ANALISA KOLEKTOR SURYA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI 3D SKRIPSI

ANALISA KOLEKTOR SURYA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI 3D. SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik. DISUSUN OLEH:. JOHN PETER SIMANJUNTAK 110401132. DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016. Universitas Sumatera Utara.

ABSTRAK. Energi surya merupakan energi terbesar di muka bumi, di Indonesia sendiri energi surya dapat dimanfaatkan ke berbagai hal. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia untuk Kawasan Barat Indonesia (KBI) mencapai 4,5 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 10%, sementara itu untuk Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 9%. Dengan demikian Energi surya tersebut dimanfaatkan sebagai sumber energi utama pada mesin pendingin siklus adsorpsi untuk menghasilkan efek pendinginan. Objek simulasi pada penelitian ini adalah kolektor dengan menggunakan software Fluent Ansys 15.0 dan dimodelkan dengan software 3D CAD. Kolektor memiliki luas penampang sebesar 1m2, dilapisi dengan 2 lapis kaca penutup dan dipasang dengan sudut 0o. Dari hasil simulasi ini didapat total energi surya yang terserap oleh kolektor secara teoritis adalah sebesar 10,472 MJ, temperatur rata-rata pada plat atas kolektor didapat dari simulasi ini adalah sebesar 92,5℃, temperatur rata-rata pada plat bawah kolektor adalah sebesar 89,95 ℃, dan temperatur rata-rata pada kaca atas kolektor sebesar 82,92 ℃.. Kata kunci: energi surya, mesin pendingin, adsorpsi, kolektor, simulasi, 3D. Universitas Sumatera Utara.

ABSTRACT Solar Energy is the biggest energy on the earth, solar enegy in Indonesia can be utilized for variety of things. Based on solar radiation data collected from 18 locations in Indonesia, solar radiation for West Indonesia area has reached 4,5 kWh/m2 /day with monthly variation about 10%, while East Indonesia area has reached about 5,1 kWh/m2 /day with monthly variation about 9%. Therefore, the solar energy can be utilized as the main source of energy for the adsorption refrigeration cycle cooling machine to produce cooling effect. The simulation object of this research is collector, which simulated with Fluent Ansys 15.0 software and modeled with 3D CAD software. The surface area of this collector is about 1m2 ,covered with 2 glass covers and tilted at 0o. The result from this simulation is the theoretical solar energy that adsorbed into collector about 10,472 MJ, average temperature at upper collector plate about 92,5℃, average temperature at lower collector plate about 89,95 ℃, and average temperature at upper glass cover about 82,92 ℃.. Keyword: solar energy, cooling machine, adsorption, collector, simulation, 3D. Universitas Sumatera Utara.

KATA PENGANTAR. Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih karuniaNya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik pada waktunya. Penulisan Skripsi ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa S-1 untuk dapat menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Akhir yang dipilih merupakan bidang Teknik Pendingin dengan judul “ANALISA KOLEKTOR SURYA MESIN ADSORPSI DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI 3D”. Dalam penulisan skripsi ini, penulis mendapat banyak dukungan dan masukan ide dari beberapa pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST., MT., selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam pengujian dan penyusunan laporan skripsi, serta memberikan bahan-bahan referensi kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT., selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara. 4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu dan melengkapi segala keperluan dalam pengerjaan laporan ini. 5. Kepada kedua orang tua saya tercinta Hotler Simanjuntak dan Surtiwati Tambunan yang tidak henti-hentinya memberikan dukungan baik secara moril maupun materi kepada penulis dengan kasih sayang. 6. Rekan satu tim penelitian, Efsartua Butarbutar, Daniel C Sibarani, dan Anthony Tannady atas kerja sama yang keras dalam melakukan pengujian dan penyelesaian skripsi. Universitas Sumatera Utara.

7. Kepada teman-teman lainnya yang tidak terucapkan satu per satu atas dukungan yang telah diberikan. 8. Seluruh teman-teman mahasiswa Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara angkatan 2011 yang memberikan semangat serta solusi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan selama penyelesaian skripsi ini. Penulis menyakini 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,. Desember. 2016. Penulis,. John Peter Simanjuntak NIM. 110401132. Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR ISI. ABSTRAK ........................................................................................................... i ABSTRACT ......................................................................................................... ii KATA PENGANTAR......................................................................................... iii DAFTAR ISI........................................................................................................ v DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………..viii DAFTAR TABEL…………………………………………………………….....xi DAFTAR SIMBOL…………………………………………………………….xii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1 1.2 Perumusan Masalah ........................................................................ 2 1.3 Batasan Masalah .............................................................................. 3 1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................. 3 1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................... 4 1.6 Sistematika Penulisan ...................................................................... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 6 2.1 Energi Surya ...................................................................................... 6 2.2 Kolektor Surya ................................................................................. 8 2.2.1. Klasifikasi Kolektor Surya ..................................................... 9. 2.2.2. Manfaat Kolektor Surya ......................................................... 12. 2.3 Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi ........................................... 13 2.4 Tinjauan Perpindahaan Panas .......................................................... 16 2.4.1. Konduksi ................................................................................ 17. 2.4.2. Konveksi ................................................................................ 19. 2.4.3. Radiasi .................................................................................... 19. 2.5 Intensitas Radiasi Matahari .............................................................. 21. Universitas Sumatera Utara.

