MAKALAH OPERASI SISTEM ENERGI II “ SOLAR WATER HEATHER “
Di susun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Operasi Sistem Energi II
Oleh :
Angga Kurniawan 131711034
Ari Teresa 131711036
Asep Barkah Muhadi 131711038
Ferly Asri 131711042
Ilham Nursyaban S. 131711044
Indrabayu 131711045
Kelas : 3A
Dosen Pebimbing : Maridjo
JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI
PROGRAM STUDI D-III TEKNIK KONVERSI ENERG POLTEKNIK NEGERI BANDUNG
Abstrak
Pada saat ini, kebutuhan energi semakn mendesak sedangkan persediaan energi fosil semakin menipis karena energi fosil merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui. Belakangan ini terus dilakukan beberapa usaha penghematan energi fosil dengan pengembangan energi alternatif yang ramah lingkungan. Salah satunya yaitu dengan pemanfaatan energi surya (energi matahari). Energi surya adalah salah satu energi alternatif yang dirasakan sangat sesuai dengan kondisi saat ini karena disamping murah juga bersifat renewable (terbarukan) dan tersedia sangat melimpah didaerah tropis. Upaya pemanfaatan energi surya salah satu nya adalah dengan menerapkan teknologi sederhan yaitu kolektor surya. Kolektor surya merupakan salah satu contoh alat konversi photothermal yang memanfaatkan energi matahari untuk dirubah menjadi energi kalaor yang bisa dimanfaatkan sebagai pemanas air. Dengan kolektor surya dapat di serap energi matahari untuk memanaskan air, sehingga energi pans matahari dapat dimanfaatkan dengan baik.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sebagai negara yang terletak di katulistiwa, Indonesia memperoleh radiasi surya yang cukup melimpah dengan rata-rata 4,5 kWh/m2/hari. Radiasi surya ini dapat dikonversikan menjadi energi termal yang berguna, misal untuk pemanasan air dan udara (pengeringan), pompa air, desalinasi air laut/payau, dan pengkondisian udara. Metoda untuk pengkonversian tersebut dibahas secara rinci pada Teknologi Termal Surya (Solar Thermal Technology).
Salah satu teknologi termal surya yang secara komersial telah tersebar luas adalah sistem Pemanas Air Tenaga Surya (Solar Water Heater) disingkat PATS. Pemanfaatan solar water eater di indonesia saat ini masih terbilang sangat rendah, sementara itu untuk kebutuhan pemanas air masih banyak digunakan energi listrik. Sejatinya apabila energi surya yang melimpah di indonesia dapat dimanfaatkan dapat mengurangi konsumsi energi listrik yang selama ini digunakan untuk solar water heater.
Oleh karena itu pada kesempan kali ini kami akan merancang sebuah solar water heater (pemanas air yang memanfaatkan energi surya) yang digunakan untuk kebutuhan air panas sehari-hari. Dalam hal ini solar water heater yang dirancang adalah untuk kebutuhan air pans yang di gunakan oleh 5 orang dalam kehidupan sehari-hari.
1.2 Tujuan
- Untuk memanfaatkan energi surya sebagai sumber energi solar water heater - Mendesain solar water heater untuk kebutuhan 5 orang
1.3 Batasan Masalah
Laporan ini membahas mengenai desain solar water heater untuk kebutuhan 5 orang. 1.4 Metode Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan dengan beberapa metode diantaranya :
1. Metode Observasi
Cara memperoleh data dengan metode ini dilakukan dengan melakukan observasi langsung ke lokasi pengolahan air ketel di laboratorium bawah teknik energy.
2. Metode Studi Pustaka
Data diperoleh dengan mencari referensi dari berbagai buku yang bersangkutan dengan sistim pengolahan air ketel.
3. Metode Browsing Internet
Metode ini mudah untuk dilakukan, data yang kita butuhkan cukup diambil dari internet dengan cara browsing dan data yang diinginkan dapat disesuaikan dengan kebutuhan kita.
