Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o

(1)

ANALISA KOMPONEN KOLEKTOR PADA MESIN

PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI TENAGA SURYA DENGAN

VARIASI SUDUT KOLEKTOR 0

0

DAN 30

0

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

BUDIMAN I. N.

100401030

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

ABSTRAK

Matahari merupakan salah satu sumber penghasil energi terbesar di

permukaan bumi. Matahari menghasilkan energi surya, salah satu pemanfaatan

energi surya digunakan sebagai sumber tenaga mesin pendingin siklus adsorpsi.

Mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya disamping membutuhkan biaya

yang ekonomis juga ramah lingkungan. Salah satu yang mempengaruhi kerja dari

mesin pendingin ini adalah adsorber/generator/kolektor. Jenis kolektor yang

digunakan adalah tipe kolektor plat datar. Kolektor pada mesin pendingin ini

dilengkapi bagian isolasi yaitu triplek, busa hitam, sterofoam, rockwall, dan kaca. Luas penampang dari plat adsorber adalah 1 m2 dengan tebal pelat 1 mm. Pada

adsorber diisi karbon aktif sebanyak 25 kg. Adapun tujuan penelitian ini untuk

melihat kinerja kolektor pada mesin pendingin adsorpsi dengan variasi sudut

kemiringan kolektor 0o dan 30o. Dari hasil penelitian diperoleh total kerugian

panas tertinggi yang hilang sebesar 8445472,42 J, total panas tertinggi yang

digunakan kolektor untuk proses desorpsi sebesar 2287248,84 J, dan efisiensi

kolektor tertinggi sebesar 65,67%.

(11)

ABSTRACT

The sun is one of the largest source of energy in the earth's surface. The sun

produces solar energy, one of the utilization of solar energy as a source of power

for adsorption cycle refrigeration machine. Adsorption cycle refrigeration

machine requires a low cost and also safe for the environment. One that affects the

performance of equipment is adsorber/generator/collector. Collector type used is

a type of flat plate collector. Collector on a refrigeration machine equipped with

insulation parts as wood, black foam, styrofoam, rockwall and glass. The

dimensions of each collector is the absorber plate measuring 1 m2 with plate

thickness 1 mm. Activated carbon is filled in the adsorber in the amount of 25 kg.

The purpose of research to determine the performance of the collector on

equipment with variations of the angle of the collector 0o dan 30o. From the

research obtained the highest amount of heat loss is 8445472,42 J, the highest heat

total used a collector for the desorption process is 2370637,89J, and the actual

efficiency of the collector is 65,67%.

(12)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas

berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi

ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan

untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu

“Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga

Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o.”

Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak

membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh

sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:

1. Orang tua penulis Bapak B. Nainggolan dan Ibunda F. Sianturi yang tidak

pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih

sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Kepada kedua saudara

kakak dan adik penulis yang terus memberi semangat.

2. Bapak Ir.Tekad Sitepu,M.T selaku Dosen Pembimbing yang telah

memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada

penulis selama penyusunan skripsi ini.

3. Bapak Ir. Zamanhuri, M.T. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.M.T sebagai

dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang

(13)

4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita yang telah banyak membantu memberi

saran dan waktu diskusi serta membimbing secara langsung di lapangan

selama pengerjaan Tugas Akhir ini.

5. Bapak Tulus Burhanudin, ST, MT yang juga telah banyak meluangkan

waktunya untuk berdiskusi dengan penulis dan tim serta memberi saran

dan masukan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.

6. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

7. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera.

8. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin

di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan

memberikan bimbingan selama perkuliahan.

9. Rekan satu tim skripsi yaitu Piter H, Jagardo Damanik, dan Parna E

Sitanggang yang terus saling menyemangati.

10.Sahabat-sahabat saya kaum terpelajar yang terus memberi semangat

kepada penulis.

