SURYA DENGAN SISTEM REFFRIGERAN R-718
DISUSUN OLEH :
PUTRA V PANJAITAN 120401147
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS
SUMATERA UTARA 2018
Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk dimanfaatkan terutama di daerah yang beriklim tropis.
Pemanfaatan energi surya yang paling umum adalah untuk memanaskan air baik system aktif maupum system thermosifon. Tipe paling umum sistem pemanas air ini adalah kolektor plat datar. Reffrigerant R-718 akan bersirkulasi melalui pipa- pipa di dalam kolektor dan akan menyerap panas dari kolektor . Air panas akan disimpan di dalam tangki berkapasitas 120 Liter. Tangki telah diisolasi menggunakan polyurethane dan glasswool supaya energi panas yang terbuang ke lingkungan dapat diminimumkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efisiensi tangki setelah diisolasi, berapa °C suhu yang turun sepanjang malam, dan pengujian ini dilakukan pada pukul 5 sore (17.00WIB) sampai pukul 6 pagi (06.00WIB). Adapun hasil dari penelitian ini adalah: 1) Kalor yang paling banyak terbuang 701,61 MJ. 2) Efisiensi tertinggi tangki = 82,17%. 3) Temperature air yang turun pada tangki sampai pagi hari = 3 sampai 7 °C.
Kata Kunci : pemanas air, energi surya, tangki, perpindahan panas, reffrigerant r-718
especially in tropical regions. The most common use of solar energy is to heat the water in both the active system of the thermosifon system. The most common type of water heating system is a flat plate collector. Reffrigerant R-718 will circulate through the pipes inside the collector and will absorb heat from the collector. This hot water will be stored in the 80 Liter tank. The tank has been isolated using polyurethane and glasswool so that the thermal energy wasted into the environment can be minimized. This study aims to determine the efficiency of the tank after being isolated, how many ° C temperatures are down all night, and this test is done at 5 pm until 6 am. The results of this study are: 1) The most heated heat 701,61 MJ. 2) Highest efficiency tank = 82,17%. 3) Water temperature dropped in the tank until morning = 3 until 7 ° C.
Keywords: water heater, solar energy, tank, heat transfer, reffrigerant r-718
ii
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“ANALISA PERPINDAHAN PANAS TANGKI BERKAPASITAS 120 LITER PADA PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN REFFRIGERAN R-718 ”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil, moril, maupun spirital dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST. MT. selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak sebagai dosen pembanding I dan bapak sebagai dosen pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Terang UHSG Manik, ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.
5. Kedua orang tua penulis, H. Panjaitan dan A. Br Sitorus dan Segenap keluarga yang tidak dapat disebutkan satu persatu ,yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
7. Teman satu team skripsi yaitu Emzy S Ginting dan Sebastian Sitepu.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.
Terima kasih.
Medan,
Putra V Panjaitan
ABSTRAK ………..…..………i
KATA PENGANTAR...……….iii
DAFTAR ISI ………...v
DAFTAR TABEL ………..…..viii
DAFTAR GAMBAR ………..…...ix
DAFTAR NOTASI ……….…...xi
BAB I PENDAHULUAN ………..1
1.1 Latar Belakang ………...1
1.2 Batasan Masalah ………...………….3
1.3 Tujuan Penelitian ………...…3
1.4 Manfaat Penelitian ……….3
1.5 Sistematika Penulisan ………4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………5
2.1 Energi ……….5
2.2 Radiasi Surya ………..……….…..7
v
2.2.2 Pemanfaatan Enegi Surya ………..……….10
2.3 Alat Pemanas Air Tenaga Surya ………...17
2.3.1 Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya ………...17
2.3.2 Energi Berguna yang Diberikan Kolektor ke Air ………18
2.4 Tangki pada Pemanas Air Tenaga Surya ………..19
2.4.1 Jenis-jenis Tangki ………19
2.5 Teori Perpindahan Panas ……….………24
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi ……….24
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi ………..…………26
2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi ……….30
2.6 Analisa Energi pada Tangki ………32
2.6.1 Analisa Energi yang Terdapat pada Air ……….32
2.6.2 Analisa Kehilangan Energi pada Tangki ………32
2.7 Analisa Termal Efisiensi Tangki ……….33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ………...34
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ....………...34
3.2 Peralatan Pengujian ………...34
3.3 Bahan Pengujian …...………...………39
3.4 Pelaksanaan Penelitian ………….………....40 vi
3.6 Diagram Alir Penelitian ………...42
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ……….…...44
4.1 Energi yang Terdapat pada Air ……….………..44
4.2 Energi Terbuang dari Tangki ………..…50
4.3 Efifiensi Tangki ………...63
4.4 Rancangan Anggaran Biaya...………...66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………...69
5.1 Kesimpulan ………..…69
5.2 Saran ………70
DAFTAR PUSTAKA ………..71 LAMPIRAN
vii
Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan………..26 Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Tangki Pemanas Air Tenaga Surya
..………41 Tabel 4.1 Energi yang Masuk ke Tangki pada Awal Pengujian ………50 Tabel 4.2 Nilai Koefisien Konveksi Pada Beberapa Hari Pengujian…..………54
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi ………....8
Gambar 2.2 Solar Water Heater ……….11
Gambar 2.3 Solar Cooker ………...12
Gambar 2.4 Solar Driers ………13
Gambar 2.5 Solar Ponds ……….13
Gambar 2.6 Solar Architecture ……….………..14
Gambar 2.7 Solar Air-Conditioning ………...14
Gambar 2.8 Solar Chimney ……….……15
Gambar 2.9 Solar Distilation Water ………...16
Gambar 2.10 Solar Power Plant ……….16
Gambar 2.11 Fix cone Roof tank ………19
Gambar 2.12 Tangki Tutup Cembung tetap ………...………20
Gambar 2.13 Tanki Horizontal ……….………..20
Gambar 2.14 Tanki Tipe plain Hemispheroid ………21
Gambar 2.15 Tangki Peluru (bullet tank) ………...22
Gambar 2.16 Tangki Bola (spherical tank) ………...……….22
Gambar 2. 17 Dome Roof Tank ……….23
Gambar 2.18 Tangki Penyimpan Liquid ………23
Gambar 2.19 Tangki Berbentuk Tabung ………24
Gambar 2.20 Skema Perpindahan Panas Secara Konduksi ………25
Gambar 2.21 External forced convection (a) dan internal forced convection (b) …..27
Gambar 2.22 Konveksi Alami pada Suatu Permukaan ………..29
Gambar 2.23 Skema Perpindahan Panas Radiasi ………...31
Gambar 2.24 Perpindahan Panas melalui silinder 3 lapis.………...32
Gambar 3.1 Laptop ……….………...34
Gambar 3.2 Agilient ………..…….35
Gambar 3.3 Hobo Microstation data logger …….………..……36
Gambar 3.4 Tangki……….………….………37
Gambar 3.5 Skema Kehilangan Panas ke Sisi Samping Tangki………...…..38
Gambar 3.6 Sifat Air……… ………...…39
Gambar 3.7 Experimental Setup…… ………..…40
Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian………...42
Gambar 4.1 Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Pertama ………..44
Gambar 4.2 Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Kedua ………….45
