu
Ac = luas kolektor
τα = trasmitan kaca,absortifitas plat
GT = Radiasi masuk
UL = Koefisien kerugian
T1 = Suhu air masuk
T0 = Suhu air keluar
Ta = Suhu lingkungan
Ts = Teperatur rata-rata
Tr = Suhu lingkungan
Us = Tahanan thermal
As = Luas permukaan
•Arus keluaran sel yang masuk kolektor ( I )
Dirumuskan;
Iph = V / R (ampere)... ( 3.2 )
Dimana ; V = Voltase terukur ( V )
• Radiasi masuk (GT)
Yaitu jumlah intensitas radiasi yang di terima oleh solar cell.
Dirumuskan; (Solar Cell seri GL833-TF 5,4w/12V System)
GT = (Iph/0,4) x 1000………... ( 3.3 )
• Tahanan Thermal ( Us )
Yaitu jumlah hambatan total antara air dalam tangki sampai luar box
Dirumuskan; (J.P. Holman, 1994: 33)
0
k1 = konduktifitas thermal plat seng
k2 = konduktifitas thermal glasswoll
k3 = konduktifitas thermal gabus
k4 = konduktifitas thermal kayu
• Koefisien konveksi luar ( h0 )
Dinyatakan dengan persamaan : (Prof. Wiranto Arismunandar, 1995:51)
h0 = 5,7 + (3,8). W/(m2.K)...( 3.5 )
dengan ; V = kecepatan angin (m/s)
Sedangkan untuk (Ti+To)/2 adalah suhu rata – rata antara suhu air masuk
19
BAB IV
PEMBAHASAN
Dalam bab ini data yang diperoleh dari hasil penelitian akan dianalisa
untuk mengetahui faktor efisensi (F’) dari pemanas air sistem termosifon. Pada
bab ini juga akan ditunjukkan tabel data yang diperoleh selama pengujian atau
pengambilan data.
4.1. Data Hasil Pengamatan
Pengujian alat diakukan pada tanggal 1 September 2007 hingga 14
September 2007. Pengukuran suhu pada pemanas air temosifon ini dilakukan
dengan termokopel yang kemudian disambungkan pada penampil temperatur,
termokopel ini dipasang pada beberapa titik yaitu :
T1 = suhu permukaan kaca (0C)
T2 = suhu permukaan kolektor (0C)
T3 = suhu air masuk kolektor (0C)
T4 = suhu air keluar kolektor (0C)
T5 = suhu penampung air bagian bawah (0C)
T6 = suhu penampung air bagian atas (0C)
Sedangkan untuk mengukur parameter yang lain yaitu suhu lingkungan
dan radiasi matahari digunakan termokopel yang dikopel dan solarcell. Hasil
pengambilan data penelitian dapat dilihat pada tabel 4.1 sampai dengan 4.6 . Pada
tabel –tabel tersebut beberapa data diarsir, yang berarti data tersebut tidak di
21
Tabel 4-2. Data penelitian termosifon pipa paralel kedua
23
Tabel 4-4. Data penelitian termosifon pipa paralel keempat
25
Tabel 4-6. Data penelitian termosifon pipa paralel keenam
Waktu
4.2. Perhitungan Data Percobaan
Energi surya total merupakan energi surya yang masuk ke kolektor.
diberi tahanan (R) sebesar 10 Ω. Sebagai contoh, dari data input pada tabel
4.1 maka energi surya total dapat diperolah dengan cara :
a. Menghitung Arus yang dikeluarkan solar sel (Iph)
Arus yang dikeluarkan solar sel dapat diperoleh dari pesamaan (3.2)
Iph=
b. Energi Surya yang Terukur Sel Surya (G)
Dari persamaan (3.3) dapat diperoleh harga G
G =
c. Menghitung besar koefisien konveksi luar ( h0 )
Dari persamaan (3.5) dapat diperoleh besarnya h0 yaitu :
h0 = 5,7 + 3,8 . V = 5,7 + 3,8 . 0,5
27
d. Menghitung besar Tahanan Thermal tangki air ( Us )
Dari persamaan (3.4) dapat diperoleh besarnya h0 yaitu:
0
e. Menghitung besar Faktor efisiensi (F’)
Dari persamaan (3.1) dapat diperoleh besarnya F’ yaitu
Untuk perhitungan F’ dari data yang lain digunakan perhitungan dengan
cara yang sama. Hasil lengkap F’ dapat dilihat pada tabel 4-7 sampai 4-12. Pada
tabel –tabel tersebut beberapa data diarsir, yang berarti data tersebut tidak di
pakai.
