i
PERANCANGAN TANGKI PEMANAS AIR TENAGA SURYA
KAPASITAS 60 LITER DAN INSULASI TERMALNYA
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun oleh : RASYID ATMODIGDO
20120130182
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
viii
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
HALAMAN PERSEMBAHAN iv
INTISARI v
KATA PENGANTAR vi
DAFTAR ISI viii
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 3
1.4. Tujuan Perancangan ... 3
1.5. Manfaat Perancangan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka 2.1.1. Bejana Tekan Dinding Tipis ... 4
2.1.2. Insulasi Termal ... 5
2.2. Landasan Teori 2.2.1. Energi Matahari ... 6
2.2.2. Sistem PATS ... 10
2.2.3. Definisi Bejana Tekan ... 14
2.2.4. Perpindahan Kalor ... 19
2.2.5. Perhitungan Tangki ... 23
BAB III METODE PERANCANGAN 3.1. Bahan Perancangan ... 28
3.2. Alat Perancangan ... 27
3.3. Prosedur Perancangan ... 29
3.3.1. Diagram Alir Perancangan ... 29
3.3.2. Pemilihan Bahan Tangki ... 30
ix
3.3.5. Pemilihan Material Insulasi ... 31
3.3.6. Perhitungan Jari-Jari Kritis ... 31
3.3.7. Perhitungan Rugi Termal ... 31
3.3.8. Penentuan Tebal Insulasi ... 31
3.4. Kesulitan Perancangan ... 32
BAB IV HASIL PERANCANGAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Pemilihan Bahan Tangki ... 33
4.2. Perancangan Tangki 4.2.1. Dimensi Tangki ... 33
4.2.2. Ketebalan Shell dan Head Tangki ... 34
4.2.3. Hasil Perancangan Tangki ... 35
4.3. Perancangan Insulasi Tangki 4.3.1. Material Insulasi ... 39
4.3.2. Jari-Jari Kritis ... 39
4.3.3. Tebal Insulasi ... 40
4.4. Alat Penukar Kalor di Dalam Tangki ... 43
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 45
5.2. Saran ... 45
x
Gambar 2.2 Bentuk-bentuk radiasi matahari ke bumi 9
Gambar 2.3 Sistem pemanas air tenaga surya 10
Gambar 2.4 PATS sistem (a) aktif-langsung dan (b) aktif-tidak langsung 11
Gambar 2.5 PATS sistem thermosyphon 12
Gambar 2.6 (a) Flat plate collector (FPC), (b) Evacuated tube solar collector
(ETC) 13
Gambar 2.7 Skema aliran air PATS sistem thermosyphon 14 Gambar 2.8 (a) Bejana tekan berdinding tipis, (b) Bejana tekan berdinding
tebal 15
Gambar 2.9 Dinding bejana 16
Gambar 2.10 Kepala bejana 16
Gambar 2.11 Metode irisan sebuah bejana 17
Gambar 2.12 Diagram benda bebas bejana tekan 18
Gambar 2.13 Aliran radial panas di dalam bejana 20 Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat 21
Gambar 2.15 Perpindahan panas radiasi 22
Gambar 2.16 Pengaruh radiasi datang dan pantul 22
Gambar 2.17 Tahanan termal pada bejana 24
Gambar 2.18 Pengaruh jari-jari kritis 26
Gambar 3.1 Tangki dan insulasi 28
Gambar 3.2 Diagram alir perancangan 29
Gambar 3.3 Diagram alir perancangan (lanjutan) 30
Gambar 4.1 Skema hasil rancangan ideal 36
Gambar 4.2 Skema modifikasi racangan ideal 36
xi
Gambar 4.5 Susunan pipa APK (a) in-line 1/2”, (b) in-line 5/8”, (c) in-line
3/4" dan (d) in-line 1” 43
xii
Tabel 4.1 Tegangan ijin baja karbon 33
Tabel 4.2 Efisiensi penyambungan pada pengelasan 35
Tabel 4.3 Konduktivitas termal 39
Tabel 4.4 Ketebalan insulasi 42
xiii
ΔT : perbedaan temperatur (°C)
∆ : gaya sejajar terhadap potongan (kg.ms-2 atau N) Ds : dome stress (kPa)
D : diameter shell (mm) ds : diameter matahari (m)
Es : pancaran radiasi permukaan matahari (W/m2) ΔF : gaya tegak lurus terhadap potongan (kg.ms-2 atau N) Hs : hoop stress (kPa)
h : koefisien perpindahan kalor (W/m2.K) hw : koefisien konveksi udara luar (W/m2.K) kgw : konduktivitas bahan isolasi (W/m.K)
: konduktivitas bahan tangki (W/m.K) L : permukaan tangki (m2)
l : panjang tangki (cm)
xiv ρ : reflektivitas
p : tekanan air di dalam tangki (kPa) Q : laju perpindahan panas (W) t : tebal tangki (mm)
τ : transmisivitas, tegangan geser (N/m2) T1 : temperatur pada tangki (°C)
T2 : temperatur pada insulasi (°C) Ts : temperatur absolut (K) Tw : temperatur plat (K) T∞ : temperatur udara (K)
U : koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.K) V : volume tangki (liter)
iii
Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi / tugas akhir berjudul “Perancangan Tangki Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas 60 Liter dan Insulasi Termalnya” ini adalah asli hasil karya saya dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan Tinggi dan sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 26 Desember 2016
v
INTISARI
Pemanas air tenaga surya (PATS) adalah teknologi pemanasan air yang telah dikenal masyarakat. PATS mengguanakan air sebagai media penyimpanan energi termal mempunyai kekurangan yaitu densitas energi yang rendah. Penelitian terakhir tentang aplikasi paraffin wax pada PATS sistem pasif telah dilakukan dengan tangki horisontal bervolume 31 liter. Penelitian ini dapat ditindaklanjuti menggunakan tangki yang volumenya lebih besar. Sebagai langkah awal pengembangan tersebut perlu dirancang tangki PATS baru. Tujuan perancangan ini adalah merancang tangki horisontal dengan kapasitas 60 liter beserta sistem insulasi termalnya serta merancang alat penukar kalor berupa susunan kapsul pipa di dalam tangki.
Perancangan tangki dimulai dengan pemilihan bahan, menentukan dimensi tangki dan tebal tangki. Sebagai langkah awal, dimensi tangki tangki ditentukan berdasar kosep luas minimum. Tebal tangki diperhitungkan memakai konsep hoop stress dan dome stress. Perancangan insulasi dimulai dengan pemilihan bahan, menentukan jari-jari kritis, perhitungan rugi-rugi termal dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh. Tebal insulasi dipilih dengan syarat koefisien perpindahan kalor menyeluruh yang terjadi sesuai standar SNI.
Hasil perancangan tangki pemanas air tenaga surya menghasilkan jari-jari tangki 22 cm, panjang tangki 44 cm, ketebalan badan tangki 0,604 mm. Mempertimbangkan faktor pemasangan tangki terhadap kolektor yang tersedia maka dipilih panjang tangki 122 cm dan diameter dalam 25 cm. Mempertimbangkan faktor produksi tangki maka dipilih tebal pelat 0,2 cm. Susunan pipa in-line dengan diameter nominal 5/8” menghasilkan volume kapsul terbesar yaitu 0,0285 m3.