Gambar 4.3 Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Ketiga ……....…47
Gambar 4.4 Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Keempat ……...48
Gambar 4.5 Q out sv Waktu pada Pengujian Pertama ………..…..57
Gambar 4.6 Q out sv Waktu pada Pengujian Kedua ……….………...59
Gambar 4.7 Q out sv Waktu pada Pengujian Ketiga ……….…...60
Gambar 4.8 Q out sv Waktu pada Pengujian Keempat ……..………..…..61
DAFTAR NOTASI
mw = massa air (kg)
Cp,w = Panas jenis dari air (kJ/kg.0C)
Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (0C) Tw2
q
= Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C)
= Laju perpindahan panas (W) T = Perubahan temperatur (K)
k = Konduktivitas thermal bahan (W/mK) L = tebal masing-masing pelat A,B,C,…n. (m) Qradiasi = Energi Radiasi (MJ)
I = Intensitas radiasi (W/m2) Ak = Luas penampang kolektor(m2)
= Selang waktu perhitungan (s)
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 K) A = Luas penampang (m2)
∆T
V di
= Perubahan atau perbedaan temperatur (oC)
= kecepatan rata-rata fluida (m/s)
= diameter dalam tabung (m) ρ = massa jenis (kg/m3)
µ = viskositas dinamik
GrL RaL g Ts Tr L
= Grasholf number
= Rayleigh number
= gravitasi bumi
= suhu permukaan
= suhu ruangan
= panjang
v = viskositas kinematik ( μ/ρ ) α = diffusitas termal ( k/ρ.cp) Pr
ε
= bilangan Prandtl
= emisivitas bahan
σ = kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)
T1 T2 Q m Cp
∆T Rtotal Rconv1 Rcyl1
= temperatur permukaan 1(K)
= temperatur permukaan 2 (K)
= energi yang terdapat pada air (Joule)
= massa air (kg)
= kalor jenis (kJ/kg.K)
= perubahan suhu (K)
= Daya keluar total(K/watt)
= Daya keluar dari konveksi dinding tangki dalam (K/watt)
= Daya keluar dari plat ke glasswol (watt)
Rcyl2 = Daya keluar dari glasswol ke polyurethan (watt)
Rcyl3 = Daya keluar dari polyurethan ke dinding tangki dalam (watt) Rconv2 = Daya keluar dari konveksi plat ke lingkungan (watt)
h1 = Koefisien konveksi natural di dalam tangki (W/m2.K) h2 = Koefisien konveksi udara (W/m2.K)
A1 = Luas penampang dinding tangki (m²) A4 = Luas penampang plat aluminium (m²)
= Jari-jari plat aluminium (m)
= Jari-jari glasswool (m)
= Jari-jari polyurethan (m)
= Jari-Jari dinding tangki (m)
= panjang tangki (m)
= Panjang tangki setelah di tambah polyurethan (m)
= Panjang tangki setetelah ditambah polyurethan dan glasswool (m) K1 = konduktivitas termal dinding tangki (W/m.K)
K2 = konduktivitas termal polyurethane (W/m.K) K3 = konduktivitas termal glasswool (W/m.K) Qout = Kalor yang terbuang (watt)
T∞1 = Suhu konveksi dinding tangki dalam ( K ) T∞2 = Suhu konveksi plat ke lingkungan ( K )
Rtotal V Σ Qout
ηthermal
= Daya keluar total ( K/watt)
= kecepatan angin (m/s)
= Total energi yang terbuang (Joule)
= efisiensi tangki
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dewasa ini, air panas menjadi sudah menjadi kebutuhan. Masyarakat membutuhkan air panas, misalnya untuk air mandi ataupun mencuci barang yang berlemak dimana lebih mudah melarutkannya dalam sabun dibandingkan dengan air dingin. Tidak hanya konsumen rumah tangga yang memerlukan air panas, melainkan juga rumah sakit, industri, perhotelan.
Salah satu contoh pada perhotelan kebutuhan air panas merupakan salah satu yang tertinggi. Air panas ini dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan seperti memasak, mandi, kolam air hangat, dan juga kebutuhan lainnya. Terutama pada hotel- hotel yang berada di daerah wisata. Akan tetapi, ditempat terpencil hal ini bisa menjadi menimbulkan masalah, karena harga bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air sangat tinggi. Bahan bakar yang biasa dipakai oleh pemanas air yaitu bahan bakar fosil.
Pada penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama dalam berbagai kegiatan manusia juga menimbulkan masalah lain. Selain karena bahan bakar ini merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, bahan bakar jenis ini juga mengakibatkan dampak lingkungan diantaranya menyebabkan pemanasan global, dan mengeluarkan gas beracun akibat pembakaran yang tidak sempurna. Oleh sebab itu, sudah menjadi kebutuhan mendesak untuk menggunakan energy terbarukan.
Salah satu energy terbarukan yang melimpah ketersediaannya yaitu energy radiasi surya. Sekitar setengah energi matahari masuk mencapai permukaan bumi.
Bumi menerima 174 peta watt (PW) radiasi matahari masuk di bagian atas atmosfer.
Sekitar 30% tercermin kembali ke ruang sementara sisanya diserap oleh awan, samudra, dan tanah. Total energi matahari yang diserap oleh awan, samudra, dan tanah adalah sekitar 3,850,000 exa joules (EJ) per tahun. Jumlah energi surya mencapai permukaan bumi begitu luas. Bila dibandingkan, energi surya dua kali lebih
banyak daripada semua sumber non-terbarukan seperti batu bara, minyak, gas alam, dll.
Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki potensi energi radiasi surya yang sangat besar. Indonesia terletak di daerah khatulistiwa yang menyebabkan Indonesia beriklim tropisdan menerima radiasim pancaran surya yang hampir sama sepanjang tahunnya. Potensi energi surya rata-rata nasional adalah 16 MJ/hari. Potensi energy ini dapat digunakan untuk sebagai sumber energy termal maupun sebagai sumber energy listrik dengan menggunakan sel photofoltaik.
Sel photofoltaik adalah sector teknologi dan penelitian yang berhubungan dengan aplikasi panel surya untuk energy dengan mengubah sinar matahari menjadi energy listrik. Di negara maju saat inigiat meneliti pemanfaatan energi tersebut untuk kepentingan manusia, misalnya pemakaian sel fotovoltaik yang menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan untuk penggerak mobil, satelit, hubungan komunikasi ataupun disimpan di dalam baterai.
Pemanfaatan energi surya untuk memanaskan air dilakukan dengan
menggunakan alat yang disebut kolektor termal surya. Kolektor termal surya atau yang biasa disebut kolektor surya merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk
menyerap energi yang terdapat pada radiasi surya, yang kemudian mengubah energi tersebut menjadi energi termal, kemudian energy tersebut akan ditransfer langsung ke fluida yang dipanaskan maupun ke fluida lain yang digunakan untuk memanaskan (www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-energi-surya.html
id.wikipedia.org/wiki/Energi_surya).
Air yang dipanaskan pada siang hari pada system tenaga surya disimpan di dalam tangki. Salah satu masalah yang sangat sering dijumpai pada tangki penyimpanan air panas ini adalah turunnya suhu air yang drastis pada pagi hari. Oleh karena itu, telah dilakukan penelitian terhadap tangki yang menggunakan suatu material penyimpan panas laten dengan judul “Analisa Perpindahan Panas Tangki Air Berkapasitas 120 Liter pada Pemanas Air Tenaga Surya dengan menggunakan Reffrigerant R-718”. Tangki yang digunakan telah diisolasi dengan menggunakan polyurethane dan glasswall.