11.Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

terkhusus stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai

kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun

dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi

tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.

(14)

Medan, April 2016

Penulis,

Budiman I. N.

(15)

DAFTAR ISI

ABSTRAK …….………... i

KATA PENGANTAR ………... iii

DAFTAR ISI ………... vi

DAFTAR GAMBAR ………..... x

DAFTAR TABEL ………...... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

DAFTAR NOTASI. ………... xv

BAB I. PENDAHULUAN ……..………... 1

1.1 δatar Belakang ………...……… 1

1.2Tujuan Penelitian ………...……… 3

1.3 Batasan εasalah ………. 3

1.4 εanfaat Penelitian ………. 3

1.5 Sistematika Penulisan ………. 4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ……….…..... 6

2.1Energi Surya ...……….. 6

2.2Kolektor Surya ...………... 8

2.2.1Klasifikasi Kolektor Surya ..………. 9

2.2.2Manfaat Kolektor Surya …….……….………. 12

2.3Mesin Pendingin Siklus Adsorps ………... 13

2.3.1Siklus Ideal Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ………...…... 13

2.3.2Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi …………...…………... 16

2.4 Tinjauan Perpindahan Panas ……….. 18

(16)

2.4.2 Konveksi ……….. 21

2.4.3 Radiasi ……….………. 22

2.5Intensitas Radiasi Matahari ...………. 24

2.6Posisi Matahari ...……… 25

2.7Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ………... 26

2.7.1Perhitugan Panas yang Diserap Kolektor ...…………... 26

2.7.2Perhitungan Kerugian Panas Kolektor …………... 28

2.8Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 30 2.9Efisiensi Kolektor ... 31

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ……….. 32

3.1Tempat Waktu dan Penelitian ………... 32

3.1.1Tempat Penelitian ………. 32

3.1.2 Waktu Penelitian ………...……….. 32

3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan ……….... 33

3.2.1Peralatan Penelitian ………... 33

3.2.2 Bahan Penelitian ………... 37

3.3 Proses Pembuatan Model Fisik Kolektor ………... 39

3.4 Persiapan Penelitian ………... 42

3.5 Prosedur Penelitian ………... 43

3.6 Variabel Penelitian ………. 44

3.7 Kerangka Konsep Hasil Penelitian …….……….... 45

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ……….... 46

4.1Hasil Penelitian ……….. 46

(17)

4.1.2Hasil Penelitian Kolektor Surya Sudut 30o ………. 49

4.2Pengolahan Data Kolektor ... 52

4.2.1Pengolahan Data Kolektor Sudut 0o………... 52

4.2.1.1Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari ... 52

4.2.1.2Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor... 53

4.2.1.3Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor.. 56

4.2.1.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ... 56

4.2.1.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ... 58

4.2.1.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor ... 60

4.2.2Pengolahan Data Kolektor Sudut 30o ……….. 62

4.2.2.1Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari ... 62

4.2.2.2Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor... 65

4.2.2.3Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor.. 67

4.2.2.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ... 68

4.2.2.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ... 70

4.2.2.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor ... 71

4.3Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 73 4.3.1Energi Panas yang Digunakan Kolektor 0o untuk Proses Desorpsi.. 73

4.3.2Energi Panas yang Digunakan Kolektor 30o untuk Proses Desorpsi 74 4.4Kesetimbangan Energi ... 75

4.4.1Kesetimbangan Energi Kolektor 0o... 75

4.4.2Kesetimbangan Energi Kolektor 30o... 77

4.5Efisiensi Kolektor ... 78

(18)

4.5.1.1Kolektor Sudut 0o ... 79

4.5.2Efisiensi Kolektor Berisi Karbon Aktif ………... 80

4.6Analisa Grafik ... 82

4.6.1Data Hobo ………... 82

4.6.2Perhitungan Analisa Data Kolektor Sudut 0o dan 30o ... 84

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ………... 88

5.1Kesimpulan ………... 88

5.2 Saran ... 89 DAFTAR PUSTAKA ………... xvi

(19)

DAFTAR GAMBAR

Kolektor Surya Pelat Datar Sederhana …...