1.4 Sistematika Penulisan Laporan
Laporan ini terdiri dari 4 Bab yaitu Bab I pendahuluan membahas mengenai air dan sistem pengolahan air secara umum, Bab II dasar teori membahas mengenai bagaimana sistem pengolahan air ketel di laboratorium bawah teknik konversi energi, Bab III data, analisis dan pembahsan berisi mengenai data hasil pengamatan beserta analisi perhitungannya dan terakhir Bab IV kesimpulan dan saran.
LANDASAN TEORI
2.1 Energi Matahari.
Radiasi matahari dapat digunakan untuk menghasilkan energi termal untuk air, bisa juga digunakan sebagai sumber pemanas pada siklus pemanas mesin sebagai tenaga gerak. Kegunaan yang lain dari energi matahari adalah menghasilkan listrik dari melalui penggunaan sel
photovolyalic.
Kata photovoltaic berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. Photovoltaic merupakan sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik.
Efek photovoltaic pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisik berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun 1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar.
Meskipun selenium gagal mengkonversi cukup listrik dari cahaya untuk menjalankan suatu peralatan, mereka berhasil membuktikan bahwa material padat dapat menghasilkan listrik tanpa panas ataupun bagian yang bergerak. Pada perkembangan berikutnya seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern.
Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt. Saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5 hingga 15 persen tergantung material
Masalah yang paling penting untuk merealisasikan sel surya sebagai sumber energi
alternatif adalah efisiensi peranti sel surya dan harga pembuatannya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik yang dihasilkan oleh peranti sel surya dibandingkan dengan jumlah energi cahaya yang diterima dari pancaran sinar matahari.
2.2 Pemanas air surya (solar water heather)
Salah satu teknologi termal surya yang secara komersial telah tersebar luas adalah sistem Pemanas Air Tenaga Surya (Solar Water Heater) disingkat PATS. Radiasi surya memiliki intensitas yang relatif rendah sehingga untuk memperbesar proses penyerapannya diperlukan kolektor dengan luas permukaan yang besar dan kolektor ini menjadi komponen utama PATS. Kolektor ini
selanjutnya mengkonversikan radiasi surya menjadi energi panas yang terkandung di dalam fluida kerja.
KOMPONEN KOLEKTOR SURYA
Gambar 1. Komponen kolektor datar pemanas air
Tabel 1. Konduktivitas termal bahan dasar absorber
Lembaran kaca transparan dengan tebal 5 mm dipakai sebagai penutup permukaan kolektor, berfungsi bukan sekedar sebagai alat pelindung kolektor dari perusakan oleh faktor luar (misal hujan), tetapi juga karena sifatnya sebagai penjebak panas atau gelombang infra merah. Seperti diketahui bahwa kaca memiliki sifat transparan terhadap gelombang ultraviolet dan cahaya tampak (kedua jenis gelombang cahaya ini mendominasi intensitas radiasi surya), tetapi tidak transparan terhadap gelombang sinar infra merah sebagaimana yang terjadi pada efek rumah kaca, sehingga rugi-rugi panas karena radiasi dari permukaan absorber keluar kolektor dapat diminimumkan. Meskipun demikian masih terdapat rugi-rugi panas ke permukaan karena konveksi oleh udara yang bergerak di dalam ruang antara absorber dan kaca. Rugi-rugi panas konveksi ini pada kenyataannya justru mengambil porsi yang terbesar sekitar 70-80% dari total rugi-rugi panas ke permukaan, menyebabkan efisiensi termal kolektor rendah sekitar 20-40%.
Cairan penerima panas dari absorber mengalir di dalam susunan pipa-pemanas sejajar, header atas dan header bawah yang umumnya dibuat dari tembaga. Pipa-pemanas, header dan absorber dirancang sedemikian rupa sehingga merupakan satu kesatuan, adapun metoda penyatuan yang sederhana adalah dengan cara brasing atau cara klem dengan rivet. Diameter pipa-pemanas ½ inci, diameter header atas dan bawah bisa ¾ atau 1 inci.