Dalam penelitian ini, kolektor yang digunakan yaitu kolektor sistem pipa panas dengan menggunakan refrigeran r-718 sebagai fluida. Penelitian ini juga dilakukan dengan tingkat kevakuman yang yang tinggi dan mengingat semakin besar tingkat kevakuman refrigeran, maka titik didihnya akan semakin rendah sehingga perubahan fasa akan semakin cepat yang mengakibatkan proses pemanasan air akan semakin baik. Berdasarkan penelitian sebelumnya yang meneliti variasi sudut kolektor maka kesimpulannya sudut kolektor yang paling efisien adalah 30 . Oleh karena itu penelitian ini akan menggunakan sudut kemiringan kolektor 30 .
1.2 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah 1. Lokasi penelitian pada 3,43o LU dan 98,44o BT 2. Air yang digunakan adalah air mineral dari PDAM
3. Tangki yang digunakan adalah tangki berkapasitas 120 Liter 4. Pengujian dilakukan pada pukul 17.00 – 06.00 WIB
5. Perpindahan panas konveksi dan konduksi dipakai dalam menghitung kalor sedangkan perpidahan panas radiasi diabaikan.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah
1. Untuk mengetahui jumlah kalor yang terbuang pada tangki.
2. Untuk mengetahui efisiensi tangki.
3. Untuk mengetahui temperatur air yang turun pada tangki pada pagi hari.
4. Untuk mengetahui Rancangan Anggaran Biaya
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah 1. Dari sisi energi
Untuk mengurangi penggunaan listrik dan bahan-bakar yang tidak dapat diperbaharui lainnya.
2. Dari sisi lingkungan
Untuk mengurangi pemanasan global dengan menggunakan energi bersih.
3. Dari sisi ekonomi
Peluang bisnis untuk jangka panjang.
4. Dari sisi akademis
Untuk memberikan sumbangan data yang diperlukan untuk penelitian selanjutnya.
1.5 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini di bagi dalam beberapa bagian yaitu:
Bab I : PENDAHULUAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan metodologi penulisan skripsi.
Bab II : TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapat dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari : buku-buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news Bab III :
METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini dibahas mengenai langkah-langkah penelitian data dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat, dan beberapa aspek yang menunjang metode penelitian Bab IV : ANALISA DATA
Pada bab ini akan dianalisis dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil rancang bangun yang telah dilakukan
Bab V : KESIMPULAN dan SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi
Energi adalah sesuatu yang bersifat abstrak yang sukar dibuktikan, tetapi dapat dirasakan. Energi tidak dapat pula diciptakan dan dimusnahkan. Namun, semua energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Oleh karena itu, hukum kekekalan energi menyatakan energi total sistem tetap konstan, meskipun energi dapat berubah menjadi bentuk lain. Secara umum, energi dapat dikategorikan menjadi beberapa macam, yaitu energi mekanis, listrik, elektromagnetik, kimia, nuklir, dan surya.
1. Energi Mekanis
Bentuk transisi dari energi mekanis adalah kerja. Energi yang tersimpan adalah energi potensial atau energi kinetik. Energi potensial adalah energi yang dikandung oleh suatu benda/massa yang berada pada ketinggian tertentu terhadap bidang referensi. Energi potensial banyak dimanfaatkan untuk PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), dimana energi potensial berupa massa air yang ada di dalam waduk diubah menjadi energi kinetik dan digunakan untuk menggerakkan turbin. Energi kinetik adalah energi yang dikandung oleh suatu benda/massa yang sedang bergerak. Sebuah pesawat supersonic yang bergerak karena adanya kecepatan aliran udara yang mendorongnya merupakan salah satu konsep energi kinetik.
2. Energi Elektromagnetik
Energi elektromagnetik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan energi yang sangat kecil, yakni elektro volt (eV) atau mega elektrovolt (MeV), yang juga digunakan dalam evaluasi energi nuklir.
Energi transmisi semakin besar apabila panjang gelombangnya semakin pendek dan frekuensinya semakin tinggi. Panjang gelombang elektromagnetik dibagi atas beberapa kelas dimana radiasi sinar gamma merupakan jenis radiasi yang paling energetik dari radiasi elektromagnetik. Gelombang radio merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang paling tinggi.
3. Energi Kimia
Energi kimia merupakan energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron dimana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis yang dinyatakan dalam kj, Btu, atau kkal. Bila energi dalam reaksi kimia terserap maka disebut dengan reaksi endotermis. Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.
4. Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi dalam bentuk dalam bentuk tersimpan yang dapat dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai akibat hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Pada reaksi nuklir dapat terjadi peluruhan radoaktif, yaitu fisi dan fusi. Fisi merupakan reaksi terpisahnya inti senyawa terbelah menjadi dua atau lebih inti massa yang lebih rendah, yang disebut produk bersih. Fusi merupakan reaksi kebalikan dari reaksi fisi dimana inti bermassa lebih ringan bergabung menjadi satu inti. Kedua reaksi ini sama-sama menghasilkan energi yang cukup besar.
Saat ini pusat listrik bertenga nuklir mampu bersaing dengan pusat listrik berbahan fosil meskipun sebagian orang menganggap bahwa
penggunaan pusat listrik bertenaga nuklir mengandung resiko tinggi, terutama dengan bahaya radiasi yang timbul bilamana terjadi kebocoran. Jadi dalam hal ini kendala utama pembangunan pusat listrik bertenaga nuklir terletak pada masalah pengamanan operasional serta kualitas reaktor nuklir.
5. Energi Surya
Energi surya merupakan energi yang bersumber dari matahari dan merupakan energi terbesar yang diterima bumi. Energi matahari mempengaruhi pola cuaca, arah angin, gelombang laut, dan iklim. Energi surya sampai ke bumi dalam bentuk radiasi matahari. Energi matahari juga mempengaruhi terbentuknya energi lain seperti energi angin dan energi gelombang laut.
Fotovoltaik merupakan salah satu pemanfaatan energi matahari untuk menghasilkan tenaga listrik dengan menggunakan sel surya untuk mengubahnya menjadi aliran electron (Fanchi JR 1995). Efek fotovoltaik mengacu pada foton elektron yang menarik cahaya ke dalam keadaan energi yang lebih tinggi. Sel surya ini terdiri atas silikon digabungkan menjadi modul yang disebut array, dan jumlah array yang digunakan menentukan jumlah listrik yang dihasilkan. Selain fotovoltaik, pemanfaatan energi surya digunakan untuk memanaskan air. Air yang dipanaskan ini biasanya digunakan untuk keperluan rumah tangga. Bahkan, saat ini air yang dipanaskan digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Air yang dipanaskan tersebut diubah menjadi uap. Uap tersebut yang menggerakkan turbin sehingga dihasilkan listrik.
2.2 Radiasi Surya
2.2.1 Teori Dasar Radiasi
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya.
Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m. Gambar 2.1 menunjukkan hubungan Matahari dan Bumi.