2.6 Posisi Matahari ................................................................................. 23 2.7 Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar .............. 25 2.7.1. Perhitungan Energi Panas yang diserap Kolektor .................. 25. 2.7.2. Perhitungan Kerugian Panas pada Kolektor .......................... 27. 2.7.3. Energi Panas yang Digunakan untuk Memanaskan Karbon Aktif .......................................................................... 30. 2.8 Efisiensi Kolektor (η) ....................................................................... 30 2.9 Computational Fluid Dynamics (CFD) .............................................. 31 2.9.1. Penggunaan CFD ................................................................. 31. 2.9.2. Manfaat CFD ....................................................................... 32. 2.9.3. Metode Diskritisasi CFD ..................................................... 33. 2.10 Persamaan Pembentuk Aliran (Government Equation)................... 34 2.10.1 Heat Conduction Equation ................................................... 34 2.10.2 Energy Equation .................................................................. 37. BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 39 3.1 Objek Penelitian …………………………………………………….. 39 3.2 Waktu dan Tempat ............................................................................... 41 3.3 Alat dan Bahan ..................................................................................... 41 3.3.1 Perangkat keras (Hardware) ....................................................... 41 3.3.2 Perangkat lunak (Software) ......................................................... 42 3.4 Diagram Alir Simulasi ......................................................................... 43 3.4.1 Studi Literatur ............................................................................. 44 3.4.2 Eksperimen dan Pengumpulan Data ........................................... 44 3.4.3 Simulasi Secara CFD .................................................................. 44 3.4.4 Analisa Data …………………………………………………... 45 3.4.5 Penarikan Kesimpulan ................................................................ 45 3.5 Skema Pengujian ................................................................................. 45 BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN ......................................... 47 4.1 Desain 3D Kolektor Surya .................................................................. 47. Universitas Sumatera Utara.

4.2 Kondisi Batas dan Meshing pada Software Ansys 15.0 ...................... 48 4.3 Analisa Fluent pada Software Ansys 15.0 ............................................ .49 4.3.1 Hasil Analisa Fluent pada Software Ansys 15.0 ......................... 50 4.4 Grafik Perbandingan temperatur Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi ................................................................................................ 54 4.4.1 Plat atas Kolektor........................................................................54 4.4.2 Plat Bawah Kolektor...................................................................56 4.4.3 Kaca Atas Kolektor.....................................................................57 4.5 Analisa Kolektor Surya ....................................................................... 59 4.5.1 Perhitungan Jumlah Energi Radiasi Matahari............................. 59 4.5.2 Perhitungan Energi Panas Yang Diserap Kolektor ..................... 61 4.5.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang pada Kolektor .................................................................................... 63 4.5.3.1 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Atas Kolektor (QT) .............................................................................. 63 4.5.3.2 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Bawah Kolektor (QB)..............................................................................65 4.5.3.3 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Samping Kolektor (QE) ............................................................... 66 4.5.4 Perhitungan Panas Yang Diserap Absorber ................................ 67 4.6 Efisiensi Kolektor ................................................................................. 68 4.6.1 Efisiensi Kolektor Teoritis .......................................................... 68 4.6.2 Efisiensi Kolektor Eksperimen ................................................... 68 4.6.3 Perbandingan Efisiensi Kolektor Teoritis Dengan Efisiensi Kolektor Eksperimen ................................................................................. 69 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 70 5.1. Kesimpulan ......................................................................................... 70 5.2. Saran .................................................................................................... 71 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ xiv LAMPIRAN. Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR GAMBAR. Nomor. Judul. Halaman. 2.1. Kolektor surya pelat datar sederhana ........................................... 10. 2.2. Kolektor Konsentrator ................................................................. 11. 2.3. Kolektor Tabung Vakum ................................................................ 12. 2.4. Diagram Tekanan vs Temperatur sebagai Penunjuk Garis Isoster ........................................................................................... 14. 2.5. Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi...... 15. 2.6. Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar .............................. 17. 2.7. Diagram Heat Conduction pada sistem ....................................... 35. 3.1. Dimensi Kotak Insulator .............................................................. 39. 3.2. Modeling 3D Kolektor dengan 3D CAD ..................................... 40. 3.3. Kotak Insulator ............................................................................ 40. 3.4. Dimensi Kotak Insulator .............................................................. 40. 3.5. Laptop yang Digunakan untuk Simulasi...................................... 42. 3.6. Diagram Alir Simulasi ................................................................. 43. 3.7. Skema Pengujian Mesin Pendingin Adsorpsi .............................. 45. 4.1. Model 3D Geometri Kolektor pada Software Ansys 15.0 ........... 49. Universitas Sumatera Utara.