1
1.1. Latar Belakang
Energi merupakan salah satu kebutuhan pokok bagi manusia dalam kehidupan sehari-hari, baik di bidang industri maupun rumah tangga. Pada saat ini di Indonesia sebagian besar masih menggunakan sumber energi fosil yang dapat habis. Penggunaan energi memerlukan kebijakan dan pengaturan yang lebih baik dan terencana, agar kebutuhan energi jangka panjang tetap terpenuhi. Konservasi energi adalah penggunaan energi konvensional seefisien mungkin dan diikuti usaha-usaha mencari teknologi baru dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan. Dalam aspek jangka panjang, konservasi energi berarti menggunakan energi sedemikian rupa sehingga dapat menekan kerugian energi seminimal mungkin. Untuk aspek jangka pendek, konservasi energi dapat dilakukan melalui langkah-langkah penghematan energi maupun penggunaan energi yang terdapat di alam (Anonim, 1994).
Sebagai upaya untuk menekan konsumsi energi fosil maka penggunaan energi terbarukan perlu digiatkan. Diantara beberapa sumber energi terbarukan yang memiliki potensi terbesar adalah energi matahari. Indonesia termasuk negara yang memiliki potensi energi matahari yang tinggi mengingat keberadaannya di daerah katulistiwa. Karena itu dibutuhkan pola pikir untuk mengembangkan pontensi yang dimiliki matahari agar nantinya Indonesia tidak termasuk negara terkena dampak krisis energi global. Indonesia adalah salah satu negara yang terletak di khatulistiwa, beriklim tropis dan sangat berpotensi untuk memanfaatkan energi matahari sebagai energi alternatif. Bentuk pemanfaatan dari energi matahari selain Solar Cell adalah Solar Water Heater (pemanas air tenaga surya) (Zainuddin, 2014).
telekomunikasi, pompa air dan lain-lain. Alat yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi termal diantaranya adalah solar water heater untuk memanaskan air (Zainuddin, 2014). Selain untuk memanaskan air, energi matahari juga dapat digunakan untuk memanaskan udara baik skala rumah tangga maupun industri.
Pemanas air tenaga surya (PATS) adalah teknologi pemanasan air yang telah dikenal masyarakat. PATS mengguanakan air sebagai media penyimpanan energi termal. Penggunaan air mempunyai keuntungan yaitu nilai konduktivitas termalnya tinggi dan murah. Namun demikian, PATS memiliki kekurangan yaitu densitas energinya rendah (Hasan, 1994). Rendahnya densitas energi berarti sistem PATS memerlukan volume penyimpanan energi yang besar. Konsekuensinya adalah sistem PATS cenderung memiliki konstruksi yang berat.
Salah satu upaya untuk meningkatkan densitas energi pada PATS konvensional adalah dengan menggunakan phase change material (PCM) di dalam sistem PATS. Canbazolu dkk (2005) meneliti pemakaian PCM pada PATS sistem pasif di dalam tangki vertikal dengan volume 190 liter. Nadjib dan Suhanan (2013) pernah meneliti integrasi paraffin wax dan air sebagai media penyimpan kalor pada PATS sistem pasif mengunakan tangki horisontal volume 31 liter. Volume air yang terdapat pada tangki tersebut hanya 17 liter, sedangkan sisanya berisi kapsul yang di dalamnya terdapat PCM. Penelitian terakhir dapat dikembangkan dengan melakukan penelitian serupa namun volume tangki diperbesar menjadi 60 liter. Sebagai langkah awal pengembangan tersebut maka perlu dirancang tangki PATS kapasitas 60 liter beserta insulasi termalnya.
1.2. Rumusan Masalah
1.3. Batasan Masalah
Batasan-batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Tekanan dan temperatur kerja tangki masing-masing adalah 1,5 bar dan 90°C.
b. Tangki yang dirancang adalah jenis horizontal dengan sambungan penutupnya memakai flens.
c. Tebal tangki diperhitungkan dengan hoop stress sesuai Standard Australian 1056.2-1985.
d. Perancangan sistem insulasi berpedoman pada SNI 3021-1992.
e. Perancangan alat penukar kalor berdasarkan susunan pipa in-line dan
staggered.
1.4. Tujuan Perancangan
Tujuan perancangan ini adalah sebagai berikut.
1. Merancang tangki pemanas air tenaga surya tipe horisontal yang bersifat
knocked down dan sistem insulasinya.
2. Mengembangkan tangki hasil rancangan dengan penambahan alat
penukar kalor berupa susunan kapsul pipa berisi PCM.
1.5. Manfaat Perancangan
Manfaat yang diharapkan dalam penelitian ini adalah
a. memberikan referensi mengenai perancangan tangki PATS horizontal yang bersifat knocked down;
b. hasil perancangan dapat dijadikan acuan untuk melakukan penelitian selanjutnya;
4
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
2.1.1. Bejana Tekan Dinding Tipis
Popov (1978) mengatakan bahwa bejana tekan berdinding tipis adalah bejana yang memiliki dinding yang idealnya bekerja sebagai membran tanpa terjadi lenturan dari dinding tersebut. Bejana tekan dikatakan ideal bila isinya memiliki berat yang dapat diabaikan, contohnya seperti bola. Akan tetapi pada kenyataannya bejana berbentuk bola sangat sulit dalam pembuatanya, sehinga kebanyakan bejana tekan yang dibuat berbentuk silinder. Bejana tekan yang berbentuk silinder pada dasarnya memiliki sifat ideal akan tetapi memiliki kekurangan pada sambungan-sambungan lasnya.
Bahan tangki dipilih berdasarkan kekuatannya terhadap beban atau muatan dan tekanan kerja, serta kesetabilan fisik maupun kimiawi saat kontak dengan fluida kerja pada temperatur dan tekanan kerja, maupun kontak dengan udara luar. Bahan tangki dalam harus dapat menjamin tidak akan terjadi perubahan bentuk tangki yang berarti, akibat panas serta bebannya (SNI, 1992).
Bejana tekan harus didesain dengan kondisi yang paling ekstrim dari kondisi operasional normal. Retak pada bejana baja karbon diakibatkan oleh pecah ulet atau tekanan yang tinggi yang mendorong retak rapuh. Perubahan retak rapuh ke retak ulet tergantung ukuran butiran dan komposisi material yang merupakan sifat material tersebut (Sindelar & Lam, 1999).
2.1.2. Insulasi Termal
Bahan insulasi tangki yang digunakan harus mampu menahan kehilangan panas air didalam tangki seminimal mungkin, dapat memberikan tambahan kekuatan dan kekakuan tangki secara menyeluruh, misalnya: Polyurethane atau bahan lain dengan sifat-sifat yang setara atau lebih baik. Tangki PATS harus diberi insulasi sehingga faktor kehilangan panas total yang terjadi tidak lebih dari 1,75 W/m2.K (SNI, 1992).