Gambar 2.1 Hubungan Matahari Dan Bumi
(Sumber : Himsar Ambarita,2011)
Dimana :
Gsc = Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (W/m2)
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011, dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah : 1. Air Mass (m)
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari
tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m
= 1 , pada sudut zenith 600, m = 2 . 2. Beam Radiation
Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer.
Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).
3. Diffuse Radiation
Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan atmosfer 4. Total Radiation
Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.
5. Irradiance
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.
6. Irradiation atau Radian Exposure
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.
7. Solar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST ) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD ).
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi efisiensi kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus (Duffle,2006):
Qradiasi = I Ak 90% ……..………(2.1)
2.2.2 Pemanfaatan Energi Surya
Dalam era ini, pengunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui semakin meningkat seiring dengan meningkatnya populasi manusia, kemajuan teknologi dan lain lain. Namun hal ini berbanding terbalik dengan ketersediaan sumber daya alam tersebut. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan potensi sumber daya alam yang dapat diperbarui contohnya air, angin dan energi surya.
Pembahasan adalah tentang pemanfaatan energi surya, terdapat 2 macam pemanfaatan energi surya yaitu:
1. Pemanfaatan Fotovoltaic
Pemanfaatan energi surya ini adalah untuk menghasilkan energi listrik.
Menurut Sujono (2009), Energi surya yang diubah menjadi energi listrik hanya memiliki efisiensi sekitar 10%.
2. Pemanfaatan Termal
Terdapat 9 pemanfaatan termal terbesar yang sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa negara yaitu:
a. Solar Water Heater (Pemanas air dengan Energi Surya)
Prinsip kerja solar water heater adalah memanaskan air dengan energi surya. Air dialirkan ke pipa-pipa yang pipih, biasanya dicat warna hitam untuk memaksimalkan penyerapan energi surya. Air yang telah mencapai suhu yang diinginkan disimpan ke sebuah silinder sebagai tempat penyimpanan. Solar water heater juga dilengkapi beberapa sensor untuk menjaga suhu air yang diinginkan. Solar Water Heater juga dapat memanaskan air mengunakan listrik jika cuaca hujan/mendung. Gambar 2.2 menunjukkan solar water heater.
Gambar 2.2 Solar Water Heater
(Sumber: www://pacemen.com/2011/11/09/solar-water-heater-till-today/)
Keterangan : 1. Pipa-pipa air 2. Tabung silinder
a. Solar cooker (Memasak dengan Energi Surya)
Solar Cooker adalah alat memasak yang mengunakan energi surya . Perkembangan pengunaan solar cooker ini telah meluas terutama di Negara India, yang memiliki radiasi matahari per hari sekitar 600W/m2 (Buddhi D dkk : 2003). Solar cooker ini juga memiliki berbagai bentuk konstruksi.
Beberapa bentuk memiliki cara kerja yang sedikit berbeda, tapi pada prinsipnya solar cooker mengunakan energi surya, dan diubah menjadi energi panas untuk memasak makanan.
Buddhi D dkk (2003:1), mereka mendesain solar cooker berbentuk box dan mengunakan termal storage untuk dapat menyimpan energi panas yang akan digunakan untuk memasak pada malam hari. Gambar 2.3 menunjukkan solar cooker jenis panel.
Gambar 2.3 Solar Cooker
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan : 1. Vessel 2. Reflektor
b. Solar Driers (Pengering dengan Energi Surya)
Pada negara-negara berkembang, produk-produk pertanian dan perkebunan sering dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar driers. Cara kerjanya adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk pertanian yang akan dikeringkan. Gambar 2.4 menunjukkan bagian-bagian utama solar driers.
Gambar 2.4 Solar Driers
(Sumber: www.climatetechwiki.org)
c. Solar Ponds
Ini tergolong aplikasi dengan skala cukup besar. Cara kerjanya adalah garam yang mengendap di dasar, dan disinari matahari akan bertambah panas. Panas ini digunakan untuk memutar turbin. Mengunakan prinsip rankine organik. Gambar 2.5 memperlihatkan konstruksi solar ponds.
Gambar 2.5 Solar Ponds
(http://climatelab.org/Solar_Ponds)
d. Solar Architecture
Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan.
Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di Jepang.
Dari segi artistik juga mendapatkan tanggapan positif demikian juga dari segi pemanfaatan energi termalnya. Fungsi dari solar architecture adalah
untuk membuat ruangan menjadi nyaman. Gambar 2.6 menunjukkan desain perumahan yang berdasar pada solar architecture.
Gambar 2.6 Solar Architecture
(Sumber : www://inhabitat.com/solar-wind-pavilion/)
e. Solar Air-Conditioning
Pengunaan Air-Conditioning mencapai puncaknya pada saat matahari terik/panas. Inilah yang dimanfaatkan menjadi Solar-Air Conditioning.
Cara kerjanya adalah dengan kolektor tabung hampa panas yang memanaskan air untuk mengerakkan sebuah chiller penyerapan sinar matahari secara langsung. Udara digunakan sebagai pendingin. Dengan teknologi ini juga, kerusakan atmosfer akan dapat dihindarkan. Gambar 2.7 menunjukkan bagian-bagian solar air-conditioning.
Gambar 2.7 Solar Air-Conditioning
(Sumber: www.blog.qualitytechnic.com/2012/03/solar-air-conditioning.html)
f. Solar Chimney
Solar Chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar.
Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas.
Biasanya juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerjanya adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong. Pada cerobong biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan turbin, sehingga menghasilkan listrik. Gambar 2.8 menunjukkan bagian-bagian utama solar chimney.
Gambar 2.8 Solar Chimney
(Sumber: www://freenewsupdate.blogspot.com/2010/04/solar-updraft-dan concentracing-solar.html)
Keterangan : 1. Turbin 2. Kolektor
3. Tower/Cerobong
g. Solar Destilasi/purification
Solar Destilasi/purification digunakan untuk memurnikan air maupun memisahkan air dengan garam. Cara kerjanya adalah air laut dipompakan setelah itu melewati kolektor, dengan panas dari energi surya ini, air akan
menguap dan menyisakan garam. Uap dikondensasikan menjadi air.
Sehingga didapat 2 hasil yaitu garam dan air tawar. Gambar 2.9 menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.
Gambar 2.9 Solar Distilation Water
(Sumber : http://benjimester.hubpages.com/hub/solar-water-distiller- solar-still)
h. Solar Powerplant
Ini merupakan aplikasi dengan skala yang sangat besar, bisa diaplikasikan di daerah gurun. Dapat menghasilkan listrik dalam kapasitas yang sangat besar. Cara kerjanya ialah energi surya yang terpapar ke reflektor, direfleksikan ke tower yang di tengah. Dari tower itulah energi surya dikumpul dan digunakan untuk menghasilkan listrik. Gambar 2.10 menunjukkan solar power plant di Seville, Spanyol.
Gambar 2.10 Solar Power Plant
(Sumber: http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=is-the-sun- setting-on-solar-power-in-spain)
2. 3 Alat Pemanas Air Tenaga Surya
Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi termal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai beredar beberapa merek PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) yaitu SNI 04-3020-1992, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan. Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan termal sistem seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi
– rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsive pemanas tambahan.
2.3.1 Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya
Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan. Sehingga energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap dan dikumpulkan untuk ditingkatkan temperaturnya oleh kolektor. Panas tersebut dialirkan terhadap pipa tembaga yang berisi refrigeran, kemudian refrigeran akan menjadi panas. Dengan memanfaatkan efek termosiphon dari refrigeran, maka refrigeran yang panas akan mengalami penurunan berat jenis atau perubahan fasa dari cair menjadi gas. Akibat perubahan berat jenis dan perubahan wujud maka refrigeran tersebut akan naik ke bagian atas dan akan memanasi air yang ada pada tangki penyimpan air. Refrigeran pada tangki akan mengalami pendinginan oleh air dengan kata lain panas diserap oleh air. Oleh karena itu, air akan mengalami peningkatan berat jenis dan perubahan wujud dari gas menjadi cair. Hal itu akan mengakibatkan refrigeran akan turun kembali menuju kolektor.
Kemudian dipanaskan oleh matahari kembali. Hal itu akan terjadi secara terus – menurus hingga air menjadi
panas.
Cara kerja sebuah alat pemanas air tenaga surya sistem thermosiphon yaitu:
pada saat matahari bersinar, kolektor menangkap sinar matahari dan secara mekanis mengalirkan panas ke pipa-pipa tembaga yang berisi refrigeran, sehingga suhu air di dalamnya perlahan meningkat. Air yang lebih panas akan bergerak ke atas memasuki tangki penyimpanan dan air yang lebih dingin akan turun memasuki rangkaian pipa tembaga untuk dipanaskan. Begitu seterusnya air bergerak sendiri sampai seluruh air dalam tangki penyimpanan mencapai suhu yang diinginkan. Ketika suhu air panas di tangki penyimpanan sama dengan suhu air panas di panel kolektor, dengan sendirinya air berhenti mengalir. Hal yang menjadi perbedaan dari pemanas sistem pipa-panas dengan sistem thermosiphon adalah pada sistem pipa-panas air.
2.3.2 Energi berguna yang diberikan Kolektor ke air
Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air.
Besarnya energi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:
Qu = mw Cp,w (Tw2– Tw1)... (2.2)
2.4 Tangki Pada Pemanas Air Tenaga Surya
Tangki pada pemanas air tenaga surya berfungsi untuk menyimpan air panas yang telah dipanasi. Tangki penyimpanan menjadi bagian yang penting karena tangki berfungsi untuk menjaga suhu air tetap panas sebelum digunakan.
2.4.1 Jenis-jenis Tangki
Tanki dapat memiliki bermacam – macam bentuk dan tipe, masing – masing tipe memiliki kelebihan dan kekurangan serta kegunaan masing – masing . Secara umum tangki penyimpanan dapat dibagi menjadi dua bila diklasifikasikan berdasarkan tekanannya ( tekanan internal ) yaitu:
1. Tangki Atmosferik (Atmospheric Tank) 2. Tangki Bertekanan (Pressure Tank) a. TANGKI ATMOSFERIK
Terdapat beberapa jenis dari tanki timbun tekanan rendah ini yaitu :
Fixed cone Roof tank , digunakan untuk menimbun atau menyimpan berbagai jenis fluida dengan tekanan uap rendah atau amat rendah (mendekati atmosferik) atau dengan kata lain fluida yang tidak mudah menguap namun pada literatur lainnya menyatakan bahwa fixed roof (cone atau dome) dapat digunakan untuk menyimpan semua jenis produk (crude oil, gasoline, benzene, fuel dan lain – lain) termasuk produk atau bahan baku yang bersifat korosif , mudah terbakar, ekonomis bila digunakan hingga volume 2000 , diameter dapat mencapai 300 ft (91.4 m) dan tinggi 64 ft (19.5 m).
Gambar 2.11 Fixed cone Roof tank
(Sumber : http://www.astanks.com/EN/Fixed_roof_EN.html)
Tangki umbrella, kegunaanya sama dengan fixed cone roof bedanya adalah bentuk tutupnya yang melengkung dengan titik pusat meredian di puncak tangki.
Tangki tutup cembung tetap (fixed dome roof), bentuk tutupnya cembung, ekonomis bila digunakan dengan volume > 2000 dan bahkan cukup ekonomis hingga volume 7000 (dengan D < 65 m), kegunaanya sama dengan fix cone roof tank.
Gambar 2.12 Tanki Tutup Cembung Tetap
(Sumber : http://www.astanks.com/EN/Fixed_roof_EN.html)
Tanki Horizontal, tanki ini dapat menyimpan bahan kimia yang memiliki tingkat penguapan rendah (low volatility) , air minum dengan tekanan uap tidak melebihi 5 psi, diameter dari tanki dapat mencapai 12 feet (3.6 m) dengan panjang mencapai 60 feet (18.3 m).
Gambar 2.13 Tanki Horizontal
Tanki Tipe plain Hemispheroid, digunakan untuk menimbun fluida (minyak) dngan tekanan uap (RVP) sedikit dibawah 5 psi.
Gambar 2.14 Tanki Tipe plain Hemispheroid
Tanki tipe Noded Hemispheroid, untuk menyimpan fluida (light naptha pentane) dengan tekanan uap tidak lebih dari 5 psi.
Tanki Plain Spheroid , tanki bertekanan rendah dengan kapasitas 20.000 barrel.
Tanki Tipe Noded Spheroid, baik Fixed cone dan dome roof dapat memiliki internal
floating roof, biasanya dengan penggunaan floating roof ditujukan untuk penyimpanan bahan – bahan yang mudah terbakar atau mudah menguap, kelebihan dari penggunaan internal floating roof ini adalah :
1. Level atau tingkat penguapan dari produk bisa dikurangi 2. Dapat mengurangi resiko kebakaran
b. PREASSURE TANK
Dapat menyimpan fluida dengan tekanan uap lebih dari 11,1 psi dan umumnya fluida yang disimpan adalah produk – produk minyak bumi.
Tanki peluru (bullet tank), tanki ini sebenarnya lebih sebagai pressure vessel berbentuk horizontal dengan volume maksimum 2000 barrel biasanya digunakan untuk menyimpan LPG, LPG, Propane, Butane, H2, ammonia dengan tekanan diatas 15 psig.
Gambar 2.15 Tanki Peluru (bullet tank)
Tanki bola (spherical tank), pressure vessel yang digunakan untuk menyimpan gas – gas yang dicairkan seperti LPG, O2, N2 dan lain – lain bahkan dapat menyimpan gas cair tersebut hingga mencapai tekanan 75 psi, volume tanki dapat mencapai 50000 barrel, untuk penyimpanan LNG dengan suhu -190 (cryogenic) tanki dibuat berdinding double dimana diantara kedua dinding tersebut diisi dengan isolasi seperti polyurethane foam , tekanan penyimpanan diatas 15 psig.
Gmbar 2.16 Tanki Bola (spherical tank)
Dome Roof tank, untuk menyimpan bahan – bahan yang mudah terbakar, meledak, dan mudah menguap seperti gasoline, bahan disimpan dengan tekanan rendah 0.5 – 15 psig.
Gmbar 2.17 Dome Roof tank
Terdapat juga tanki penyimpanan khusus yang digunakan untuk menyimpan liquid (H2, N2, O2, Ar, CO2) pada temperature yang sangat rendah (cryogenic), dimana untuk jenis tanki ini diperlukan isolasi (seperti pada spherical tank) dan dioperasikan pada tekanan rendah.
Gambr 2.18 Tangki Penyimpan Liquid
Dan jenis tangki yang akan digunakan pada pengujian ini adalah tangki berbentuk tabung yang dijual di masyarakat umum.
Gambar 2.19 Tangki berbentuk Tabung
2.5 Teori Perpindahan Panas
Konversi energi yang terjadi pada alat pemanas air tenaga surya pada dasarnya adalah perpindahan panas. Panas adalah suatu bentuk energi yang dapat ditransfer dari satu ystem ke ystem lain sebagai fungsi dari perbedaan suhu. Jumlah energi yang ditransfer ini disebut sebagai perpindahan panas (Cengel, 2002). Energi surya dapat diterima oleh pelat penyerap karena perpindahan panas secara radiasi dari matahari.
Energi yang diterima oleh air disebabkan karena perpindahan panas secara konduksi dan konveksi.
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi interaksi
antara partikel (Cengel, 2002). Gambar 2.15 menunjukkan skema perpindahan panas secara konduksi.
Gambar 2.20 Skema perpindahan panas secara konduksi (Sumber: Incropera,2011)
Rumus umum:
q = k.A (Δ T)
q =... 2.3
Konduktivitas termal bahan berbeda-beda tergantung jenis bahan tersebut. Jika konduktivitas semakin tinggi, maka benda tersebut dapat menghantarkan panas dengan baik, begitu juga sebaliknya. Pada kolektor surya pelat rata, bahan dengan konduktivitas termal yang baik digunakan sebagai pelat penyerap dan pipa sirkulasi, sedangkan bahan dengan konduktiitas yang buruk digunakan sebagai isolator untuk
mengurangi kerugian panas yang terjadi. Tabel 2.3 menunjukkan beberapa jenis bahan dengan konduktivitasnya.
Tabel 2.1 Kondukivitas termal beberapa bahan
No Bahan Konduktivitas termal (W/m.K)
1 Tembaga 385,0
2 Aluminium 211,0
3 Timah putih 66,0
4 Baja, 1% karat 45,0
5 Baja tahan karat 16,0
6 Kaca 1,05
7 ABS (Akrilonitril-Butadien-Stiren) 0,27
8 Polikarbonat 0,2
9 Karet alam 30 durometer 0,14
10 Karet alam 70 durometer 0,17
11 Isolasi papan serat kaca 0,043
Sumber: Jansen, 1995
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi adalah bentuk dari transfer energi diantara permukaan padat dan fluida yang bergerak dan terkandung efek kombinasi konduksi dan fluida bergerak.
Rumus umum:
q = h.A.∆T………... ... 2.4
1. Konveksi Paksa
Konveksi paksa adalah perpindahan panas pada fluida yang dialirkan secara paksa. Konveksi terdiri atas dua jenis yaitu internal forced convection dan external forced convection. Internal forced convectionadalah konveksi paksa yang terjadi didalam suatu bidang yang memiliki batas aliran, sedangkan external forced convectionadalah konveksi paksa dimana fluida yang mengalir tidak memiliki batas aliran. Gambar 2.16 menunjukkan external forced convection (a) dan internal forced convection (b).
(a) (b)
Gambar 2.21 Externalforced convection (a) dan internal forced convection (b).
(Sumber: Cengel, 2002)
Dalam kajian internal forced convectionterdapat beberapa parameter yang berkaitan dengan laju aliran fluida yang perlu diperhatikan, antara lain:
a. Bilangan Reynold
Bilangan Reynold adalah bilangan tanpa dimensi yang menunjukkan jenis aliran fluida. Menurut (Jansen,1995) bilangan Reynold dapat diperoleh dengan:
Re = ……… ... 2.5
Bila bilangan Reynold berkisar < 2.000 maka alirannya laminar, sedangkan bila berkisar antara > 10.000 maka alirannya turbulen. Bila bilangan Reynold berada diantara 2000 -10000, maka alirannya adalah transisi.
b. Bilangan Nuselt
Bilangan Nuselt adalah salah satu bilangan tanpa dimensi lainnya setelah bilangan Reynold. Bila aliran laminar maka:
Nu= 3,66 + ... 2.6
Bila alirannya turbulen maka:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3 ... 2.7 Persamaan di atas berlaku apabila:
(0,7 ≤ Pr ≤ 160) dan (Re > 10.000)
Bila alirannya aliran transisi maka digunakan persamaan yang diajukan oleh Gnielinski (Cengel, 2002):
Nu =... 2.8
Persamaan ini berlaku, apabila:
(0,5 ≤ Pr ≤ 2000) dan (3 x 103< Re < 5 x 106)
Nilai f diperoleh dengan persamaan Petukhov (Cengel. 2002)
f = (0,790 ln Re – 1,64)-2... 2.9
Koefisien perpindahan panas konveksi diperoleh dengan menggunakan rumus h = Nu... 2.10
2. Konveksi Natural
Konveksi natural perpindahan panas yang terjadi secara alami yang mengakibatkan terjadinya aliran fluida. Gambar 2.17 memperlihatkan terjadinya konveksi alami pada suatu permukaan.
Gambar 2.22 Konveksi alami pada suatu permukaan
(Incropera, 2011)
Bilangan-bilangan tanpa dimensi yang sering digunakan untuk menghitung konveksi alamiah adalah (Incropera,2011) :
GrL =... 2.11 dan
RaL= = GrL Pr ... 2.12
Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi alamiah pada pelat luar telah diturunkan secara analitik, dengan asumsi bawah aliran adalah laminar. Namun faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulent. Bilangan Nusselt pada pelat vertikal dengan Ts konstan dapat dirumuskan sebagai berikut :
Jika bilangan 10-1<Ra<101, maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah (Incropera, 1985):
Nu = 0.68 ...2.13
Jika bilangan Ra< 1012, maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah (Incropera,2011):
Nu = [ 0.68 ]
2……….2.14
2.5.3 Pepindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa melalui media perantara (padat dan fluida).Gambar 2.18 menunjukkan skema perpindahan panas radiasi.
Gambar 2.23 Skema perpindahan panas radiasi.
(sumber : cengel,2002)
Penukaran panas netto secara radiasi termal diantara dua badan ideal (hitam) diberikan oleh Gray, 1974.
q = σ A (T14-T24)... 2.15
Dalam praktik pada kolektor surya, permukaan bukan pemancar atau pun penyerap yang sempurna dari radiasi termal. Permukaan “kelabu” semacam ini ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan dan diserap.
