PEMANAS AIR SURYA Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan

(1)

PEMANAS AIR SURYA

Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan

TUGAS SARJANA

Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung

Oleh

Rahadian Effendi

13101088

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2008

(2)

Tugas Sarjana

Judul PEMANAS

AIR

SURYA

Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan

Rahadian Effendi

Program Studi

Teknik Mesin

13101088

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

Abstrak

Perancangan, pembuatan, instalasi dan pengujian dari pemanas air surya telah

dilakukan. Pemanas air tersebut dirancang dengan kapasitas 300 liter dan luas

total kolektor surya 2,8 m

2

. Aliran air didalam sistem terjadi secara natural

(thermosyphon). Pemanas air tersebut dipasang di rumah tinggal di daerah

Bandung dan diuji secara riil selama dua bulan berturut-turut.

Pengujian lapangan dilakukan untuk mengetahui sejarah temperatur tangki

ketika sistem beroperasi. Selain itu pengujian dilakukan untuk mengetahui

efisiensi harian sistem pemanas air surya. Dilakukan juga perhitungan teoritik dan

membandingkan hasilnya dengan hasil pengujian.

Hasil pengujian menunjukkan air panas dalam tangki dapat melebihi 50 °C

pada hari yang cerah dan 40 °C pada hari yang mendung. Efisiensi rata-rata harian

sistem adalah 30,64%. Perbandingan hasil perhitungan dan hasil pengukuran

menunjukkan adanya perbedaan, akan tetapi secara keseluruhan perbedaan ini

tidak signifikan.

Prediksi sejarah temperatur tangki pada hari sangat cerah (Intensitas radiasi

maximum 1000 W/m

2

) menunjukkan bahwa sistem dapat mencapai temperatur

55 °C pada pukul 14:36. Secara umum performansi sistem pemanas air surya yang

dibuat adalah cukup baik.

(3)

Final Project Title SOLAR WATER HEATER

Production, Instalation and Field Test

Rahadian Effendi

Major Mechanical Engineering 13101088 Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics

Institute of Technology Bandung Abstract

Design, production, installation and field test of a solar water heater have been done. This water heater is designed with 300 litre capacity and 2.8 m2 total area of solar collector. Water flow inside the system occured naturally (thermosyphon). This water heater is installed on a residence in Bandung area and tested for directly two months.

Field test is done to know the history of water temperature inside the tank while the system is operating. Besides that, the purpose of the test is to know the daily mean efficiency of this solar water heater. Theoretical calculation also has been made and the results are compared with test results.

Test results show that the hot water inside the tank can surpasses 50 °C in sunny days and reaches 40 °C in cloudy days. Daily mean efficiency of the system is 30.64%. Comparation of theoretical calculation and test results are differ, but overall, this differences is not significant.

The prediction of temperature history in very sunny days (maximum intensity of radiation is 1000 W/m2) show that the system can reach temperature of 55 °C at 14:36 in the first day. Overall, the performance of this solar water heater is fairly good.

(4)

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap Alhamdulillah, segala puji kepada Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Tugas sarjana dengan judul “Pemanas Air Surya; Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan” diajukan sebagai prasyarat kelulusan program sarjana di Program Studi Teknik Mesin, FTI – ITB.

Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah memberikan sumbangan besar dalam penyelesaian tugas sarjana ini, antara lain:

• Bapak Dr. Ir. Abdurrachim Halim sebagai pembimbing yang telah memberikan ilmu dan nasehat-nasehatnya.

• Ibu, Ayah, Didit dan sanak keluarga lainnya yang telah mendorong dan mendoakan penulis untuk menyelesaikan tugas sarjana ini.

• Bapak Oman, Bapak Koswara, Bapak Jimmy, Bapak Endang, Bapak Istiono, Bapak Enjang dan karyawan Laboratorium Surya lainnya atas bantuan dan kerja samanya.

• Bapak dan Ibu Anom yang telah mengizinkan penulis untuk melakukan pengujian di rumahnya.

• Bapak dan Ibu Waslim dan karyawan Apotek Mona lainnya, atas kebaikan hati dan keramahannya.

• Sahabat-sahabat dekat penulis: Arif a.k.a Tatang, Irwan, Andra, Wahid, Ari, Leo, dan alm. Andre yang telah berbagi suka dan duka dengan penulis.

• Teman-teman asisten Laboratorium Surya antara lain Rexa, Juli, Adrie, Ferdinan, Andra, Iwan, Putro, serta teman-teman M01 yang tidak bisa disebutkan satu per satu, atas bantuan, saran, dan persahabatannya selama ini.