Selain penyimpan kalor laten dan penyimpan kalor sensibel, rugi-rugi panas dipengaruhi oleh bahan insulasi, tebal insulasi dan waktu penyimpanan panas pada tangki. Material insulasi yang memiliki nilai konduktivitas rendah mampu untuk mengurangi rugi-rugi panas di dalam tangki. Semakin tebalnya insulasi yang digunakan maka semakin rendah pula rugi-rugi panas yang terjadi dan semakin lama pula waktu penyimpanan panas dalam tangki (Pikra dkk., 2010).
Firdaus dan Ferdinand (2014) pada penelitian alat pengering ikan yang dibalut insulasi menyatakan bahwa bahan insulasi dapat meredam panas dengan baik.Worrel (2015) menyatakan dalam penelitiannya mengenai peningkatan efisiensi energi dan penghematan untuk kilang minyak bahwa penggunaan insulasi dapat meningkatkan efisiensi energi pada unit utulitas sebanyak 30%.
Efektivitas insulasi termal dapat dilihat dari konduktivitas panasnya yang rendah karena hal itu dapat mempertahankan energi termal di dalam atau di luar sistem dengan mengurangi perpindahan kalor ke atau dari lingkungan luar. Sejumlah besar energi dapat hilang apabila tanpa menggunakan insulasi, insulasinya tidak efisien dan pemasangannya tidak benar (Siregar, 2015).
Ada bermacam-macam bahan insulasi yang tersedia di pasar, kebanyakan terutama terbuat dari fiberglass, wol mineral, polietilen, busa, atau kalsium silikat. Insulasi panas mampu menurunkan kehilangan panas, memberikan keuntungan sebagai berikut (Siregar, 2015).
1. Penurunan pemakaian bahan bakar.
3. Pencegahan korosi dengan menjaga permukaan terbuka sistim pendinginan di atas titik embun.
4. Perlindungan terhadap peralatan dari bahaya kebakaran. 5. Peredaman terhadap getaran
2.2. Landasan Teori
2.2.1. Energi Matahari
a. Radiasi Matahari dan Distribusinya
Matahari merupakan materi yang tersusun oleh gas yang sangat panas dengan diameter 1,39×109 m, dan jarak 1.5×1011m dari bumi. Matahari mempunyai temperatur permukaan efektif 5762 K (Munandar, 1995). Temperatur di daerah inti matahari berkisar 8×106 - 40×106 K dan densitasnya diperkirakan 100 kali lebih besar dari air. Matahari pada umumnya merupakan sebuah reaktor fusi kontinyu dengan gas penyusunnya tetap dipertahankan oleh gaya gravitasi. Energi yang dipancarkan oleh matahari berasal dari reaksi fusi. Energi tersebut diproduksi pada bagian dalam matahari dan terkirim ke permukaan dan kemudian diradiasikan ke luar angkasa.
Energi yang dihasilkan oleh matahari berupa energi panas dan energi cahaya digunakan makhluk hidup untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Intensitas radiasi matahari yang mencapai atmosfer bumi terluar cukup besar. Namun ketika menembus atmosfir maka 30% dari total radiasi terefleksi kembali ke ruang angkasa, dimana 70% sisanya terserap oleh awan, lautan, dan juga daratan (Duffie dan Beckman, 2013).
Energi yang mencapai permukaan bumi per tahunnya ada sekitar 3,9×1024 Joule = 1,08×1018 kWh dari energi matahari, jumlah ini kira-kira 10.000 kali lebih banyak dari permintaan energi primer secara global tiap tahunnya dan lebih banyak dari cadangan ketersediaan keseluruhan energi yang ada di bumi. Jadi, dengan memanfaatkan energi matahari secara optimal, dapat mencukupi seluruh kebutuhan energi di masa yang akan datang (Sianturi, 2016).
sudut matahari 32’ seperti pada Gambar 2.1. Radiasi yang diemisikan matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luas permukaan yang tegak lurus dengan arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. Pancaran radiasi permukaan matahari (Es) adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stevan-Boltzmann (σsb), temperatur absolut pangkat empat (Ts4), dan luas permukaan (π ds2).
= (2.1)
dimana σ = 5,67 × 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K, dan diameter matahari ds dalam meter. Garis tengah matahari (diameter matahari) 1.39 × 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata matahari dengan bumi 1.5 × 1011 m maka besar radiasi rata-rata persatuan luas dalam arah tegak lurus di luar atmosfir bumi adalah 1367 W/m2 (Jansen, 1995). Harga sebesar ini disebut konstanta matahari.
Gambar 2.1 Hubungan antara matahari dan bumi (Duffie dan Beckman, 2013)
karbon dioksida), serta penyebaran (disebabkan oleh molekul udara, partikel debu atau polusi). Pancaran yang baik terbaik terjadi pada siang hari dengan intensitas di permukaan bumi sebesar 1000 W/m2.
b. Radiasi Matahari pada Permukaan Bumi
Radiasi matahari yang dapat diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi tiga jenis, yaitu (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008):
1. Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation)
Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima permukaan bumi dari matahari dalam suatu garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinar matahari sejajar satu sama lain. Oleh karena itu radiasi langsung dapat meciptakan bayangan dan dapat dikonsentrasikan oleh cermin.
2. Radiasi tersebar (diffuse radiation)
Radiasi menyebar merupakan cahaya yang tersebar oleh atmosfer (udara, awan, aerosol). Difusi adalah fenomena menyebarnya cahaya matahari menuju ke segala arah. Sinar matahari disebarkan oleh molekul udara, butiran uap air (awan), dan debu. Tingkat penyebaran sinar matahari bergantung pada kondisi cuaca. Pada cuaca berawan radiasi menyebar dideskripsikan sebagai isotropik yaitu radiasi yang identik diterima dari segala arah.
3. Radiasi pantulan (albedo)
Gambar 2.2 Bentuk-bentu
Sonnenenergie, 2008)
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari tersebut (ketinggian matahari), baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi langsung dan baur.
Beberapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada atmosfer bumi antara lain se
1. Pengurangan intensitas karena refleksi (pemantulan) oleh atmosfer bumi. 2. Pengurangan intensitas ole
3. Pengurangan intensitas oleh karena 4. Pengurangan intensitas oleh karena
Radiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Ti
sehingga memiliki reflektivitas
Refleksi adalah pemantulan sebagian radiasi yang bergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler ditandai dengan bentuk radiasi matahari ke bumi (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008)
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari tersebut (ketinggian matahari), baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi langsung dan baur.
berapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada atmosfer bumi antara lain sebagai berikut (Quaschning, 2005).
Pengurangan intensitas karena refleksi (pemantulan) oleh atmosfer bumi. Pengurangan intensitas oleh karena penyerapan zat-zat di dalam atmosfer. Pengurangan intensitas oleh karena Rayleigh scattering.
Pengurangan intensitas oleh karena Mie scattering
adiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Tiga proses ini akan berdampak pada mat
reflektivitas (ρ), adsorpsivitas (ά), dan transmisivitas
Refleksi adalah pemantulan sebagian radiasi yang bergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler ditandai dengan (Deutsche Gesellschaft für
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari tersebut (ketinggian matahari), baik daya pancar maupun perbandingan antara
berapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada
Pengurangan intensitas karena refleksi (pemantulan) oleh atmosfer bumi. zat di dalam atmosfer.
adiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami ga proses ini akan berdampak pada material,
pantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul, sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan ke segala arah.