Untuk memperkecil rugi-rugi panas ke samping dan ke bawah kolektor, dipilih bahan isolator panas seperti styrofoam, polyurethane, glass wool, dan lain-lain. Tebal isolator sisi samping biasanya 20 mm dan sisi bawah sekitar 40-50 mm.
Perubahan temperatur udara yang terjadi di dalam kolektor dihitung berdasarkan pindah panas dan keseimbangan energi dari panas yang masuk (energi surya datang), panas yang hilang melalui sisi atas, samping dan bawah kolektor, dan panas yang ditransfer dari absorber ke cairan di dalam pipa-pipa-pemanas cairan.
3.1 Persamaan Energi pada Kolektor
Qu m C p T
1. 2.2 Jenis-jenis kolektor
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.
Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu:
1. Cover berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.
2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .
4. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.
5. Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
1. 2.2.1 Kolektor Surya Prismatik
Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic Sumber : lit 9
2. 2.2.2 Kolektor Surya plat Datar
Gambar 2-2. kolektor surya plat datar
Sumber : lit 8
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C.
dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air. Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang
Gambar 2-3. Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana Sumber: lit 12
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan.
3. 2.2.3. Concentrating Collectors
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi.
Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.
Gambar 2-4. Konsentrator Sumber: Lit 12
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 4000C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada Gambar (2-4) diatas.
4. 2.2.4. Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
Gambar 2-5. Evacuated Receiver Sumber: lit 12
2. 2.3 Aplikasi Energi Matahari
Ada bermacam-macam aplikasi teknologi yang telah dikembangkan untuk mengambil manfaat energi surya. Teknologi tersebut dapat dibaca lebih jauh berikut ini.
1. 2.3.1 Pemanasan Air
dengan menggunakan pemanas air tenaga surya maka hal ini bukan merupakan masalah karena pemanasan air dilakukan dengan menyerap panas matahari dengan menggunakan kolektor sehingga tidak memerlukan biaya bahan bakar.
Gambar 2-6. Sistem Pemanas Air Sumber : lit 11
berasal dari kolektor akan diputar kembali ke kolektor dengan menggunakan pompa atau hanya menggunakan prinsip thermosipon. Persediaan air panas akan disimpan di dalam tangki penyimpanan yang terbuat dari bahan isolator thermal. Pada sistem ini terdapat pengontrol suhu jika suhu air panas yang dihasilkan kurang dari yang diinginkan maka air akan dimasukkan kembali ke tangki penyimpan panas untuk dipanaskan kembali.
Kolektor yang digunakan pada pemanas air tenaga panas matahari ini adalah kolektor surya plat datar yang bagian atasnya terbuat dari kaca yang berwarna hitam redup sedangkan bagian bawahnya terbuat dari bahan isolator yang baik sehingga panas yang terserap kolektor tidak terlepas ke lingkungan. Air panas di dalam kolektor bisa mencapai 82 C sedangkan air panas yang dihasilkan tergantung keinginan karena sistem dilengkapi pengontrol suhu.
2. 2.3.2 Distilasi Air
Salah satu manfaat dari sinar matahari adalah menguapkan air (distilasi). Skema sistem distilasi dapat dilihat pada Gambar (2-7) dibawah ini.
Gambar 2-7. Sistem Distilasi Air Sumber : lit 10
Cara kerjanya adalah sebuah kolam yang dangkal, dengan kedalaman 25mm hingga 50 mm, ditututup oleh kaca. Air yang dipanaskan oleh radiasi matahari, sebagian menguap, sebagian uap itu mengembun pada bagian bawah dari permukaan kaca yang lebih dingin. Kaca tersebut dimiringkan sedikit 10 derajat untuk memungkinkan
3. 2.3.3 Penerangan Ruangan
Adalah teknik pemanfaatan energi matahari yang banyak dipakai saat ini. Dengan teknik ini pada siang hari lampu pada bangunan tidak perlu dinyalakan sehingga
menghemat penggunaan listrik untuk penerangan. Teknik ini dilaksanakan dengan mendesain bangunan yang memungkinkan cahaya matahari bisa masuk dan menerangi ruangan dalam bangunan.