Perpindahan panas radiasi antara pelat penyerap dengan kaca dirumuskan oleh (Jansen, 1995).
q =... ... 2.16
2.6 Analisis Energi Pada Tangki
2.61 Analisis Energi yang Terdapat pada Air
Untuk menghitung energi yang terdapat pada air digunakan persamaan:
Q = m.Cp.∆T ………...2.1
2.6.2 Analisis Kehilangan Energi pada Tangki
Kehilangan panas pada tangki dapat diperoleh dengan menjumlahkan total panas yang terbuang pada sisi tangki. Pada sisi dinding, atas dan bawah tangki analisis dapat digunakan dengan menggunakan analisis perpindahan panas secara konveksi dan konduksi, dengan persamaan:
Rtotal = Rconv1 + Rcyl1 + Rcyl2 + Rcyl3 + Rconv2
= +
+ + +
………….…….2.18Dan skemanya sebagai berikut :
Gambar 2.24 Pepindahan panas melalui silinder 3 lapis (sumber : Cengel,2002)
Setelah mendapat Rtotal maka dapat dihitung kalor yang keluar dengan persamaan :
Qout = ………..………2.19
Sementara nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada permukaan luar tangki yang dilalui angin (hw), diberikan oleh Jansen, 1995:
hw = 5.7+(3.8 x v)
Total kehilangan kalor pada kolektor dapat diperoleh sebagai total energi yang terbuang dari sebuah kolektor.
Σ Qout= Σ Qout,a + Σ Qout,s + Σ Qout,b ... 2.20
2.7 Analisis Termal Efisiensi Tangki
Efisiensi termal tangki ialah nilai perbandingan antara energi yang tersimpan pada tangki (qtersimpan) dengan energi yang diterima oleh tangki (qin). Untuk memperoleh nilai efisiensi kolektor maka digunakan persamaan 2.24 (Duffie and Beckman, 1991).
η
thermal=
× 100% ... 2.21
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Agustus 2017- Agustus 2017. .Lokasi penelitian bertempat di Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.2 Peralatan Pengujian
Adapun beberapa alat perancangan dan pengujian yang digunakan adalah :
1. Komputer
Komputer digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.
3.1 Laptop
Dengan spesifikasi:
Processor : Intel Core i3
Memory : 2 GB
Hardisk : 500 GB
34
2. Agilient
Alat ini dihubungkan dengan termo couple yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturenya,setelah itu akan disimpan ke dalam alat ini, setelah itu dipindahkan ke computer untuk dapat di olah datanya.
Gambar 3.2 Agilient 3 a 972 A
Dengan Spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah Saluran Termokopel 20 buah c. Tegangan 250 Volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem control
g. Fungsional antara lain pembacaan suhu Termokopel, RTD dan Termistor arus listrik AC.
3. Hobo Microstation data logger
Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke computer untuk diolah datanya. Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Microstation data logger yaitu :
35
2
4
1
Gambar 3.3 Hobo Microstation data logger
Keterangan:
1. Pyranometer
Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi.
2. Wind Velocity Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin 3. Ambient Measurement apparatus
Alat ini digunakan untuk mengukur temperature lingkungan sekitar 4. T and RH smart sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban and temperature lingkungan sekitar
Dengan Spesifikasi :
a. Skala pengoperasian
b. Input Processor monitoring
: 20 o C -50 o C dengan baterai alkalin 40 o C -70 o C dengan baterai lithium : 3 buah sensor pintar multi channel
c. Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
36
f. Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna) g. Akurasi Waktu : 0 – 2 detik
4. Tangki
Pemanas air tenaga surya (PATS) ini menggunakan kolektor plat datar yang berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi energi panas. Pemanfaatan energi surya untuk memanaskan air dilakukan dengan menggunakan alat yang disebut kolektor termal surya. Kolektor termal surya atau yang biasa disebut kolektor surya merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menyerap energi yang terdapat pada radiasi surya, yang kemudian mengubah energi tersebut menjadi energi termal, kemudian energy tersebut akan ditransfer langsung ke fluida yang dipanaskan maupun ke fluida lain yang digunakan untuk memanaskan. Dalam hal ini reffrigerant R-718 merupakan fluida yang memanaskan dan air yang dipanaskan.
Tangki yang digunakan pada pengujian ini sudah diisolasi terlebih dahulu, menggunakan polyurethane dan glasswool, dan lapisan paling luar menggukan plat aluminium.
37
Gambar 3.4 Tangki
Dengan spesifikasi dari dinding tangki adalah sebagai berikut:
= 0,25 m ;
=
0,15 W/m.K;= 1,2 m; = 1,33 m
= 0,245 m ; = 0,026 W/m.K;
= 1,26 m
=
0,215m ; = 0,034 W/m.K;= 1,32 m
= 0,185 m ;
Energi yang hilang ke sisi dinding tangki dapat dilihat pada skema gambar 3.5 di bawah ini:
Gambar 3.5 Skema Kehilangan Panas ke Sisi Samping Tangki
38
itu disebabkan karena pengujian yang dilakukan pada sore hari hingga malam hari mulai dari pukul 5 sore sampai jam 6 pagi. Dan perpindahan panas secara radiasinya hanya terjadi pada panelnya sedangkan pada tangki tidak.
Perpindahan panas secara konveksi terjadi antara 2 fasa dengan ada medianya(zat cair atau gas). Pepidahan panas konveksi yang terjadi pada Rconv1 dan Rconv2. Rconv1 ialah daya keluar dari air ke tangki(K/watt) dan hal tersebut menyebabkan konveksi karena adanya zat medianya yaitu air. Sedangkan Rconv2 ialah daya yang keluar dari plat aluminium ke suhu lingkungan ataupun udara (K/watt) dan hal tersebut juga merupakan perpindahan panas secara konveksi karena adanya zat medianya yaitu udara.
Perpidahan panas konduksi terjadi pada 2 fasa yang langsung bersentuhan tanpa ada medianya(zat cair/gas). Dalam pengujian tangki ini Rcyl1,Rcyl2 dan R,cyl3 merupakan perpidahan panas secara konduksi. Yang mana Rcyl1 ialah daya keluar dari tangki ke polyurethan(K/watt) dan fasa itu yang bersentuhan langsung. Pada Rcyl2 ialah daya yang keluar dari polyurethan ke glasswoll(K/watt) dan fasa itu yang bersentuha langsung. Sedangkan Rcyl3 ialah daya yang keluar dari glasswoll ke plat aluminium(K/watt) dan fasa itu yang bersentuha langsung. Panas yang didapat dari perpindahan panas konduksi ini ialah dari air yang dipanaskan. Dalam hal ini r1 merupakan jari-jari dari titik tengah sampai ke tangki paling dalam. Dan r2 merupakan jumlah dari jari-jari r1 ditambah dengan tebal tangki kemudian tebal polyurethan. Kemudian r3 merupakan jumlah jari-jari r2 ditambah dengan tebal glasswoll. Dan untuk r4 merupakan jumlah dari jari-jari r3 ditambah tebal plat aluminum.
39
Gambar 3.6 Sifat Air
Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O: satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Pada Percobaan ini, Air dari PDAM digunakan sebagai bahan utama pengujian.
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Adapun waktu penelitian dilakukan selama 3 (tiga) bulan yaitu mulai dari bulan Agustus s/d Oktober 2017. Pengujian dilakukan selama 4 hari yaitu 11 – 12 Oktober 2017 dan 18 – 19 Oktober 2017 mulai dari pukul 17:00 s/d 06:00.
3.5 Set Up Experimental
Penelitian ini menggunakan Mikro stasiun data Logger untuk mengukur kecepatan angin dan kabel termokopel terhubung langsung ke agilent dan ditempelkan pada air dan juga di dinding tangki. Berikut ini adalah Experimental Set Up pada penelitian ini.