Absorbsivitas adalah besarnya nilai radiasi yang dapat diserap, contohnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Proses absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang penting dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena ini menyangkut efektifitas pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya.
Transmisi memberikan nilai besar radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan (absorbsivitas) suatu permukaan merupakan hal penting dalam pemanfaatan radiasi seperti pada pemanfaatan radiasi sinar matahari. Harga absorbsivitas berbeda-beda untuk setiap sudut radiasi yang datang. Menurut British Building Research untuk sudut datang dibawah 75°, harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas yang dimiliki oleh suatu benda (Quaschning, 2005).
2.2.2. Sistem PATS
Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi termal surya. Sistem ini layak untuk menggantikan listrik dan bahan bakar fosil yang digunakan untuk memanaskan air. PATS dapat diklasifikasi menjadi dua sistem yaitu sistem aktif dan sistem pasif seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.
a. Sistem Aktif
Pemanas air tenaga surya (PATS) sistem aktif adalah pemanas air dengan memanfaatkan energi matahari sebagai pemanas. Pendistribusian air membutuhkan energi listrik untuk menggerakan pompa dan perangkat pengontrol otomatis. Sistem ini juga dikenal sebagai sistem sirkulasi paksa. PATS sistem aktif digolongkan menjadi sistem aktif-langsung (direct/open loop) dan aktif-tak langsung (indirect/close loop) (Gambar2.4). PATS sistem aktif-langsung didefinisikan sebagai sistem pemanas air dimana kolektor memindahkan panas secara langsung ke tangki air panas tanpa perantara alat penukar kalor. PATS sistem aktif-tak langsung didefinisikan sebagai sistem pemanas air dimana perpindahan panas fluida tidak bercampur dengan fluida kerja yang di dalam tangki.
Gambar 2.4 PATS sistem (a) aktif-langsung dan (b) aktif-tidak langsung (Dwivedi, 2009)
b. Sistem Pasif
kolektor bergerak menuju tangki dan air dingin pada tangki mengalir ke kolektor. Hal ini akan terus berlanjut hingga temperatur di kolektor dan tangki sama.
Gambar 2.5 PATS sistem thermosyphon (Dwivedi, 2009)
Kualitas PATS bergantung pada kemampuan fisik dan termal sistem seperti kemampuan menyerap panas, menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi – rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan (Manurung, 2015). Komponen utama yang menunjang kinerja sistem PATS adalah sebagai berikut.
1. Kolektor matahari
Merupakan komponen utama dari pemanas air tenaga surya. Kolektor matahari menyerap radiasi dan mengubahnya menjadi panas. Kemudian panas yang dihasilkan ditransfer ke air yang ada di kolektor. Terdapat beberapa jenis kolektor penyerap panas yaitu Flat Plate Solar Collector System (kolektor flat) dan Evacuated Tube Solar Collector System
(a)
(b)
Gambar 2.6 (a) Flat plate collector (FPC), (b) Evacuated tube solar collector
(ETC) (Jamar, 2016)
2. Tangki penyimpanan
Merupakan tempat untuk menyimpan air yang telah dipanaskan dari kolektor penyerap panas. Supaya efisien dan efektif, tempat penyimpanan air panas ini dilapisi dengan lapisan insulasi yang mencegah agar panas tidak banyak yang terbuang (heat loss).
Gambar 2.7 Skema aliran air PATS sistem thermosyphon (Manurung, 2015) Keterangan :
1. Pipa Saluran Air Dingin 2. Tangki Penampungan Air 3. Kolektor
4. Pipa Saluran Air Panas
2.2.3. Definisi Bejana Tekan
Bejana tekan adalah wadah tertutup yang digunakan untuk berbagai macam keperluan baik di dunia industri maupun dalam kehidupan sehari-hari. Bejana tekan didesain untuk mampu menampung cairan atau gas yang memiliki temperatur dan tekanan yang berbeda dengan keadaan lingkungan (Purnomo, 2012).
dianggap sama. Gambar 2.8 menunjukkan distribusi tegangan radial pada kedua bejana tekan.
Gambar 2.8 (a) Bejana tekan berdinding tipis, (b) Bejana tekan berdinding tebal (Moss, 2004)
Bejana tekan saat ini sudah banyak digunakan didunia industri sebagai boiler, media reaksi kimia, reaktor ataupun media penampung atau penyimpanan. Bahkan saat ini bejana tekan memegang peran vital dalam dunia industri. Ukuran dari bejan tekan itu sendiri bervariasi dan tidak terbatas, sebagaian contoh ada yang berbentuk bola dan silinder.
a. Selimut Bejana (Shell)
Shell adalah salah satu bagian bejana tekan biasanya berupa silinder atau gabungan silinder dengan kerucut. Umumnya bejana tekan menggunakan shell
yang berupa silinder, dikarenakan lebih mudah dibuat dan lebih murah biaya produksinya (Gambar 2.9). Shell yang berbentuk silinder terjadi tegangan longitudinal dan circumferensial, hal ini disebabkan ketebalan dindingnya yang relatif tipis dibanding diameter, sehingga distribusi tegangan ke arah radial dianggap seragam dan tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan.
material. Tebal bejana tekan ditentukan melalui analisis tegangan pada dinding dan tegangan yang diijinkan oleh material yang digunakan (Moss, 2004).
Gambar 2.9 Dinding bejana (Megyesy, 2001)
b. Kepala Bejana (Head)
Head atau bagian ujung-ujung bejana tekan, berfungsi sebagai penutup sebuah shell dari bejana tekan (Gambar 2.10). Bentuk head sangat bervariasi, seperti hemispher, ellipsoidal, kerucut dan datar. Head yang biasa digunakan untuk tekanan rendah adalah bentuk ellipsoidal. Tangki bergerak pada kendaraan sering digunakan ellipsoidal dengan perbandingan mayor axis dan minor axis
adalah 3:1 (Purnomo, 2012).
Gambar 2.10 Kepala bejana (Megyesy, 2001)
c. Nosel
sesuai dengan tekanan kerja bejana tekan. Diameter nosel disesuaikan dengan diameter bukaan, sehingga tepat penggunanaanya. Beban pada nosel juga harus diperhitungkan, dikarenakan bejana tekan juga mendapat beban akibat berat dari nosel yang terpasang dinding bejan tekan (Purnomo, 2012).
d. Konsep Tegangan
Masalah utama dalam mekanika bahan adalah menyelidiki tahanan dalam dari suatu benda, yaitu gaya-gaya yang ada di dalam suatu benda yang mengimbangi gaya-gaya luar. Gaya yang ada di dalam merupakan vektor dalam dan bertahan pada keseimbangan terhadap gaya luar. Dalam mekanika bahan perlu menentukan intensitas dari gaya-gaya ini dalam berbagai potongan dengan tujuan untuk mengetahui kemempuan bahan tesebut (Dietmar, 2011). Biasanya intensitas gaya diuraikan menjadi tegak lurus dan sejajar dengan irisan yang dibuat. Penguraian intensitas gaya pada luas kecil yang tak berhingga diperlihatkan dalam Gambar 2.11. Intensitas gaya yang tegak lurus atau normal terhadap irisan disebut tegangan normal (normal stress) pada sebuah titik. Komponen yang lain dari intensitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas elementer adalah tegangan geser (shearing stress) (Popov, 1996).