(5)

ii Tak lupa penulis mengucapkan pula permintaan maaf apabila ada kesalahan yang dilakukan. Demikian kata akhir dari penulis, semoga tugas akhir ini sungguh bermanfaat bagi masyarakat. Saran dan kritik yang membangun akan selalu ditunggu.

Bandung, 3 Februari 2008

(6)

DAFTAR ISI

Hal Halaman Judul Lembaran Pengesahan Abstrak Abstract Kata Pengantar i

Daftar Isi iii

Daftar Tabel vi

Daftar Gambar vii

BAB I Pendahuluan 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Tujuan 2 1.3 Batasan Masalah 2 1.4 Metode Penyelesaian 2 1.5 Sistematika Penulisan 3

BAB II Teori Dasar 4

2.1 Pemanas Air Surya Pelat Datar 4 2.1.1 Kolektor Pelat Datar 5 2.1.2 Tangki Penyimpan Air 6

2.1.3 Pelat Penutup 8

2.1.4 Permukaan Pelat Absorber 9 2.2 Teori Kolektor Pelat Datar 9

2.2.1 Persamaan Kesetimbangan Energi pada Kolektor Pelat Datar 9 2.2.2 Koefisien Kehilangan Panas Kolektor Keseluruhan 11 2.2.3 Faktor Efisiensi Kolektor 15

2.2.4 Heat Removal Factor 17 2.2.5 Performansi Kolektor 18

(7)

iv 3.1 Perancangan Komponen Utama 20

3.1.1 Kolektor 21

3.1.2 Tangki Air Panas 23

3.2 Pemilihan Material 24

3.2.1 Tangki Air Panas 24

3.2.2 Kolektor 24

3.2.3 Pipa Penghubung Kolektor dan Tangki Air Panas 25

3.3 Proses Produksi 26

3.3.1 Kolektor 26

3.3.1.1 Absorber 26

3.3.1.2 Rumah Kolektor 30 3.3.2 Tangki air panas 33 3.3.2.1 Tangki dan Pemipaan 33 3.3.2.2 Rumah Tangki 35 3.3.3 Penyambungan Kolektor dengan Tangki Air Panas 38

3.4 Instalasi 39

BAB IV Pengujian 42

4.1 Pengujian 42

4.1.1 Sistematika Pengujian 42 4.1.2 Data Hasil Pengujian 45 4.2 Perbandingan Hasil Pengujian terhadap Teoritik 69 4.2.1 Formulasi Matematika dan Diagram Alir Perhitungan 69 4.2.2 Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Perhitungan 77

4.3 Analisis 90

4.3.1 Sejarah Temperatur 90 4.3.2 Efisiensi Harian Sistem 91 4.3.3 Perbandingan Hasil Pengujian dengan Teoritik 94 4.3.4 Prediksi Sejarah Temperatur Tangki pada Hari Cerah 95

BAB V Penutup 98

5.1 Kesimpulan 98

(8)

DAFTAR PUSTAKA 99 LAMPIRAN A

(9)

vi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat-sifat kaca 8 Tabel 4.1 Data pengujian 12 November 2007 45 Tabel 4.2 Data pengujian 13 November 2007 45 Tabel 4.3 Data pengujian 14 November 2007 46 Tabel 4.4 Data pengujian 15 November 2007 46 Tabel 4.5 Data pengujian 16 November 2007 47 Tabel 4.6 Data pengujian 17 November 2007 47 Tabel 4.7 Data pengujian 19 November 2007 48 Tabel 4.8 Data pengujian 20 November 2007 48 Tabel 4.9 Data pengujian 21 November 2007 49 Tabel 4.10 Data pengujian 22 November 2007 49 Tabel 4.11 Data pengujian 23 November 2007 50 Tabel 4.12 Data pengujian 26 November 2007 50 Tabel 4.13 Data pengujian 27 November 2007 51 Tabel 4.14 Data pengujian 28 November 2007 51 Tabel 4.15 Data pengujian 3 Desember 2007 52 Tabel 4.16 Data pengujian 4 Desember 2007 52 Tabel 4.17 Data pengujian 5 Desember 2007 53 Tabel 4.18 Data pengujian 6 Desember 2007 53 Tabel 4.19 Data pengujian 7 Desember 2007 54 Tabel 4.20 Data pengujian 8 Desember 2007 54 Tabel 4.21 Data pengujian 12 Desember 2007 55 Tabel 4.22 Data pengujian 13 Desember 2007 55 Tabel 4.23 Data pengujian 14 Desember 2007 56 Tabel 4.24 Data pengujian 15 Desember 2007 56 Tabel 4.25 Efisiensi harian sistem pemanas air surya 93 Tabel B.1 Perhitungan teoritik tanggal 12 Desember 2007