4.2. Model 3D Mesh Kolektor pada Software Ansys 15.0 ................. 50. 4.3. Hasil Analisa Kontur Temperatur Awal Jam 07.00 WIB ............ 51. 4.4. Hasil Analisa Kontur Potongan Temperatur Awal Jam 07.00 WIB ........................................................................... 52. 4.5. Hasil Analisa Kontur Temperatur Tertinggi Jam 13.00 WIB ...... 52. 4.6. Hasil Analisa Kontur Potongan Temperatur Tertinggi Jam 13.00 WIB ............................................................................ 53. 4.7. Hasil Analisa Kontur Temperatur Akhir Jam 18.00 WIB ........... 53. 4.8. Hasil Analisa Kontur Potongan Temperatur Akhir Jam 18.00 WIB ............................................................................ 52. 4.9. Hasil Analisa Kontur Potongan Tekanan Akhir Kolektor ........... 54. 4.10. Plot hasil tekanan akhir kolektor dari Simulasi ........................... 55. 4.11. Plot hasil Temperatur Plat Atas Kolektor dari Simulasi ..................................................................................................... 55. 4.12. Grafik Temperatur Plat Atas Simulasi vs Analisa ....................... 56. 4.13. Plot hasil Temperatur Plat Bawah Kolektor dari Simulasi ......... 57. 4.14. Grafik Temperatur Plat Bawah Simulasi vs Analisa ................... 57. 4.15. Plot hasil Temperatur Kaca Atas Kolektor dari Simulasi ........... 58. 4.16. Grafik Temperatur Kaca Atas Simulasi vs Analisa ..................... 59. Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR TABEL. Nomor. Judul. Halaman. 3.1. Input dan Output Simulasi ........................................................... 4.1. Data Pengujian I Kolektor Sudut 0o pada tanggal. 47. 22 November 2016 ...................................................................... 60. 4.2. Jumlah Energi Radiasi Matahari .................................................. 61. 4.3. Data Perhitungan Panas Yang Diserap Kolektor ......................... 63. Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR SIMBOL. Simbol. Keterangan. Satuan. Qs. Kalor sensible. J. m. Massa zat. Cp. Panas jenis zat. J/kgoC. Le. Panas laten zat. J/kg. ΔT. Beda temperature. K. Konduktivitas termal. A. Luas bidang. m2. Δx. Tebal material. m. qcond. Laju perpindahan panas konduksi. W. qconv. Laju perpindahan panas konveksi. W. Ts. Temperatur permukaan. o. C. T∞. Temperatur lingkungan. o. C. mr. Massa refrigeran (metanol). kg. Vr. Volume refrigeran (metanol). Liter. xr. Ketinggian permukaan methanol. Cm. hsg. Panas laten methanol. Tw. Temperatur air. H. Koefisien Konveksi. W/m2.K. U. Koefisien perpindahan panas menyeluruh. W/m2oC. P. Tekanan. kg. o. C. W/moC. kJ/kg o. C. Pa. Universitas Sumatera Utara.

Nu. Bilangan Nusselt. . Spesifik Volum. Kg/m3. 𝜇. Viskositas Dinamik. N.s/m2. 𝛽. Koefisien Ekspansi. K-1. Pr. Bilangan Prandtl. Gr. Bilangan Grashof. Ra. Bilangan Rayleigh. ∑ 𝑅𝑡ℎ QL. Tahanan Termal Keseluruhan Kapasitas Kalor Penguapan Metanol. o. C/W J. h. Entalpi. kJ/kg. s. Entropi. kJ/kg.K. 𝜂. Efisiensi. %. Universitas Sumatera Utara.