40
Tangki
Gambar 3.7 Set Up Experimental
Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah :
1. Temperatur Air (Ta).
2. Temperatur udara dinding tangki (Td).
3. Nilai Efisiensi (v).
Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur Tangki pada Pemanas Air Tenaga Surya
Titik 6 Chanel 116 Air dalam tangki Titik 7 Chanel 117 Lapisan tangki luar Titik 8 Channel 120 Suhu Lingkungan
41
diatas.
2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang pada tangki ke Agilent data acquisition.
3. Tandai kabel-kabel termokopel sesuai chanel pada agilent data acquition dengan memberi label supaya data pengukuran tidak tertukar.
4. Masukkan flasdisk ke port usb.
5. Hidupkan alat dengan menekan tombol on/off.
6. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan dilakukan. Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch perubah angka untuk mengatur waktu yang diinginkan.
7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol scan lama sampai muncul scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk.
8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan dalam format Microsoft Office Excel dan siap untuk diolah.
42
MULAI
Bimbingan dosen, Buku, Studi Literatur
jurnal, dll
Tahap Persiapan
Persiapan Alat dan Bahan
Tahap Pengujian
Pengisian Air ke dalam Tangki
Penyetelan Alat Ukur
Pengujian Tangki
Data Output
Temperatur (°C)
TIDAK Hasil
Analisa Hasil dan Penelitian
KESIMPULAN
SELESAI
Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian
43
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Energi yang Terdapat pada Air
Energi yang terdapat pada air di awal pengujian (Qawal) adalah energi yang disimpan air selama pengujian pada pagi sampai siang sore hari. Untuk mengetahui energi yang terdapat pada air digunakan persamaan:
Q = m.Cp.∆T Dimana: Q = energi yang terdapat pada air (Joule)
m = massa air (kg) Cp = kalor jenis (kJ/kg.K)
∆T = perubahan suhu (K)
Berikut ini adalah energi yang terdapat pada air di awal pengujian setiap harinya:
1. Pengujian hari pertama (11 Oktober 2017) Dari data hasil pengukuran Agilent diketahui:
Tawal = 44,1 °C = 317,11 K Takhir = 39,69 °C = 312,69 K
Tf =
=
= 314,9 KNilai Cp@314,9 K = 4.179,87 J/kg.K
Menghitung nilai m:
m = V× ρ
= V × ρ@314,9 K
= 120x 991,43 g/
= 118,972 kg
Maka energi yang terdapat pada air adalah:
Q = m × Cp × ∆T
= 118,972 kg × 4.179,87 J/kg.K × 4,42 K
= 2.198.010,72 Joule
= 2.198,01 KJ
Gambar 4.1 Grafik Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Pertama Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa penurunan suhu air, lingkungan, dan tangki terlihat konstan dan tidak terjadi perubahan suhu yang besar. Adapun hal ini disebabkan oleh tidak adanya lagi radiasi dari matahari dan suhu pada malam hari yang konstan. Suhu lingkungan pada pukul 6 sore ke pukul 6.30 sore terjadi perubahan yang sedikit mencolok. Hal ini disebabkan oleh perubahan suhu dari sore ke malam hari.
Suhu lingkungan mempengaruhi suhu tangki. Apabila suhu lingkungan turun maka suhu tangki juga turun. Tetapi pada pukul 4 pagi terjadi kenaikan suhu sedikit dan suhu lingkungan tetap turun. Pada suhu air yang berkurang hanya sedikit juga dipengaruhi oleh adanya isolasi pada tangki yang menjaga agar air tetap panas.
2. Pengujian hari kedua (12 Oktober 2017) Dari data hasil pengukuran Agilent diketahui:
Tawal = 48,65 °C = 321,65 K Takhir = 43,26°C = 316,26 K
Tf =
=
= 318,955 KNilai Cp@318,955 K = 4.181,73 J/kg.K Menghitung nilai m:
m = V × ρ
= V × ρ@311,925 K
= 120x 989,26 g/
= 118,711 kg
Maka energi yang terdapat pada air adalah:
Q = m × Cp × ∆T
= 118,711 kg × 4.181,73 J/kg.K × 5,39 K
= 2.675.689,52 Joule
= 2.675,689 KJ
Gambar 4.2 Grafik Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Kedua
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa penurunan suhu air, lingkungan, dan tangki terlihat konstan dan tidak terjadi perubahan suhu yang besar. Adapun hal ini disebabkan oleh tidak adanya lagi radiasi dari matahari dan suhu pada malam hari yang konstan. Suhu lingkungan mempengaruhi suhu tangki. Apabila suhu lingkungan turun makan suhu tangki juga turun. Pada suhu air yang berkurang hanya sedikit juga dipengaruhi oleh adanya isolasi pada tangki yang menjaga agar air tetap panas.
3. Pengujian hari ketiga (18 Oktober 2017) Dari data hasil pengukuran Agilent diketahui:
Tawal = 49,99 °C = 322,99 K Takhir = 43,03°C = 316,03 K
Tf =
=
= 319,51 KNilai Cp@319,51 K = 4.181,98 J/kg.K
Menghitung nilai m:
m = V × ρ
= V × ρ@311,115 K
= 120x 988,96 g/
= 118,675 kg
Maka energi yang terdapat pada air adalah:
Q = m × Cp × ∆T
= 118,675 kg × 4.181,98 J/kg.K × 6,96 K
= 3.454.223,48 Joule
= 3.454,223 KJ
Gambar 4.3 Grafik Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Ketiga Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa penurunan suhu air, lingkungan, dan tangki terlihat konstan dan tidak terjadi perubahan suhu yang besar. Adapun hal ini disebabkan oleh tidak adanya lagi radiasi dari matahari dan suhu pada malam hari yang konstan. Suhu lingkungan mempengaruhi suhu tangki. Apabila suhu lingkungan turun makan suhu tangki juga turun. Pada suhu air yang berkurang hanya sedikit juga dipengaruhi oleh adanya isolasi pada tangki yang menjaga agar air tetap panas.
4. Pengujian hari keempat (19 Oktober 2017) Dari data hasil pengukuran Agilent diketahui:
Tawal = 40,75 °C = 313,75 K Takhir = 37,04 °C = 310,04 K
Tf =
=
= 311,895 KNilai Cp@311,895 K = 4.178,5 J/kg.K
Menghitung nilai m:
m = V × ρ
= V × ρ@307,49 K
= 120x 993,044 g/
= 119,165 kg
Maka energi yang terdapat pada air adalah:
Q = m × Cp × ∆T
= 119,165 kg × 4.178,5 J/kg.K × 3,71 K
= 1.874.323,83 Joule
= 1.874,323 KJ
Gambar 4.4 Grafik Temperatur Udara dan Air vs Waktu pada Pengujian Keempat Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa penurunan suhu air, lingkungan, dan tangki terlihat konstan dan tidak terjadi perubahan suhu yang besar. Adapun hal ini disebabkan oleh tidak adanya lagi radiasi dari matahari dan suhu pada malam hari yang konstan. Suhu lingkungan mempengaruhi suhu tangki. Apabila suhu lingkungan turun makan suhu tangki juga turun. Pada suhu air yang berkurang hanya sedikit juga dipengaruhi oleh adanya isolasi pada tangki yang menjaga agar air tetap panas.