Tabel 4-7. Data hasil perhitungan (F’) pipa paralel pertama
29
Tabel 4-8. Data hasil perhitungan (F’) pipa paralel kedua
31
Tabel 4-10. Data hasil perhitungan (F’) pipa paralel keempat
33
Tabel 4-12. Data hasil perhitungan (F’) pipa paralel keenam
4.3. Analisa Data Percobaan
Dari hasil data penelitian dan perhitungan yang telah didapatkan di atas,
maka didapatkan beberapa perbedaan. Perbedaan tersebut disebabkan oleh
beberapa faktor yang terjadi selama penelitian. Untuk mengetahui hal tersebut
maka perlu diadakan suatu analisa dan pembahasan dari data yang diperoleh
selama penelitian. Dari data selama penelitian, kemudian data tersebut dihitung
dan dianalisa, maka dari hasil tersebut akan dapat diketahui faktor-faktor yang
menyebabkan perbedaan pada jam, hari, serta kondisi lingkungan yang terjadi.
4.3.1. Temperatur keseluruhan
Dari data-data yang telah diperoleh maka dapat di buat dalam bentuk
grafik sebagai berikut :
0
10:05 10:35 11:05 11:35 12:05 12:35 13:05 13:35 14:05
Waktu
35
9:00 9:43 10:26 11:09 11:52 12:36 13:19 14:02 14:45
Waktu
Gambar 4.2 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor pipa paralel kedua
9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
Waktu
0
9.30 10.00 10.30 11.00 11.30 12.00 12.30 13.00 13.30
Waktu
Gambar 4.4 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor pipa paralel keempat
9:50 10:20 10:50 11:20 11:50 12:20 12:50 13:20 13:50
Waktu
37
10:10 10:40 11:10 11:40 12:10 12:40 13:10 13:40 14:10 14:40 15:10
Waktu
Gambar 4.6 Grafik hubungan distribusi suhu terhadap waktu pada kolektor pipa paralel keenam
Berdasarkan grafik distribusi temperatur terhadap waktu diatas maka dapat
dilihat terjadi perubahan temperatur yang berbeda-beda yang cenderung naik dan
juga terjadi penurunan. Hal tersebut disebabkan karena berbagai faktor, antara lain
faktor lingkungan.
Untuk kenaikan suhu disebabkan karena intensitas radiasi langsung yang
masuk ke dalam alat berlangsung secara sempurna sebaliknya untuk penurunan
suhu disebabkan oleh kondisi cuaca yang kurang membantu, contohnya adalah
awan atau mendung yang menutupi atau menghalangi radiasi sinar matahari
sehingga intensitas radiasi yang diterima kolektor menjadi tidak maksimal dan
kecepatan angin yang cukup besar akan menyebabkan intensitas radiasi yang
4.3.2. Faktor Efisiensi (F’) dan Nilai Radiasi Masuk (Gt)
0 200 400 600 800 1000 1200
Gt (W/m2)
F'
Gambar 4.7 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk pertama
0%
39
Gambar 4.9 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk ketiga
0%
0 200 400 600 800 1000 1200
Gt (W/m2)
F'
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
0 200 400 600 800 1000 1200
Gt (W/m2)
F'
Gambar 4.11 Grafik Faktor Efisiensidan Nilai Radiasi Masuk kelima
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0 200 400 600 800 1000
Gt (W/m2)
F'
41
Perubahan nilai faktor efisiensi dipengaruhi oleh berbagai macam hal.
Yang paling utama yaitu nilai intensitas radiasi matahari ( G ) yang masuk
berubah-ubah. Hal tersebut disebabkan oleh berbagai faktor, antara lain faktor
cuaca. Sebagai contohnya, ada awan atau cuaca mendung yang menutupi atau
menghalangi radiasi sinar matahari yang menyebabkan terjadinya radiasi sebaran,
sehingga intensitas radiasi yang diterima kolektor mengalami penurunan. Karena
intensitas radiasi yang diterima kolektor menurun maka suhu air juga akan
menurun sehingga nilai faktor efisiensinya berubah-ubah.