BAB I PENDAHULUAN. 1.1. Latar Belakang Aplikasi pendingin menyebabkan konsumsi energi yang sangat tinggi dengan efek. merusak pada lingkungan. Sebagai solusi, aturan internasianal sekarang beroriensi kepada penggunaan energi terbarukan untuk mengatasi kebutuhan relatif manusia selama periode musim panas. Meskipun energi surya dapat dimanfaatkan baik dengan jalur listrik dan termal, teknologi pendingin termal lebih cocok digunakan dibandingkan dengan berbasis PV (fotovoltaik) karena pendingin termal dapat memanfaatkan enrgi matahari lebih baik. Karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, proses termal matahari terutama adsorpsi dan absorpsi telah menjadi subjek penelitian dan pengembangan komersial yang signifikan. Sebagai negara yang beriklim tropis, kota - kota besar di Indonesia umumnya membutuhkan pendingin untuk pengkondisian udara. Konsumsi energi listrik untuk pendingin dan pengkondisian udara pada gedung - gedung komersial di kota - kota besar Indonesia dapat mencapai 60%. Dari kedua fakta di atas, potensi energi surya yang cukup besar dan kebutuhan akan pendingin yang cukup besar, menjadi latar belakang penelitian ini. Tema besar penelitian adalah menangkap energi radiasi surya dalam bentuk termal dan memanfaatkannya untuk menghasilkan pendinginan (refrigerasi). Oleh karena itu pada alat yang digunakan dibutuhkan alat penukar kalor yang mampu untuk mengkonversi energi termal tersebut, dan memanfaatkan siklus termodinamika yaitu siklus adsorpsi. Salah satu tantangan yang saat ini masih terus mendapat perhatian adalah bagaimana memodelkan proses adsorpsi. Dengan mengetahui model adsorpsi yang baik, diharapkan. Universitas Sumatera Utara.

dapat melakukan perbaikan pada desain kolektor untuk mendapatkan proses adsorpsi yang lebih baik dan efisien. Untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan dalam pengembangan dan mengurangi biaya pengembangan diperlukan teknologi simulasi. Karena melibatkan aliran fluida, bidang CFD (Computational Fluid Dynamics) dapat digunakan untuk membantu pemodelan proses adsorpsi. Akhir-akhir ini, CFD semakin banyak digunakan untuk melakukan analisa pemodelan simulasi. Program CFD merupakan salah satu teknologi simulasi yang dapat digunakan untuk melakukan penelitian dalam menganalisis permasalahan pada proses adsorpsi. 1.2. Perumusan Masalah Mesin pendingin siklus adsorpsi mempunyai 3 komponen utama, yaitu kolektor,. kondensor, dan evaporator. Kolektor bertindak sebagai absorber. Kolektor ini berisi adsorben dan merupakan tempat terjadinya proses adsorpsi dari refrigeran. Pasangan adsorben dan refrigeran yang umum digunakan adalah karbon aktif dan metanol. Dapat dikatakan komponen ini adalah bagian yang paling penting dari mesin ini. Dalam skripsi ini, permasalahan yang akan diselesaikan adalah sebagai berikut : 1. Memodelkan penyebaran temperatur yang terjadi pada kolektor surya dan melihat efek isolasi terhadap kolektor surya. 2. Melihat perbandingan laju kenaikan temperatur hasil simulasi dengan hasil pengujian.. 1.3. Batasan Masalah Dalam penulisan ini, penulis membatasi masalah pada :. 1. Analisa kolektor didesain dengan menggunakan software 3D CAD.. Universitas Sumatera Utara.

2. Analisa kolektor dilakukan dengan menggunakan software CFD Ansys 15.0. 3. Aliran fluida diasumsikan laminar. 4. Kondisi simulasi yang dilakukan adalah transient. 5. Analisis dilakukan pada kolektor dengan sumber panas berasal dari radiasi matahari. 6. Analisis dilakukan pada kolektor dengan waktu yang diatur selama 1 hari pada tanggal 22 September dari jam 7.00 WIB – 17.00 WIB.. 1.4. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari simulasi ini adalah :. 1.. Mengetahui letak konsentrasi temperatur paling besar didalam kolektor surya selama pemanasan terjadi.. 2.. Membandingkan distribusi temperatur hasil simulasi dengan temperatur hasil eksperimen dari kolektor surya.. 3.. Menganalisa faktor penyebab perbedaan distribusi temperatur hasil simulasi dengan temperatur hasil eksperimen.. 4.. Menghitung efisiensi kolektor secara teoritis dan membandingkannya dengan efisiensi kolektor yang didapat dari eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya.. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat penulisan skripsi ini adalah :. 1.. Aspek keilmuan dan akademis Penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Computational Fluid Dynamic (CFD) serta Perpindahan Panas I dan II, sehingga dengan dilakukannya penelitian ini. Universitas Sumatera Utara.

diharapkan dapat memberikan wawasan yang luas bagi peneliti serta mengembangkan pengetahuan dibidang mesin pendingin siklus adsorpsi. 2.. Aspek praktek dan implementasi Berfokus pada permodelan kasus adsorpsi pada software CFD yang kemudian dibandingkan dengan hasil eksperimen.. 3.. Analisa dengan menggunakan software akan menghemat biaya penelitian apabila dibandingkan dengan menggunakan peralatan yang akan menghabiskan biaya lebih mahal.. 1.6. Sistematika Penulisan Untuk memberikan gambaran secara menyeluruh, sistematika penulisan skripsi ini. adalah sebagai berikut :. BAB I PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penulisan serta sistematika penulisan.. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini menjelaskan teori-teori yang mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi.. BAB III METODOLOGI PENELITIAN. Universitas Sumatera Utara.