Gambar 2.11 Metode irisan sebuah benda (Popov, 1996)
Secara matematis komponen dari tegangan normal dan tegangan geser didefinisikan oleh (Popov, 1996), yaitu:
= lim∆ → ∆∆ (2.3) dengan: = tegangan normal (N/m2)
ΔF = gaya tegak lurus terhadap potongan (kg.ms-2 atau N) ∆ = luas (m2)
= tegangan geser (N/m2)
∆ = gaya sejajar terhadap potongan (kg.ms-2 atau N)
e. Tegangan Membran
Sebuah bejana tekan berdinding tipis dengan jari-jari r dan tebal t (t « r) dan bejana terkena tekanan internal sebesar p yang menyebabkan tegangan pada dinding yang akhirnya perlu untuk diketahui besarnya. Diketahui bahwa t « r
maka tegangan kearah radial dapat diabaikan, maka terdapat dua tegangan yang saling tegak lurus (Popov, 1996).
Gambar 2.12 Diagram benda bebas bejana tekan (Popov, 1996)
= (2.4)
Seperti pada Gambar 2.12, sekarang bejana dipotong setengah lingkaran dengan panjang . Bagian horizontal dinding terkena tegangan sirkumferensial yang juga konstan terhadap ketebalan dinding, hal ini beraksi terhadap gaya yang beasal dari tekanan internal, persamaan kesetimbangan pada arah vertikal menjadi
= (2.5)
Persamaan (2.4) dan (2.5) menyatakan bahwa tegangan sirkumferensial dua kali dari tegangan longitudinal, oleh sebab itu mengapa bejana tekan terkena tekanan internal gagal karena retak pada arah longitudinal, karena itu perhitungan desain bejana tekan menggunakan tegangan sirkumferensial sebagai dasarnya (Popov, 1996). Untuk tegangan membran pada dinding bejana dengan perhitungan tekanan hidrosatik digunakan perhitungan kesetimbangan tegangan dan gaya pada arah longitudinal dan sirkumferensial (Purnomo, 2012).
2.2.4. Perpindahan Kalor a. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor dari partikel-partikel yang memiliki energi dalam tinggi menuju partikel berenergi dalam rendah pada suatu substansi. Jika ujung sebuah batang logam diletakkan di atas nyala api dan ujung yang satu dipegang, maka bagian yang dipegang ini semakin lama akan semakin panas walaupun tidak kontak langsung dengan api. Terdapatnya perbedaan temperatur pada logam memicu terjadinya perpindahan panas dari bagian bertemperatur tinggi ke temperatur yang rendah. Besar laju perpindahan panas (Q) berbanding lurus dengan luas bidang (A) dan perbedaan temperatur (dT/dx).Laju perpindahan kalor konduksi dinyatakan sebagai berikut.
Perpindahan panas pada bentuk silinder dengan jari-jari r dari pusat silinder, tabung, atau pipa yang panjangnya L dan mempunyai jari dalam r1 serta jari-jari luar r0 diilustrasikan seperti Gambar 2.13 (Holman, 2002).
Gambar 2.13 Aliran radial panas di dalam bejana (Holman, 2002) Luas bidang permukaan silinder dengan jari-jari r adalah
= 2 (2.7)
Sehingga
= − 2 (2.8)
Perpindahan panas dari permukaan dalam ke permukaan luar silinder adalah:
= ∫ = − 2 ∫ (2.9)
Batas integral temperatur adalah Ti dan T0, sedangkan batas integral r adalah ri dan r0. Maka dengan demikian penyelesaian untuk persamaan 2.9 adalah:
= ( ) (2.10)
Menurut persamaan 2.10 bahwa:
= (2.11)
Rth adalah tahanan termal yang harganya:
Dengan cara yang sama dan melibatkan konveksi pada setiap permukaan silinder, maka pipa dengan lapisan bahan komposit yang berbeda akan berlaku:
= + + + + (2.13)
b. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan molekul-molekul zat perantaranya. Perpindahan panas secara konveksi merupakan mekanisme perpindahan panas antara media benda terkait. Gambar 2.14 menunjukkan sebuah plat panas yang temperaturnya Tw mengalir fluida dengan kecepatan U∞ yang merata dengan temperatur T∞. Akibat terjadinya perbedaan temperatur maka panas akan terdistribusi dari plat ke fluida (Holman, 2002).
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat (Holman, 2002)
Untuk menyatakan konveksi secara menyeluruh digunakan hukum Newton tentang pendinginan:
= ℎ ( − ) (2.14)
dengan: A = luas permukaan (m2)
h = koefisien perpindahan kalor (W/m2.K) Tw = temperatur plat (K)
c. Radiasi
Radiasi merupakan proses peripandahan kalor yang tidak memerlukan medium perantara. Radiasi ini biasanya dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang berasal dari matahari karena adanya tumpukan energi termal pada semua benda Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Perpindahan panas radiasi (Incropera dkk, 2007)
Bila energi radiasi menimpa suatu benda, maka sebagian radiasi dipantukan, sebagian lagi diserap dan sebagian diteruskan seperti Gambar 2.16. Besarnya energi radiasi adalah:
Gambar 2.16 Pengaruh radiasi datang dan pantul (Holman, 2002)
= (2.15)
dimana: Q = laju perpindahan panas (W)
σsb = konstanta Stefan-Boltzmann (5,669.10-8 W/m2.K4) A = luas permukaan benda (m2)
2.2.5. Perhitungan Tangki a. Perhitungan Dimensi
Volume tangki dapat digunakan sebagai acuan dalam menghitung dimensi tangki. Rumus volume tangki adalah sebagai berikut:
= (2.16)
dimana V adalah volume tangki (liter), r adalah jari-jari tangki (cm), dan l adalah panjang tangki (cm). Jika volume tangki yang dirancang telah diketahui, maka akan didapat persamaan sebagai berikut.
= (2.17)
Kemudian untuk memperoleh nilai r, maka persamaan tersebut dapat disubtitusikan ke rumus luas permukaan tangki (L). Setelah itu rumus luas permukaan diturunkan. Setelah nilai r didapat maka nilai l juga akan diperoleh.
= +
= +
= + (2.18)
Luas minimum tangki diketahui dengan cara mendefinisikan persamaan (2.18) kemudian dinolkan:
= − =
=
= (2.19)
Persamaan (2.19) adalah jari-jari tangki agar luasnya minimum.
b. Perhitungan Ketebalan Tangki
bahwa tangki tersebut aman terhadap beban yang terjadi. Ketebalan tangki harus dirancang sedemikian rupa sehingga tekanan kerja maksimum tidak melebihi nilai-nilai yang telah ditetapkan. Penentukan ketebalan tangki dapat menggunakan konsep hoop stress. Hoop stress adalah tegangan yang bekerja pada arah tegak lurus dengan dinding tangki akibat tekanan dalam tangki. Besarnya hoop stress
adalah (Australian Standard, 1985):
( ) = . .. (2.20)
Harga Hs adalah tegangan yang terjadi pada tangki (kPa), p adalah tekanan air di dalam tangki (kPa), d adalah diameter shell (mm), r adalah radius kubah (mm), t
adalah tebal tangki (mm), dan Ƞ yaitu efisiensi penyambungan pada pengelasan tabung. Tebal tangki dapat dicari dengan persamaan berikut.