4. 2.3.4 Kompor Matahari
Prinsip kerja dari kompor matahari adalah dengan memfokuskan panas yang diterima dari matahari pada suatu titik menggunakan sebuah cermin cekung besar sehingga didapatkan panas yang besar yang dapat digunakan untuk menggantikan panas dari kompor minyak atau kayu bakar.
Gambar 2-8. Kompor Matahari Sumber : lit 13
5. 2.3.5 Pengeringan Hasil Pertanian
Hal ini biasanya dilakukan petani di desa-desa daerah tropis dengan menjemur hasil panennya dibawah terik sinar matahari. Cara ini sangat menguntungkan bagi para petani karena mereka tidak perlu mengeluarkan biaya untuk mengeringkan hasil panennya. Berbeda dengan petani di negara-negara empat musim yang harus
mengeluarkan biaya untuk mengeringkan hasil panennya dengan menggunakan oven yang menggunakan bahan bakar fosil maupun menggunakan listrik.
6. 2.3.6 Sistem Fotovoltaik
Sel surya bekerja dengan mengubah secara langsung sinar matahari menjadi listrik. Elektron-elektron di dalam bahan semikonduktor, bahan yang digunakan untuk menangkap sinar matahari, akan bergerak ketika energi matahari dalam bentuk foton menabraknya. Energi matahari yang memaksa elektron berpindah, terjadi secara terus menerus, dan akibatnya terjadi pula produksi listrik yang kontinyu. Proses tersebut, yang mengubah sinar matahari (foton) menjadi listrik (tegangan), disebut dengan efek
fotovoltaik.
7. 2.3.7 Sel Surya Film Tipis
Sel surya film tipis menggunakan beberapa lapis bahan semikonduktor dengan ketebalan dalam skala mikrometer. Teknologi tersebut memungkinkan untuk membuat sel surya yang diintegrasikan dengan atap rumah hingga skylight. Bahkan sel surya untuk aplikasi tersebut didesain mempunyai kekuatan yang sama dengan atap rumah
Gambar 2-9. Sel surya film tipis Sumber: lit 14
8. 2.3.8 Sel Surya Terkonsentrasi
3. 2.4. Jenis-Jenis Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah – daerah tersebut. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda: radiasi (radiation), konduksi (conduction ; juga dikenal dengan istilah hantaran), dan konveksi (convection; juga dikenal dengan istilah ilian).
1. 2.4.1 Radiasi
Jika suatu benda ditempatkan di dalam sebuah ruangan, dan suhu dinding – dinding ruangan lebih rendah dari pada suhu benda maka suhu benda tersebut akan turun sekalipun ruangan tersebut ruang hampa. Proses dengan perpindahan panas dari suatu benda terjadi berdasarkan suhunya tanpa bantuan dari suatu zat antara (medium) disebut radiasi termal. Defenisi lain dari radiasi termal ialah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya.
Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. Apa pun jenis radiasi itu, ia akan selalu merambat dengan kecepatan cahaya,
cm/s. Kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang gelombang dengan frekuensi radiasi,
Satuan boleh centimeter, angstrom ( cm), atau mikrometer (1µm =
1. 2.4.1.1 Sifat – Sifat Radiasi
Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian radiasi itu dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi).
Gambar 2-11. Bagan menunjukkan pengaruh radiasi datang.
Jika disebut refleksifitas, disebut absorptivitas, disebut transmitivitas, maka hubungan ketiganya adalah
Karena benda padat tidak meneruskan radiasi termal, maka transmisivitas dianggap nol. Sehingga,
Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu permukaan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dapat dikatakan refleksi itu spekular (specular). Di lain pihak, apabila berkas yang jatuh itu tersebar merata ke segala arah sesudah refleksi maka refleksi itu disebut baur (diffuse).