Kolektor Konsentrator ………...………

Kolektor Tabung Vakum..………...…………....

Diagram Tekanan vs Temperatur penunjuk Garis Isoster...

Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi …..…....

Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ……...…….

Perpindahan Panas pada Isolasi Kolektor Surya …………...

Intensitas Radiasi Matahari………...

Tata Letak Lokasi Penelitian……….…

Laptop...………...

Pace XR5 Data Logger………...……...…...… Termokopel ...………..………. Hobo Microstation data logger ………....……..………

(20)

3.14

Desain Kolektor pada Solidwork………...………

Rangka Kolektor ………...…………

Kotak Isolator Kolektor...……….….

Adsorber...…………..

Pemasangan Adsorber pada Kotak Isolasi ………...………

Kaca Kolektor ….…….…...………

Pemasangan Kolektor pada Mesin Pendingin ………….…...……..

Peletakan Titik Termokopel pada Kolektor ………..….…...……

Diagram Alir Tahapan Penelitian...………..…...….…..…

Isolasi pada Kolektor…………...…….…..

Kesetimbangan Energi Kolektor ……...…...

Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 0o...

Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 0o...

Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 0o...

Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 30o...

Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 30o...

Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 30o...

Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor

0o...

Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor

30o...

(21)

4.13

4.14

4.15

4.16

4.17

4.18

Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 0o...

Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 30o...

Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 0o...

Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 30o...

Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 0o...

Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 30o...

85

86

87

(22)

DAFTAR TABEL

Spesifikasi Pyranometer……….…..….... Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 0o………...….

Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 0o………...….

Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 0o………...….

Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 30o………...….

Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 30o………...…...….

Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 30o………...….

Data Pengujian I Kolektor Sudut 0o dalam 60 menit ……….…….

Hasil Perhitungan Intensitas Matahari kolektor 0o selama 24 jam...…...….

Data Perhitungan Panas yang Diserap ke dalam Kolektor 0o……...……..

Hasil Perhitungan Qrad, S dan QLKolektor 0o...

Data Intensitas Kolektor 30o dalam 60 menit...

Perhitungan Pengujian I Kolektor 30o…...

Perhitungan Data Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 30o...

Perhitungan Nilai Tranmisivitas Kolektor 30o………...

Perhitungan Nilai Panas yang Masuk ke dalam Kolektor 30o..…...…....

Data Perhitungan Koefisien Kerugian Panas UT. Kolektor 30o….…..…... 36

Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor 0o untuk Desorpsi(Qic)... 74

(23)

DAFTAR LAMPIRAN

Lamp 1. Data Pengujian Kolektor Sudut 0 Derajat Tangggal 16 - 19 November 2015... xviii

Lamp 2. Data Pengujian Kolektor Sudut 30 Derajat Tangggal 26 - 29 November 2015....…. xxxiv

(24)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

Tpm Temperatur Plat Rata-rata oC

∞ Temperatur Lingkungan oC

G _{Intensitas Cahaya Matahari} _W/m2

Ac Luas Penampang Adsorber m2

Qit Panas masuk kolektor J/m2

QT Kerugian panas sisi atas kolektor W/m2K

QB Kerugian panas sisi bawah kolektor W/m2K

QE Kerugian panas sisi samping kolektor W/m2K

QL Jumlah panas hilang dari kolektor J/m2

S Panas yang diserap kolektor J

Qic Energi panas yang diserap karbon aktif J

Qit Intensitas matahari J

mac Massa karbon aktif dalam kolektor kg

mr Massa refrigeran metanol yang teradsorpsi kg

Cpac Panas spesifik karbon aktif J/kg K

Cpr Panas spesifik refrigeran metanol J/kg K

∆ Temperatur pemanasan K