= . .. (2.21)
c. Perhitungan Kebutuhan Insulasi Tangki
Gambar 2.17 Tahanan termal pada bejana (Holman, 2002)
Rugi-rugi panas pada tangki penyimpan dalam sistem pemanas air tenaga surya merupakan energi termal yang hilang selama dilakukan penyimpanan
(Gambar 2.17). Pemilihan bahan isolasi, tebal isolasi, waktu penyimpanan, dan fluida yang menyimpan energi termal mempengaruhi nilai rugi-rugi panas. Penentuan ketebalan isolasi pada tangki sangat diperlukan untuk mengurangi nilai rugi-rugi panas yang terjadi. Ketebalan isolasi dapat dicari dengan menggunakan rumus kehilangan kalor sebagai berikut:
= ∆ = = (2.22)
dimana Qout adalah rugi-rugi panas (W), ΔT adalah perbedaan temperatur (°C), T1 adalah temperatur pada tangki (°C), T2 adalah temperatur pada insulasi (°C), dan
T∞ adalah temperatur lingkungan (°C). Rumus rugi-rugi panas di atas dapat dibuat menjadi beberapa persamaan sebagai berikut:
Antara Ti – T1
= = (2.23)
Antara T1 – T2
= = (2.24)
Antara T2 – T∞
= = = (2.25)
Antara Ti – T∞
= = (2.26)
=
= × + (2.27)
T2 dapat diketahui jika nilai r2 telah dketahui. Namun untuk mendapatkan nilai r2 perlu memperhitungkan rumus jari-jari kritis isolasi (rc) (Holman, 2002):
= (2.28)
dimana rc adalah jari-jari kritis isolasi (cm), k adalah konduktivitas bahan isolasi (W/m.K). Jika ri < rc maka tahanan termal total akan berkurang dan rugi-rugi termal akan meningkat seiring dengan bertambahnya tebal insulasi dan sebaliknya jika ri > rc maka penambahan tebal insulasi akan meningkatkan tahanan termal total dan rugi-rugi termal akan berkurang seperti pada Gambar 2.18.
hw adalah koefisien konveksi udara luar (W/m2.K). Setelah nilai rc didapat, maka nilai r2 dapat dicari (Duffie & Beckman, 2013).
= , + ( ) (2.29)
Syarat insulasi adalah bahwa faktor kehilangan panas total yang terjadi (U) tidak boleh lebih besar dari 1,75 W/m2.K (SNI, 1992). Oleh karena itu, setelah Qout diketahui maka dicek harga U dengan persamaan berikut.
= ∆ (2.30.a)
3.1. Bahan Perancangan
Bahan yang dirancang adalah tangki pemanas air kap sistem insulasi tangki.
3.2. Alat Perancangan
Perancangan tangki pemanas air tenaga surya kapasitas 60 liter menggunakan laptop. Laptop yang digunakan
spesifikasi sebagai berikut.
Tabel. 3.1. Spesifikasi ASUS A455L
Tipe Grafis Intel HD Graphics
Ukuran Layar 14″ HD Color Shine Resolusi
Layar 1366 x 768
CPU Intel Core i5
Memori/RAM 4GB DDR3 1600 Mhz Drive Optik DVD±RW
Gambar 3.1 Tangki dan insulasi Alat Perancangan
Perancangan tangki pemanas air tenaga surya kapasitas 60 liter menggunakan laptop. Laptop yang digunakan adalah ASUS A455L de
sebagai berikut.
Spesifikasi ASUS A455L
Intel HD Graphics 4400 + Nvidia GT 820M – 2GB ″ HD Color Shine
1366 x 768
Intel Core i5-4210U (up to 2.7 GHz) 4GB DDR3 1600 Mhz
4 Cells, Lithium-ion Battery 2600mAh 2.3Kg
Insulasi
Tangki
28 asitas 60 liter dan
Perancangan tangki pemanas air tenaga surya kapasitas 60 liter adalah ASUS A455L dengan
2GB
Penggambaran hasil perancangan tangki pemanas air tenaga surya kapasitas 60 liter mengunakan software Solidworks. Fungsi Solidworks yaitu untuk membuat desain produk dari yang sederhana sampai yang kompek seperti roda gigi, cashing handphone, mesin mobil, dan yang sebagainya. Software ini merupakan salah satu opsi lain diantara design software lainnya seperti Catia, Inventor, AutoCAD, dan lsin sebagainya.
3.3. Prosedur Perancangan
3.3.1. Diagram Alir Perancangan
Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 menunjukkan diagram alir perancangan yang dilakukan dari awal sampai akhir.
Gambar 3.3 Diagram alir perancangan (lanjutan)
Dari Gambar 3.2. dapat diketahui bahwa terdapat beberapa tahapan dalam peracangan tangki yaitu, menentukan dimensi tangki, menentukan tebal tangki dan menentukan kebutuhan (tebal) insulasi pada tangki.
3.3.2. Pemilihan Bahan Tangki
3.3.3. Perhitungan Dimensi dan Tebal Tangki
Dimensi tangki ditentukan berdasarkan konsep luas permukaan minimum. Ketebalan tangki dihitung menggunakan konsep hoop stress dan dome stress. Dimana tegangan ijin pada material digunakan sebagai acuan untuk perhitungan ketebalan tangki.
3.3.4. Menggambar Tangki Hasil Rancangan
Penggambaran desain tangki hasil rancangan menggunakan software SOLIDWORKS. Gambar tersebut disajikan dalam bentuk 2D dan 3D.
3.3.5. Pemilihan Material Insulasi
Material insulasi tangki yang digunakan harus mampu menahan laju perpindahan kalor di dalam tangki ke lingkungan seminimal mungkin. Materian insulasi yang digunakan pada perancangan adalah glasswool.
3.3.6. Perhitungan Jari-Jari Kritis
Jari-jari kritis insulasi ditentukan dengan konduktifitas bahan insulasi dan koefisien konveksi udara luar. Konduktivitas termal didapat dari ketentuan yang ada. Untuk koefisien konveksi udara luar dihitung berdasarkan kecepatan udara di sekitar dareah penelitian yang didapat dari penelitian sebelumnya.
3.3.7. Perhitungan Rugi Termal
Rugi termal ditentukan dengan perbandingan suhu yang terjadi di dalam tangki terhadap udara luar dan tahanan termal yang terjadi di dalam tangki ke lingkungan.
3.3.8. Penentuan Tebal Insulasi
3.4. Kesulitan Perancangan
Kesulitan yang dihadapi saat perancangan adalah sebagai berikut.
1. Tidak tersedianya data kondisi udara sekitar. Kesulitan ini diselesaikan dengan mengambil kecepatan udara dan temperatur udara lingkungan yang ada di penelitian sebelumnya.
33
BAB IV
HASIL PERANCANGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Pemilihan Bahan Tangki
Bahan material yang digunakan dalam perancangan tangki adalah plat baja
karbon. Baja karbon merupakan material yang mempinyaiyield strength cukup
tinggi. Selain itu, baja karbon dapat ditemui dengan mudah dipasaran dan harganya terjangkau. Baja karbon yang digunakan pada perancangan ini yaitu baja karbon A283 Gr. A dengan spesifikasi sebagai berikut.
Tabel 4.1 Tegangan ijin baja karbon (ASME, 2002) Spec.
No. Grade
Specified Min.
Strength (ksi) Basic Allowable StressTemperature (ksi) (°F) at Material
Tensile Yield 100 200 300
Syarat perancangan adalah volume tangki 60 liter. Volume tangki dihitung dengan persamaan (2.16).
=
atau
=
Harga yang telah diketahui dimasukkan sehingga:
Hasil si atas disubtitusikan ke persamaan (2.18).
= 2 + 2
= 2 + 2 60000
= 2 + 120000
Untuk mendapatkan heat loss minimum maka luas tangki harus minimum
sehingga persamaan di atas diturunkan dan dinolkan.
= 4 − 120000 = 0
4 = 120000
= 120000
4 = 21,2156 = 22
Jadi jari-jari tangki agar luasnya minimum adalah 22 cm, maka panjang tangki adalah:
= 60000
× 21 = 43,307 = 44
Berdasarkan perhitungan di atas, agar rugi-rugi kalor minimum maka panjang tangki sama dengan diameternya.
4.2.2. Ketebalan Shell
Tangki pemanas air tenaga surya yang dirancang menggunakan material plat baja karbon. Harga tegangan maksimum ( ) disajikan pada Tabel 4.1. Harga untuk plat baja karbon padasuhu 90 °C adalah 13,2 ksi. Data yang diketahui
adalah tekanan air pada tangki (p) adalah 1,5 bar atau 150 kPa, diameter tangki (d)
44 cm atau 440 mm dan efisiensi penyambungan padauntuk pengelasan tabung
tanpa pengujian (Ƞ) adalah 0,6 (Tabel 4.2). Ketebalan tangki dicari dari
Tabel 4.2 Efisiensi penyambungan pada pengelasan (Bhandari, 2010)
Ketebalan pada dinding tangki (shell)
Syarat:
<
>
maka
> . ..
>2 × (13,2 × 6894,757) kPa × 0,6150 kPa × 440 mm
> 0,604
Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan tebal dinding tangki (shell) dan
tebal pada kepala/tutup tangki. Tebal pada dinding tangki (shell) harus lebih besar
dari 0,604 mm.
4.2.3. Hasil Perancangan Tangki
Berdasarkan hasil perhitungan di atas maka tangki yang dirancang memiliki
panjang 44 cm, diameter 44 mm, tebal shell minimum 0,604 mm seperti Gambar
Gambar 4.1 Skema hasil rancangan ideal
Rancangan ideal sulit untuk direalisasikan karena panjang tangki terlalu pendek dibanding kolektor sehingga pipa outlet dari kolektor ke tangki bagian
atas besar dan berbolak-belok yang nantinya mengganggu aliran thermosyphon.
Kemudian plat yang tipis menyulitkan proses produksi tangki. Modifikasi terhadap rancangan ideal dilakukan demi menunjang operasional PATS maka
tangki yang dirancang memiliki panjang 122 cm, diameter 25, tebal shell 2 mm
seperti Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Skema modifikasi racangan ideal
Perbandingan antara rancangan ideal dan modifikasi terletak pada penginstalasian jalur pipa yaitu jarak pipa outlet dari kolektor ke tangki bagian atas menjadi lebih kecil dari rancanagan yang ideal dan tidak terlaku
berbolak-belok sehingga tidak mengganggu aliran thermosyphon. Proses produksi jadi lebih
mudah karena plat yang digunakan lebih tebal dari rancangan yang ideal.
Perancangan hasil modifikasi dilanjutkan dengan mengambarkan dalam bentuk 3D dan 2D seperti pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4.
4.3. Perancangan Insulasi Tangki
4.3.1. Material Insulasi
Glasswool merupakan bahan yang akan digunakan sebagai insulasi dengan konduktivitas 0,038 W/m.K seperti ditunjukkan Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Konduktivitas termal (Holman, 2002)
4.3.2. Jari-Jari Kritis
Nilai koefisien perpindahan panas konveksi lingkungan dicari dengan
persamaan (2.29). Kecepatan angin rata-rata adalah 2,28 m/s dan temperatur
rata-rata udara luar adalah 32,55 °C (Nadjib, 2015). Koefisien perpindahan panas konveksi lingkungan adalah:
Maka:
ℎ = 2,8 + 3(2,28) = 9,64 .
Berdasarkan harga-harga k dan hw di atas maka jari-jari kritis insulasi adalah:
=
= 0,038 .
9,64 .
= 0,00394 = 3,94
Hasil perhitungan menunjukan bahwa jari-jari kritis jauh lebih kecil dari pada jari-jari luar tangki (= 122,4 mm). Oleh karena itu berapapunpenambahan
insulasi akan memperbesar hambatan total mengurangi heat loss ke
lingkungan(Incropera dkk, 2007).
4.3.3. Tebal Insulasi
Untuk mengetahui kalor total yang hilang dan koefisien perpindahan panas secara keseluruhan di setiap tahapannya maka perlu dilakukan perhitungan
tahanan totalnya. Diketahui bahwa suhu air (Ti) 90 °C, suhu di lingkungan (T∞)
32,55 °C, panjang tangki 125 cm, koefisien perpindahan kalor konveksi
lingkungan adalah 9,64 W/m2.K, jari-jari luat tangki (r
1) sebesar 0,127 m. Dengan
= 48,25 ℃
= − = −
+ +
= , 90 − 32,55
,
. . . , +
, ,
. . , . , + . . , . , . ,
= 160,015
= ∆ = ∆
= 2. . 0,137.1,22. (90 − 32,55)160,015
= 2,65 /
42
Tahanan termal (m.K/W) Kalor
yang
tangki Konduksi insulasi Konveksi Total
Berdasarkan tabel 4.4 diketahui bahwa semakin tebal insulasi yang digunakan maka harga koefisien perpindahan kalor semakin kecil. Ketebalan insulasi yang dipilih yaitu 1,7 cm dengan harga koefisien yang terjadi sebesar
1,7246 W/m2.K.
4.4. Alat Penukar Kalordi Dalam Tangki
Salah satu pengembangan teknologi PATS adalah meningkatkan kemampuan penimpanan energi termal di dalam tangki. Untuk tujuan tersebut
maka di dalam tangki dapat diisi dengan material phase change material (PCM).
PCM dimasukan ke dalam kapsul pipa yang tersusun sedemikian rupa sehingga membentuk alat penukar kalor (APK) yang terpasang sejajar dengan sumbu pipa.
Desain susunan kapsul APK secara umum terdiri dari dua tipe yaitu susunan
segaris (in-line) dan susunan selang-seling (staggered)(Koestoer, 2002).
Berdasarkan dua jenis susunan tersebut, dilakukan penggambaran jumlah kapsul yang mungkin terpasang di dalam tangki seperti Gambar 4.5 dan Gambar 4.6.