Radisi datang Refleksi
Absorpsi
(a)
(b)
Gambar 2-12. Refleksi cahaya (a) Spekular, (b) Baur
Releksi spekular memberikan bayangan cermin dari sumber itu kepada pengamat. Tetapi tidak ada permukaan yang sebenarnya yang hanya spekular atau baur. Sebuah cermin biasa tentu bersifat spekular untuk cahaya tampak tetapi belum tentu bersifat spekular untuk keseluruhan rentang panjang gelombang radisi termal. Biasanya, permukaan kasar lebih menunjukkan sifat baur dari pada permukaan yang mengkilap.
2. 2.4.1.2 Daya Emisi dan Emisivitas Benda
kesetimbangan, maka energi yang diserap benda itu mesti sama dengan energi yang dipancarkan; sebab, jika tidak, tentu ada energi yang mengalir masuk atau keluar benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun atau yang disebut dengan hukum
kesetimbangan energi. Pada kesetimbangan dapat ditulis
... 2-2 (lit 3 hal 344)
Jika dalam ruangan itu diganti dengan benda hitam sempurna yang bentuk dan ukurannya sama, dan benda hitam itu di biarkan mencapai
kesetimbangan dengan ruang itu pada suhu yang sama, maka
... 2-3 (lit 3 hal 344)
Dimana:
= Daya emisi benda hitam (W/m2)
Jika persamaan (2-2) dibagi dengan persamaan (2-3), diperoleh
Perbandingan daya emisi suatu benda dengan benda hitam pada suhu yang sama ialah sama dengan absorptivitas benda itu. Perbandingan ini yang disebut dengan emisivitas benda. Maka,
Sehingga: ... 2-5 (lit 3 hal 345)
Dimana:
= Emisivitas benda
3. 2.4.1.3 Stefan-Boltzmann Law
Bilangan Stefan-Boltzmann diperoleh dari pengembangan hukum Planck, dimana daya emisi total yang diberikan benda hitam merupakan integrasi dari emisi monokromatik benda hitam pada perubahan panjang gelombang.
... 2-6 (lit 8 hal 530)
Dimana:
= Panjang gelombang (µm) C1 = 3,743 x 108 (W µm4/m2)` C2 = 1,4387 x 104 (µm.K)
= daya emisi monokromatik (W/m2 )
= daya emisi monokromatik benda hitam (W/m2)
Jika , maka , atau
saat = ∞, maka
Karena
maka
Daya emisi benda hitam per satuan luas: Dimana:
W/m2K4
Benda hitam (black body) memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding lurus dengan luas permukaan.
... 2-7 (lit 3 hal 13)
Pertukaran radiasi dalam ruang kurung antara dua permukaan dengan luas A dan emisivitas benda berbanding lurus dengan perbedaan suhu absolut pangkat empat.
... 2-8 (lit 3 hal 14)
4. 2.4.1.4 Radiasi surya
Radiasi surya (solar radiation) merupakan suatu bentuk radiasi thermal yang mempunyai distribusi panjang gelombang khusus. Intensitasnya sangat bergantung dari kondisi atmosfer, saat dalam tahun, dan sudut timpa (angle of incidence) sinar matahari dipermukaan bumi. Pada batas luar atmosfer, iradiasi surya total ialah 1395 W/m2
bilamana bumi berada pada jarak rata-ratanya dari matahari. Angka ini disebut konstanta surya (solar constant).
Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai
sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer, sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit daripada jika sudut timpanya miring terhadap normal.
Matahari mempunyai diameter kira – kira 1,39 x 109 m dan massa 2 x 1030 kg dan, berjarak 1,5 x 1011 dari bumi. Untuk menghitung suhu matahari maka dapat di gunakan Persamaan 2-9 dibawah ini.