4.3.3 Suhu (C) dan Waktu (Jam)
0 10 20 30 40 50 60 70
9:30 10:42 11:54 13:06 14:18 15:30
Jam
Su
h
u
Air Keluaran
Rata2 Tangki
0 10 20 30 40 50 60
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00
Waktu
S
uhu
Air Keluaran Rata2 Tangki
Gambar 4.14 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu kedua
0 10 20 30 40 50 60
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00
Waktu
S
uhu
Air Keluaran
Rata2 Tangki
43
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48
Waktu
Gambar 4.16 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran terhadap waktu keempat
0
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00
Waktu
Su
h
u Air Keluaran
Rata2 Tangki
0 10 20 30 40 50 60 70
9:30 10:42 11:54 13:06 14:18 15:30
Waktu
Su
h
u Air Keluaran
Rata2 Tangki
Gambar 4.18 Grafik hubungan distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran
terhadap waktu keenam
Berdasarkan grafik distribusi suhu rata-rata tangki dan air keluaran
terhadap waktu di atas, dapat dilihat bahwa setiap air panas yang berada di dalam
tangki penyimpanan diambil maka temperatur air yang berada dalam tangki
tersebut akan turun. Hal tersebut disebabkan karena dengan diambilnya air panas,
maka dengan sendirinya air dingin yang berada dalam ember penampung akan
mengalir turun sehingga air yang berada dalam tangki akan tercampur dengan air
45
4.3.4 Nilai Radiasi Masuk (Gt) dan Waktu (Jam)
0 200 400 600 800 1000 1200
9:30 10:42 11:54 13:06 14:18 15:30
Waktu
Gt
Series1
Linear (Series1)
Gambar 4.19 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu pertama
0 200 400 600 800 1000 1200
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00
Waktu
Gt
Series1
Linear (Series1)
0 200 400 600 800 1000
8:00 9:12 10:24 11:36 12:48 14:00 15:12
Waktu
Gt Series1Linear (Series1)
Gambar 4.21 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu ketiga
0 200 400 600 800 1000 1200
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48
Waktu
Gt
Series1
Linear (Series1)
47
0 200 400 600 800 1000 1200
9:00 11:24 13:48 16:12
Waktu
Gt
Series1
Linear (Series1)
Gambar 4.23 Grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu kelima
0 200 400 600 800 1000
9:00 11:24 13:48 16:12
Waktu
Gt
Series1
Linear (Series1)
Berdasarkan grafik hubungan nilai radiasi masuk terhadap waktu diatas,
dapat dilihat bahwa nilai radiasi masuk mengalami perubahan yang berbeda-beda
yang cenderung turun dan juga terjadi kenaikan. Hal tersebut disebabkan karena
berbagai faktor, antara lain faktor lingkungan.
Untuk kenaikan nilai radiasi matahari disebabkan karena intensitas radiasi
langsung yang masuk ke dalam alat pengukur sempurna, sebaliknya untuk
penurunan nilai radiasi matahari disebabkan oleh kondisi cuaca yang kurang
membantu, contohnya adalah awan atau mendung yang menutupi atau
menghalangi radiasi sinar matahari sehingga intensitas radiasi yang diterima alat
pengukur menjadi tidak maksimal.
4.3.3 Faktor Efisiensi (F’) dan (Trata2 tangki -Tling) / Gt
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0.00 0.01 0.02 0.03
(TRata2-TLingk)/Gt
F'
49
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
(TRata2-TLingk)/Gt
F' Series1
Linear (Series1)
Gambar 4.26 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt kedua
0%
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
(TRata2-TLingk) /Gt
F' Series1
Linear (Series1)
0%
Gambar 4.28 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt keempat
0%
51
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
0.00 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04
(TRata2-TLing)/Gt
F' Series1
Linear (Series1)
Gambar 4.30 Grafik hubungan F’ terhadap (Trata2 tangki -Tling) / Gt keenam
Dari persamaan efisiensi thermal dapat dilihat bahwa efisiensi thermal dari
sebuah kolektor surya bukanlah sebuah konstanta melainkan sebuah karakteristik
yang tergantung dari temperatur diluar, tingkat radiasi surya, dan temperatur
fluida pada pipa masuk.
F’ juga dipengaruhi oleh selisih suhu antara suhu tangki penyimpan dan
suhu lingkungan, karena jika dengan Gt yang konstan dan (T tangki – T ling)
semakin besar maka nilai F’ akan semakin tinggi. Begitu pula sebaliknya jika (T
BAB V PENUTUP
5. 1 Kesimpulan
Dari semua hasil uji coba, perhitungan, dan analisa data maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
a Pemanas air tenaga surya jenis termosifon sebagai alat pada uji
coba ini pengambilan air panas dilakukan setiap 1 jam sebanyak 5
liter, mempunyai nilai faktor efisiensi paling tinggi 99,310 %. Dan
suhu air keluar paling tinggi adalah 60,1 °C
b Pada penelitian pemanas air sistem termosifon dengan pipa paralel
sebelumnya, dipanaskan secara kontinyu dan tidak dikeluarkan
setiap jam. Sehingga diperoleh data suhu air tertinggi pada kolektor
paralel 83,1 0C dan Faktor efisiensi F’ terbesar pada pipa paralel
sebesar 97,52 %.
5. 2 Saran
a. Untuk mendapatkan hasil data pengujian yang lebih baik maka
penelitian dalam sehari hanya untuk satu percobaan
b. Untuk memaksimalkan hasil penyimpanan panas maka perlu bahan
isolasi yang baik pada setiap dinding.
c. Jangan sampai pipa yang digunakan bocor, karena pipa yang bocor
akan mengakibatkan suhu air yang dihasilkan berkurang.
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, W., Teknologi Rekayasa Surya, PT Pradnya paramita, Jakarta Holman, J.P. 1994. Perpindahan Kalor. Jasjfi, Erlangga.
Pamungkas, B 2005. Tugas Akhir “ Solar Water Heater System with Paralel Pipe”, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta