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pemanas air surya pelat datar 4 Gambar 2.2 Sirkulasi alami pemanas air surya 5 Gambar 2.3 Kolektor pelat datar untuk air 6 Gambar 2.4 Tipikal tangki penyimpan air panas 7 Gambar 2.5 Rangkaian thermal kolektor dengan satu pelat penutup 11 Gambar 2.6 Rangkaian thermal ekivalen kolektor pelat datar 12

Gambar 2.7 Konfigurasi pipa dan absorber 15 Gambar 2.8 Efisiensi sirip untuk pipa dan absorber kolektor matahari 16

Gambar 2.9 Efisiensi kolektor sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk 19 Gambar 3.1 Denah penempatan pemanas air pada rumah 21 Gambar 3.2 Diagram alir perancangan pemanas air tenaga surya 23 Gambar 3.3 Pipa kuningan dan tembaga setelah dipotong sesuai ukuran 26 Gambar 3.4 Penyambungan pipa tembaga dengan menggunakan proses brazing 27 Gambar 3.5 Pipa kuningan dilubangi dengan mata bor 16 mm 27 Gambar 3.6 Ujung pipa tembaga digerinda 27 Gambar 3.7 Proses brazing untuk penyambungan pipa 28 Gambar 3.8 Proses brazing untuk penyambungan sirp dan pipa 28

Gambar 3.9 Absorber 30 Gambar 3.10 Bagian alas, samping dan penguat rumah kolektor 31

Gambar 3.11 Bagian samping kolektor ditekuk dan dipotong 31 Gambar 3.12 Bagian samping kolektor dilubangi 32 Gambar 3.13 Rumah Kolektor 32 Gambar 3.14 Tangki 33 Gambar 3.15 Pipa-pipa pada tangki 34 Gambar 3.16 Tangki setelah pengelasan 35 Gambar 3.17 Rangka rumah tangki 36 Gambar 3.18 Bentuk akhir rumah tangki air panas (tampak luar) 37

(11)

viii Gambar 3.19 Sistem pemanas air surya 39 Gambar 3.20 Kawat penyangga tangki 40 Gambar 3.21 Kawat penyangga kolektor 40 Gambar 3.22 Skema instalasi Sistem pemanas air surya 41 Gambar 3.23 Sistem pemanas air surya yang telah terinstalasi 41 Gambar 4.1 Pipa untuk mengukur temperatur air panas tangki 42 Gambar 4.2 Pengeluaran air untuk pengukuran temperatur air panas tangki 43 Gambar 4.3 Termokopel tipe K 44

Gambar 4.4 Alat ukur intensitas radiasi global, pyranometer 45 Gambar 4.5 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

tanggal 12 November 2007 57 Gambar 4.6 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 57

tanggal 13 November 2007 Gambar 4.7 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 58

tanggal 14 November 2007 Gambar 4.8 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

tanggal 15 November 2007 58 Gambar 4.9 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 59

tanggal 16 November 2007 Gambar 4.10 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 59

tanggal 17 November 2007 Gambar 4.11 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

tanggal 19 November 2007 60 Gambar 4.12 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

(12)

Gambar 4.15 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

tanggal 3 Desember 2007 64 Gambar 4.20 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian

tanggal 15 Desember 2007 68 Gambar 4.29 Kesetimbangan energi pada kolektor 69

(13)

x Gambar 4.31 Efisiensi kolektor sebagai fungsi temperatur inlet 73 Gambar 4.32 Kesetimbangan energi di tangki penyimpan 74 Gambar 4.33 Diagram alir perhitungan 76 Gambar 4.34 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil

pengujian tanggal 12 November 2007 77 Gambar 4.35 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil

(14)

Gambar 4.48 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil

pengujian tanggal 3 Desember 2007 84 Gambar 4.49 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil

pengujian tanggal 15 Desember 2007 89

Gambar 4.58 Efisiensi harian sistem pemanas air surya 94 Gambar 4.59 Radiasi matahari vs waktu untuk hari cerah dan hari sangat mendung 95

Gambar 4.60 Perbandingan hasil model radiasi dengan data pengukuran

tanggal 19 November 2007 96 Gambar 4.61 Prediksi temperatur tangki pada hari cerah pertama 97