Bab ini membahas mengenai metode pelaksanaan penelitian, tempat, bahan dan alat serta prosedur simulasi yang digunakan dalam penelitian.. BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA Bab ini membahas mengenai data yang diperoleh dari hasil simulasi dan perbandingan data pengujian dengan analisa numerik hasil simulasi.. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini membahas mengenai kesimpulan yang diperoleh dari pengujian skripsi dan saran-saran yang diperlukan untuk memperbaiki hasil penelitian selanjutnya.. Universitas Sumatera Utara.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 2.1. Energi Surya Sumber energi surya yang utama diperoleh dari matahari, matahari memancarkan. energi yang besar ke permukaan bumi. Energi matahari dapat dipresentasikan dalam parameter intensitas radiasi yaitu jumlah daya matahari yang datang pada suatu permukaan persatuan luas area. Pada keadaan cuaca cerah, permukaan bumi menyerap sekitar 1000 watt energi matahari per meter persegi. Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan kembali ke angkasa, 47% dikonversikan menjadi panas, 23% digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang terdapat di atas permukaan bumi, sebagian kecil 0,25% ditampung angin, gelombang dan arus dan masih ada bagian yang sangat kecil 0,025% disimpan melalui proses fotosintesis di dalam tumbuh-tumbuhan yang akhirnya digunakan dalam proses pembentukan batu bara dan minyak bumi (bahan bakar fosil, proses fotosintesis yang memakan jutaan tahun) yang saat ini digunakan secara ekstensif dan eksploratif. Bukan hanya untuk bahan bakar tetapi juga untuk bahan pembuat plastik, formika, bahan sintesis lainnya. Sehingga bisa dikatakan bahwa sumber segala energi adalah energi matahari[1]. Suatu teori yang akhir-akhir ini dapat diterima para ahli mengatakan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang elektrik arus bolak-balik berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnet yang menumbuhkan partikel-partikel energi dalam bentuk foton. Gelombang energi yang memancar melalui ruangan angkasa memberikan pancaran radiasi dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Radiasi gelombang elektromagnetik dikelompokkan pada panjang gelombang yang memberikan. Universitas Sumatera Utara.

rangsangan energi yang lebih besar dimana semakin pendek panjang gelombangnya semakin besar energinya. Radiasi yang akan dipancarkan melalui permukaan matahari mempunyai variasi panjang gelombang dari yang paling panjang (gelombang radio) sampai yang paling pendek (gelombang sinar X dan sinar gamma). Jarak rata-rata antara bumi dengan matahari RBM = 1,49 x1011,sedangkan besar rapat radiasi adalah: 2 kalori cm2/menit = 2 langleys/menit = 2 x 104 kalori/m2 menit = 1/3 x 103 kalori/m2 dt. Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Radiasi tersebut hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran yang dilakukan oleh badan luar angkasa Amerika Serikat NASA (National Aeronautics and Space Administration) melalui misi ruang angkasanya pada tahun 1971, diperoleh data tentang besaran konstanta matahari yang harganya sama dengan 1353 Watt/m2. Dari besaran tersebut 7,85% atau 105,8 Watt/m2 dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33% atau 640.4 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat oleh manusia (visible light) dan 44,85% atau 606,8 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar infra merah.. Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran yang tetap (konstan), tetapi karena lintasan bumi berbentuk ellips maka jarak dari matahari ke bumi tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1.52 x 1011 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4.8 KWh/m2 atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Energi matahari dapat dimanfaatkan dengan berbagai cara salah satunya menjadi. Universitas Sumatera Utara.

kolektor surya yang dapat menyimpan panas sesuai dengan ukuran kolektor yang dibuat. Penyimpanan panas pada kolektor sangat bergantung pada kondisi matahari. Semakin panas matahari maka semakin banyak panas yang terserap. Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk dipasang. 2.2. Kolektor Surya 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 adsorber 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 [2] : 1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan 2. Adsorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja . 4. Insulator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari adsorber menuju lingkungan 5. Frame (bingkai), berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor. Universitas Sumatera Utara.