... 2-9 (lit 8 hal 571)
Dimana:
L = jarak antara matahari dan bumi
2. 2.4.2 Konduksi
Konduksi adalah proses dengan panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah didakam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatandan posisi relatif molekul – molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat molekul – molekul bergerak, semakin tinggi suhu meupun energi dalam elemen zat. Bila molekul – molekul di satu daerah memperoleh energi kinetik rata – rata yang lebih besar dari pada yang dimiliki oleh molekul – molekul di suatu daerah yang berdekatan, sebagaimana diujudkan oleh adanya beda suhu, maka molekul –molekul yang memiliki energi yang lebih besar itu
Gs = konstanta surya r = jari – jari matahari
akan memindahkan sebagian energinya kepada molekul – molekul di daerah yang bersuhu lebih rendah.
Konduksi adalah satu – satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak dapat tembus cahaya. Konduksi penting dalam fluida, tetapi di dalam medium yang bukan padat biasanya tergabung dengan konveksi, dan radiasi.
Energi berpindah secara konduksi (conduction ) atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradien suhu normal:
Jika dimasukkan konstanta proporsionaliltis atau tetapan kesebandingan, maka ... 2-10 (lit 3 hal 2)
Dimana:
q = Laju perpindahan panas ( W )
k = Konduktifitas Termal yang searah dengan perpindahan kalor ( W / m.oC)
A = Luas Penampang yang terletak pada aliran panas (m2) dT/dx = Gradien temperatur dalam arah aliran panas ( oC/m ) Tanda minus diselipkan untuk memenuhi hukum kesua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Persamaan 2-10 disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor.
Daftar 2-1. Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 oC
Gambar 2-13. Konduktivitas termal beberapa gas (1 W/m.oC = 0,5779 Btu/h.ft oF) Sumber: lit 3 hal 8
Gambar 2-15. Konduktivitas termal beberapa zat padat Sumber: lit 3 hal 9
3. 2.4.3 Konveksi
adalah aliran fluida maupun energi. Energi disimpan didalam partikel – partikel fluida dan diangkut sebagai akibat gerakan massa partikel tersebut.
Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas ( free convection)dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan cara alirannya. Bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu, maka proses ini yang disebut dengan konveksi bebas atau alamiah (natural). Bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa.
Aliran Arus bebas
Gambar 2-16. Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat
Pada Gambar (2-16) suhu plat ialah Tw dan suhu fluida T∞. Kecepatan aliran
seperti Gambar (2-16) yaitu nol pada permukaan plat sebagai akibat aksi kental viskos (viscous action). Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding fluida adalah nol maka disini kalor hanya dapat berpindah dengan cara konduksi saja. Jadi, dapat dihitung perpindahan kalornya dengan menggunakan rumus konduksi Persamaan (2-10),dengan menggunakan konduktivitas termal fluida dan gradien suhu pada dinding. Gradien suhu bergantung pada laju fluida membawa kalor dari permukaan-dalam plat tersebut. Kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar, demikian juga sebaliknya. Gradien suhu pada dinding bergantung dari medan aliran.
T∞
u
q
Tw
Pengaruh konduksi secara menyeluruh pada fluida disebut dengan perpindahan kalor secara konveksi. Rumus empiris perpindahan kalor konveksi digunakan hukum Newton tentang pendinginan:
Disebut pendinginan karena fluida yang dialirkan melalui plat tersebut digunakan untuk mendinginkan plat itu juga. Laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. Perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida disamping ketergantungannya pada sifat – sifat termal fluida ( konduktivitas termal, kalor spesifik, densitas). Hal ini dapat dimengerti karena viskositas mempengaruhi profil kecepatan, dan karena itu mempengaruhi laju perpindahan energi didaerah dinding.
4. 2.5 Perpindahan kalor di sepanjang pipa
Uraian perhitungan perpindahan kalor disepanjang pipa seperti Gambar (2-17) adalah sebagai berikut.
Suhu dinding ialah Tw, jari – jari tabung ro, dan kecepatan pada pusat tabung uo.
Distribusi kecepatan diturunkan dengan memperhatikan unsur unsur fluida seperti Gambar 2-18 dibawah ini.
Gambar 2-18 Neraca gaya pada unsur fluida dalam aliran tabung
Gaya tekan : Gaya geser viskos :
Gaya tekanan diimbangi oleh gaya geser viskos, sehingga
Atau
dan
... 2-12
Kecepatan pada pusat tabung
... 2-13
Sehingga distribusi kecepatan dapat ditulis sebagai
... 2-14
Dimana:
= kecepatan aliran fluida pada jari – jari tabung = r = kecepatan aliran aliran fluida di pusat tabung ,r = 0
Fluks kalor pada dinding tabung konstan
Aliran kalor yang dikonduksikan kedalam unsure anulus adalah
Kalor yang dikonveksi keluar unsur
Neraca energi adalah energi neto yang dikonveksi keluar = kalor neto yang dikonduksi kedalam atau dengan mengabaikan diferensial orde kedua, maka
Yang dapat ditulis kembali sebagai
... 2-15
Karena fluks kalor tetap sehingga suhu fluida rata – rata bertambah secara linear dengan x, sehingga
Hal ini berarti bahwa profil suhu pada berbagai posisi x sepanjang tabung itu akan serupa. Kondisi batas untuk Persamaan 2-15 adalah
Dengan menganggap bahwa sifat – sifat fluida dalam aliran tetap maka Persamaan 2-14 disubstitusikan kedalam Persamaan 2-15
Integrasi menghasilkan
Dan integrasi kedua memberikan
Dengan menerapkan kondisi batas (r = 0), maka diperoleh temperatur pada pusat tabung (
Distribusi temperatur (T) saat laju aliran fluida di r adalah
... 2-16
Dalam aliran tabung koefisien perpindahan kalor konveksi didefenisikan: )
Dimana:
Tw = Suhu dinding (oC)
Suhu limbak (bulk temperature) adalah suhu fluida yang dirata – ratakan energinya diseluruh penampang tabung yang dapat dihitung dari:
... 2-17
Jika diketahui temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar pipa
maka suhu limbak menjadi,
... 2-18
Suhu limbak digunakan dalam merumuskan koefisien perpindahan kalor dalam aliran tabung. Dalam aliran tabung tidak dapat kondisi aliran bebas. Pada setiap posisi x, suhu yang menunjukkan energi total yang mengalir ialah suhu rata – rata massa-energi yang terintegrasi keseluruh bidang aliran. Pembilang pada Persamaan(2-17)
menunjukkan energi total yang mengalir melalui tabung. Penyebut adalah hasil perkalian aliran massa dan kalor spesifik, yang diintegrasikan di seluruh bidang aliran. Jadi suhu limbak menunjukkan keseluruhan energi yang mengalir pada suatu lokasi tertentu. Suhu limbak sering disebut suhu ”mangkuk pencampur” (”mixing cup” temperature) karena suhu itu yang akan dicapai fluida kalau ditempatkan di dalam ruang pencampur dan dibiarkan mencapai kesetimbangan. Suhu limbak merupakan fungsi linear x karena flux kalor pada dinding tabung itu konstan.
Dari Persamaan (2-17) diperoleh Suhu limbak:
Suhu dinding:
... 2-20 (lit 3 hal 231)
Kalor yang diterima oleh fluida secara konveksi sama dengan kalor yang dilepas pipa secara konduksi saat laju aliran fluida nol (r = ro) sehingga hubungan perpindahan
kalor konveksi dan konduksi adalah:
... 2-21
gradien suhu diberikan oleh
... 2-22
atau dengan menggunakan bilangan nusselt, maka:
... 2-23
Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran laminar dalam tabung:
... 2-24
Persamaan (2-24) berlaku jika:
Dimana:
= Bilangan Nusslet = Bilangan Reynolds
= Bilangan Prandtl
= Viskositas dinamik suhu fluida(kg/m.s)
= diameter pipa (m) = Panjang pipa (m)
Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran turbulen dalam tabung:
... 2-25
Nilai eksponen n adalah:
n = 0,4 untuk pemanasan n = 0,3 untuk pendinginan
Persamaan (2-25) berlaku untuk aliran turbulen dengan angka Prandtl-nya berkisar antara 0,6 sampai 100.
5. 2.6 Efisiensi Termal
Jika ditinjau dari laju aliran massa fluida, banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah
... 2-26
Jika ditinjau dari perpindahan kalor secara konveksi, banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah
... 2-27
Karena nilai temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar (Tb2)
pipa yang diperoleh dari penelitian ini maka, formula perpindahan kalor dari pipa ke fluida menggunakan Persamaan (2-26),
... 2-28
Dimana:
I = Intensitas cahaya (W/m2) A = luas penampang (m2)
Dengan memperhitungkan faktor – faktor atau penyebab hilangnya kalor, dimana nilainya dimasukkan dalam suatu konstanta efisiensi ( ) maka hubungan fluks kalor dengan perubahan temperatur fluida di dalam pipa adalah:
... 2-29
Sehingga efisiensi termal,
... 2-30
Fluks kalor berpindah secara konduksi di sepanjang penampang pipa maka,
... 2-31
Jika Persamaan(2-32) disubstitusikan ke Persamaan (2-30) diperoleh,
... 2-32
Dari Persamaan (2-33) dapat dilihat bahwa efisiensi termal dan perubahan temperatur disepanjang pipa ekuivalen dengan laju aliran massa dan perubahan temperatur fluida. Karena fluks kalor konstan maka,
BAB III
Pengukuran pH air umpan ketel pada saat praktikum adalah pH nya 6.
3.3 Pengolahan Data Dengan ρ = 997,1 kg/ m3
Dan Debit Air (Q) : V T =
48843
300 = 162,81 m3/s
ṁ = ρ x Q
= (997,1 kg/ m3 ) x (162,81 m3/s) = 162337,851 kg/s
Ppompa = P.Q
= 2 x 162,81 =325,62 x 10 6 kJ/s
Konsumsi Energinya : Pponpaṁ = 325,62 x 10 6 kJ/s / 162337,851 kg/s
= 0,0020058 x 10 6
= 200,58 kJ/kg
P (Bar) ∆P (mmHg) K Tair ( oC)
3.4 Perhitungan energi yang tersimpan
Menghitung kecepatan aliran air pada masing-masing pipa
23,04 = ½ v52
Ketinggian pipa 7 ke 8 h7-8= h5 + h8
½ ρ.v72 + ρ.g.h7= ½ ρ.v8+ ρ.g.h8
½ (6,97)2 + 9,8 (0,49) = ½ v82 + 9,8 (1,01) 24,29+ 4,802 = ½ v82+ 9,898
19,19 = ½ v82 v82 = 38,38
Menghitung bilangan Reynold
Mencari µ pada T 25 ˚C (asumsi temperature air) 30−25
Kecepatan aliran pipa 8 = 6,195 m/s
Mencari bilangan Reynold :
Re = ρ. D . vµ = 996,95x0,0286x6,195
0,89975x10−3 = 196317,43 (Aliran Turbulen)
ɛ
D = 1,5x10 −4
0,0286 = 0,00524
Menggunakan diagram Moody, didapatkan f = 0,03
Mencari rugi-rugi aliran dalam pipa
hf = f l
= 47210,15 w
Tabel Hasil Perhitungan Konsumsi Energinya :
No.
PEMBAHASAN
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan
Sistem pengolahan air ketel di Lab. Mesin Termal Teknik Konversi Energi dapat dikatakan masih berjalan dengan baik, dengan melihat parameter-parameter sebagai berikut :
pH air dalam tangki feed water sebesar 6, sudah mendekati pH air netral sebagai salah satu persyaratan air umpan boiler.
Energi yang dipakai untuk mengalirkan air utama dalam sistem pengolahan air ketel selama pengoperasian boiler konstan yakni sebesar 200,58 kJ/Kg
3.2 Saran