Gambar 4.5 Susunan pipa APK (a) in-line 1/2”, (b) in-line 5/8”, (c) in-line 3/4"
dan (d) in-line 1”
(a) (b)
Gambar 4.6 Susunan pipa APK (a) staggered 1/2", (b) staggered 5/8”,
(c) staggered 3/4" dan (d) staggered 1”
Hasil penggambaran di atas telah mempertimbangkan kebutuhan penyangga kapsul. Adapun ringkasan penggambaran dijadikan dalam Tabel 4.5. Tabel tersebut juga memberikan volume kapsul total untuk panjang kapsul 1 m.
Tabel 4.5 Jumlah pipa alat penukar kalor di dalam tangki
No Diameter pipa
Jumlah pipa untuk susunan
(buah) Volume total pipa (m³)
NPS
(Inci) (mm) DN In-line Steggered In-line Steggered
1 1/2" 15 148 147 0,0262 0,0260
2 5/8" 18 112 107 0,0285 0,0272
3 3/4" 20 76 73 0,0239 0,0229
4 1" 25 44 45 0,0216 0,0221
Berdasarkan Tabel 4.5 diketahui bahwa volume total pipa terbesar adalah
0,0285 m3 untuk susunan pipa in-line, diameter pipa 5/8”.
(a) (b)
45
5.1.Kesimpulan
Kesimpulan dari perancangan ini adalah sebagi berikut. 1. Hasil perancangan tangki PATS adalah:
a. Bahan : baja karbon
b. Volume : 60 liter
c. Diameter : 44 cm
d. Panjang : 44 cm
e. Tebal shell : 0,604 mm
2. Berdasarkan pertimbangan aspek operasional dan kesediaan bahan di pasar maka hasil rancangan pada butir 1 diubah yakni:
a. Diameter : 25 cm
b. Panjang : 122 cm
c. Volume : 60 liter
d. Tebal shell : 2 mm
3. Bahan insulasi termal adalah glasswool. Tebal insulasi sebesar 1,7 cm dengan harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh yaitu 1,7246 W/m2.K. Harga koefisien ini berada dibawah ketentuan SNI yaitu 1,75
W/m2.K.
4. Jumlah kapsul yang menghasilkan volume maksimum adalah 112 buah
untuk diameter pipa 5/8”. Susunan alat penukar kalor untuk kondisi diatas adalah in-lene.
5.2.Saran
Saran yang disampaikan adalah:
1. Hasil perancangan dapat segera dibuat bendanya.
3. Benda yang sudah dibuat segera di uji coba agar dapat diketahui hasilnya.
4. Penambahan alat penukar kalor berupa susunan kapsul pipa berisi PCM
47
PJP II”, Mitra Technology Indonesia Foundation, Jakarta.
ArismunandarW., 1995. “Teknologi Rekayasa Surya”, PT Pradya Paramita, Jakarta.
ASME, 2002. “Boiler and Pressure Vessel Code”, The American Society of Mechanical Engineers, New York.
Australian Standard, 1985. Storage Water Heater. DalamSpecific Requirements for Water Heaters with Single Shells. D.C. Authority. Standard Association of Australia, North Sydney.
Bhandari, V. B., 2010. “Design of Machine Elements”, Tata McGraw Hill Education Private Limited., New York.
Canbazoglu, S., Sahinaslan, A., Ekmekyapar, A., Aksoy, Y.G. dan Akarsu, F., 2005. Enhancement of Solar Thermal Energy Storage Performance Using Sodium Thiosulfate Pentahydrate of a Conventional Solar Water-Heating System, Energy and Buildings, pp. 235 – 242.
Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008. ”Planning and Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers”,
Earthscan, London. Tank”, University of Strathclyde, Glasgow.
Firdaus, A., dan Ferdinand, D., 2014. “Pengaruh Tebal Isolasi Termal Bahan Glasswool Terhadap Laju Pengeringan Ikan Pada Alat Pengering Ikan”,SNTMUT, Ke 5, hal 1–6.
Holman, J. P., 2002. “Heat Transfer”, McGraw-Hill Higher Education, New York.
Incropera, F. P., Bergman, T. L., Lavine, A. S., & Dewitt, D. P. 2007. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John Wiley & Sons, Jefferson.
Jamar, A., Majid, Z., Azimi, W., Norhafana, M., & Razak, A., 2016. “A review of water heating system for solar energy applications”,International Communications in Heat and Mass Transfer, pp. 178 –187.
Jansen, T. J., 1995. “Teknologi Rekayasa Surya”, PT Pradya Paramita, Jakarta. Koestoer, R. A., 2002. “Perpindahan Kalor : untuk Mahasiswa Teknik”,Salemba
Teknika, Jakarta.
Manurung, A. J., 2015. “Rancang Bangun Prototipe Alat Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas”, Universitas Sumatera Utara, Medan.
Megyesy, E. F., 2001. “Pressure Vessel Handbook”, Pressure Vessel Publishing, Inc., Tulsa.
Moss, R. D., 2004. “Pressure Vessel Design Manual”, 3th ed.Gulf Profesional Publishing, New York.
Nadjib, M., dan Suhanan., 2013. “Studi Eksperimental Penyimpanan Energi Termal Proses Charging Pada Pemanas Air Tenaga Surya Thermosyphon Menggunakan Air dan Paraffin Wax Sebagai Material Penyimpan
Kalor”,Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XII. Bandar Lampung:
SNTTM XII. hal. 355-359.
Nadjib, M., 2015. Kajian Ekperimental Pemanas Air Tenaga Surya Domestik "Sibela". Laporan Penelitian HKI, Program Studi Teknik Mesin FT UMY, Yogyakarta.
Pikra, G., Salim, A., Admono, T., dan Devi, M. I., 2010. “Analisis Rugi-Rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari”,Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology, hal. 13-18.
Popov, E. P., 1996. “Mekanika Teknik”, Edisi Kedua. Erlangga, Jakarta.
Quaschning,V., 2005. “Understanding Renewable Energy Systems”, Earthscan, London.
Sianturi, A. S., 2016. “Pengaruh Penambahan Reflektor Cermin Datar Terhadap
Daya Keluaran Polycrystalline”, Universitas Sumatra Utara, Medan. Sindelar, R. L., dan Lam, P.S., 1999. “Flaw Stability in Mild Steel Tanks in the
Upper-Shelf Ductile Range - Part II: J-Integral-Based Fracture Analysis”,ASME Pressure Vessel and Piping Conference, Volume 122, No.2, pp. 169-173.
SNI. 1992. “Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Domestik Sistem Termosifon
Langsung Dengan Pemanas Tambahan”, No. 3021:1992, Badan
Standardisasi Nasional, Jakarta.
Siregar, A. P., 2015. “Perancangan Dan Konstruksi Insulation MaterialPada Elemen Pemanas Mesin Mixer Kapasitas 6,9 Liter Dan Putaran 280 Rpm”, Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.
Worrell, E., Corsten, M., dan Galitsky, C., 2015. “Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Petroleum Refineries”,EPA Energy Star, Washington.
Zainuddin, 2014. “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas 25 Liter”,