2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver (penerima) yang dimilikinya. A. Kolektor Plat Datar 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 murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri [2]. Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari adsorber-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. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung,. Universitas Sumatera Utara.

pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparent cover, adsorber, insulasi, dan kerangka.. Gambar 2.1 Kolektor Surya Plat Datar Sederhana B. Kolektor Konsentrator Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh adsorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen concentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen adsorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.. Gambar 2.2 Kolektor Konsentrator[10]. Universitas Sumatera Utara.

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung adsorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.. C. Kolektor Tabung Vakum Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi perpindahan panasnya yang tinggi dan faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara adsorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar adsorber menuju lingkungan.. Gambar 2.3 Kolektor Tabung Vakum[11]. 2.2.2 Manfaat Kolektor Surya Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti bidang pertanian, industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor surya sama-sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efisien walaupun memerlukan waktu yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.. Universitas Sumatera Utara.

Dibidang industri kolektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti negara Jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan permasalahan ini. Dibidang teknologi tenaga listrik dapat dihasilkan dari kolektor surya listrik merupakan kebutuhan masyarakat, penggunaan tenaga matahari sebagai bahan yang mengubah sinar menjadi energi listrik patut dikembangkan, seperti yang pernah diterapkan oleh pemerintah pada tahun 2002 di daerah Bireun, Aceh Utara, pemerintah mencoba memberikan listrik tenaga surya bagi masyarakat setempat, tetapi karena peralatan yang tidak mencukupi dan tidak memadai maka proyek ini hanya berjalan ditempat, output dari tenaga matahari tersebut hanya menghasilkan tenaga sebesar 10 – 20 Volt dalam semalam. Padahal kalau jika dikembangkan dan diadakan penelitian lebih lanjut kemungkinan besar akan berhasil, tetapi mungkin mengingat dana yang juga sangat besar mungkin pemerintah menunda dulu proyek tersebut. Tetapi pada intinya tenaga surya bisa bermanfaat dan dapat menghasilkan listrik[7].. 2.3. Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi. Adsorpsi dan desorpsi merupakan suatu proses yang dapat berlangsung secara reversibel. Adsorpsi merupakan proses exothermic dimana adsorben (padatan) dan adsorbat (fluida) melepaskan panas sehingga menyebabkan penurunan pergerakan molekul adsorbat yang mengakibatkan adsorbat tersebut menempel pada permukaan adsorben dan membentuk suatu lapisan tipis[3].. Universitas Sumatera Utara.

Ketika panas diberikan kepada sistem tersebut maka pergerakan molekul adsorbat akan meningkat sehingga pada jumlah panas tertentu akan menghasilkan energi kinetik molekul adsorbat yang cukup untuk merusak gaya van der Waals antara adsorben dan adsorbat. Proses pelepasan adsorbat dari adsorben disebut sebagai proses desorpsi, dimana proses ini membutuhkan energi panas sehingga disebut proses endothermic. Jumlah adsorbat yang terkandung didalam adsorban dapat digambarkan oleh garis isoster pada diagram tekanan vs temperatur (Ln P vs -1/T) berikut.. Gambar 2.4 Diagram Tekanan vs Temperatur sebagai Penunjuk Garis Isoster [3] Mesin pendingin ini membutuhkan energi panas yaitu energi radiasi matahari yang digunakan sebagi energi untuk berlangsungnya proses pendinginan. Siklus pendingin adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.5. Sistem pendingin adsorpsi ini terdiri atas empat proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut.. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 2.5 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi[4] 1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan) Proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorbent berada pada temperatur rendah T A dan pada tekanan rendah Pe (tekanan evaporator). Proses ini berlangsung pada siang hari,proses A ke B: Adsorber menerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti oleh peningkatan tekanan Selama proses ini tidak ada aliran metanol yang masuk maupun keluar dari adsorber. 2. Proses Desorpsi Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik B ke D sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, sehingga adsorbat yang berada pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor.. Universitas Sumatera Utara.

3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan) Proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F yang berlangsung pada malam hari, adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga temperatur di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi. 4. Proses Adsorpsi Proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A, Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. Adsorbat dalam bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air yang ada disekitar evaporator sebesar kalor laten penguapan adsorbat tersebut.. 2.4. Tinjauan Perpindahaan Panas. Dalam perencanaan suatu alat dengan pemanfaatan tenaga surya perlu diketahui semua jenis perpindahan panas yang terjadi selama siklus terjadi. Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara konveksi dan konduksi ke udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan semua jenis perpindahan panas yang terjadi.. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 2.6 Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar[5] Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain yang terjadi karena perbedaan temperatur. Panas ini akan mengalir dari tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis besar dapat dibagi menjadi 3 bagian : a. Konduksi b. Konveksi c. Radiasi 2.4.1 Konduksi Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu bahan padat dari daerah yang bertemperatur lebih tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran (flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat, sebanding dengan beda temperatur dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan panjangnya[6].. Universitas Sumatera Utara.

Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu : 𝑞 = −𝑘. 𝐴.. 𝑑𝑇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.1) 𝑑𝑥. Dimana : q = Laju perpindahan panas (W) A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2) dT/dx = Gradien temperatur pada penampang, atau laju perubahan temperatur T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K) k = Konduktivitas termal bahan (W/m.K). Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat terdapat pada bahan bukan logam. Bahan yang mempunyai konduktifitas termal yang tinggi dinamakan konduktor, sedangkan bahan yang konduktifitas termal rendah disebut insulator. Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu.. Universitas Sumatera Utara.

2.4.2. Konveksi. Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan panas secara konveksi secara umum: 𝑞 = ℎ𝐴(∆𝑇) .............................................(2.2) Dimana : q adalah Laju perpindahan panas konveksi (W), h adalah koefisien pindahan panas konveksi (W/m2K), A adalah luas penampang (m2), dan ΔT adalah perubahan temperatur (K) -. Konveksi Alami (Natural Convection). Konveksi jenis ini terjadi karena proses pemanasan yang menyebabkan fluida berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas terjadi karena gaya buoyancy (apung) yang dialaminya apabila kerapatan fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan.[14] Bilangan Grashof merupakan perbandingan antara gaya buoyancy terhadap gaya viskositas fluida.. 𝐺𝑟𝐿 =. 𝑔𝛽(𝑇𝑆 −𝑇∞ )𝐿3𝐶 𝑣2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.3). Dimana: g adalah percepatan gravitasi (m/s2); 𝛽 adalah koefisien ekspansi volume, 1/K (𝛽=1𝑇 untuk gas ideal); Ts adalah temperatur permukaan (oC); 𝑇∞ adalah temperatur fluida yang bergerak di sekitar permukaan (oC); Lc adalah karateristik panjang dari bentuk geometri (m); 𝜈 adalah viskositas kinematik (m2/s). 2.4.3 Radiasi Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi radiasi mengenai permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan. Universitas Sumatera Utara.

diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi panas sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol[6]. Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya. Untuk radiator ideal, biasanya berupa benda hitam (black body). Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut : 𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝜀. 𝐴. 𝜎. (𝑇𝑠 4 − 𝑇𝑠𝑢𝑟 4 ) . . … . . . . . . . . … . . . . . . (2.4) Dimana : qrad adalah laju perpindahan panas radiasi (W), ε adalah emisivitas bahan, A adalah luas permukaan (m2), 𝜎 adalah kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4), Ts adalah Temperatur permukaan (K), Tsur adalah Temperatur lingkungan (K) Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul (kolektor) pada berbagai sudut dengan bidang horizontal. Sementara pengukuran radiasi pada permukaan horizontal di banyak tempat sudah dilaksanakan, pemanasan pada permukaan miring harus dihitung. Lapisan luar matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontiniu. Perpindahan panas secara radiasi dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: 1.. Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar kecil. jumlah pancaran yang akan dapat dilepaskan. 2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau menyerap panas.. Universitas Sumatera Utara.

3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan lain. Ketika radiasi sampai ke permukaan, sebagian dari energi itu akan diserap, sebagian lagi ditransmisikan, dan sisanya direfleksikan[7]. Energi radiasi yang diserap disebut dengan absorbtivitas (α ), yang ditransmisikan disebut dengan transimitas (𝜏) dan energi radiasi yang dipantulkan disebut reflektivitas ( 𝜌).. 2.5. absorbvitas = α =. Radiasi Absorpsi 𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛. 0≤α≤1. transimitas = τ =. Radiasi transimitas 𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛. 0≤τ≤1. reflectivitas = α =. Radiasi Reflectivitas 𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛. 0≤ρ≤1. Intensitas Radiasi Matahari Persamaan yang digunakan untuk menghitung intensitas radiasi total pada permukaan. datar adalah [2]: 𝐺𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐺𝑏𝑒𝑎𝑚 + 𝐺𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑒 … . . … … … … … … … … (2.5) Dimana : 𝐺𝑏𝑒𝑎𝑚 = radiasi yang jatuh langsung. 𝐺𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑒 = radiasi hasil pantulan atmosfer. Kedua persamaan ini dapat dihitung dengan persamaan berikut:. Universitas Sumatera Utara.

𝐺𝑏𝑒𝑎𝑚 = 𝐺𝑜𝑛 𝜏𝑏 cos 𝜃𝑧 … … … … … … … … … … … … (2.6) 𝐺𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑒 = 𝐺𝑜𝑛 cos 𝜃𝑧 (0,271 − 0,294𝜏𝑏 ) … … … … … … … . (2.7) Dimana 𝐺𝑜𝑛 adalah radiasi matahari diluar dan sebelum masuk atmosfer dengan menggunakan persamaan berikut: 𝐺𝑜𝑛 = 1367(1,00011 + 0,034221 cos 𝐵 + 0,00128 sin 𝐵 + 0,000719 cos 2𝐵 +0,000077 sin 2𝐵 … … … … … … … … … … … … . (2.8) 𝐵 = (𝑛 − 1)360/365 … … … … … … … … … … … … . (2.9). Dimana. Dan n adalah urutan hari yang sedang dibahas di dalam tahun. Untuk memudahkan perhitungan nilainya pada tanggal i tiap bulan ditampilkan pada tabel berikut: Jan. Feb. Mar. Apr. Mei. Jun. i. 31 + i. 59 + i. 90 + i. 120 + i. 151 + i. Juli. Ags. Sep. Okt. Nop. Des. 181 + i. 212 + i. 243 + i. 273 + i. 304 + i. 334 + i. Kemudian 𝜏𝑏 adalah fraksi radiasi yang diteruskan (beam radiation). Parameter ini dihitung dengan persamaan berikut: −𝑘 ) … … … … … … … … … … . (2.10) 𝜏𝑏 = 𝑎0 + 𝑎1 𝑒𝑥𝑝 ( cos 𝜃𝑧 Dimana:. Universitas Sumatera Utara.

𝑎0 = 𝑟0 (0,4237 − 0,00821(6 − 𝐴)2 ) … … … … … . … . (2.11) 𝑎1 = 𝑟1 (0,5055 − 0,00595(6,5 − 𝐴)2 ) … … . … … . … . (2.12) 𝑘 = 𝑟𝑘 (0,2711 − 0,01858(2,5 − 𝐴)2 ) … … … … . … … (2.13) A adalah ketinggian dari permukaan laut (altitude) dalam satuan km. 2.6. Posisi Matahari. Untuk menghitung intensitas radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan miring dari data intensitas radiasi matahari pada sebuah permukaan horizontal dapat dihitung jika posisi matahari diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi matahari yang diteruskan melalui kaca, dimana transmisivitas-absorpsivitasnya juga berubahubah sesuai dengan sudut matahari.[2] Sudut datang radiasi matahari yang dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut: cos 𝜃 = cos(∅) cos 𝛿 . cos 𝜔 + sin(∅) sin 𝛿 . . . . … … . . . (2.14) Untuk permukaan yang dimiringkan, cos θ = cos θT (tilt). Beberapa parameter pada persamaan di atas dijelaskan sebagai berikut: a. Posisi lintang (𝜙) Yaitu posisi suatu tempat dari bidang khatulistiwa, utara bernilai positif; -90o ≤ 𝜙≥ 90o. b. Deklinasi (δ) Yaitu sudut posisi matahari pada siang hari sehubungan dengan bidang khatulistiwa. Utara bernilai positif; -23,45 ≤ δ≥ 23,45. Nilai δ dapat ditentukan dengan persamaan berikut:. Universitas Sumatera Utara.

𝛿 = 23,45 sin (360. 284 + 𝑛 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.15) 365. Dimana n adalah hari ke berapa dalam tahun tersebut c. Sudut Jam Matahari (ω) Yaitu pergeseran sudut dari matahari ke arah timur/barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada porosnya sebesar 15o per jam; pagi negatif, sore positif. Nilai ω dapat ditentukan dengan persamaan berikut:. 𝜔 = (𝑆𝑇 − 12) ×. 360 . . … … … … … … … … . . … . (2.16) 24. Persamaan menghitung jam matahari (ST) adalah sebagai berikut: 𝑆𝑇 = 𝑆𝑇𝐷 ± 4(𝐿𝑠𝑡 − 𝐿𝑙𝑜𝑐 ) + 𝐸 … … … … … … … … . (2.17) Dimana Lst adalah standart meridian untuk waktu lokal, STD adalah waktu lokal. Atau waktu yang ditunjukkan oleh jam yang resmi di tempat yang sedang dibahas. Dan Lloc adalah derajat bujur daerah yag sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. Dan E adalah equetion of time, dalam satuan menit dirumuskan sebagai berikut: 𝐸 = 229,2(0,000075 + 0,001868 cos 𝐵 − 0,032077 sin 𝐵 − 0,014615 cos 2𝐵 − 0,04089 sin 2𝐵) … … … … … … . (2.18). Universitas Sumatera Utara.

2.7. Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar. 2.7.1 Perhitungan Energi Panas yang diserap Kolektor Untuk menghitung jumlah energi radiasi total per meter kuadrat digunakan rumus : 𝑄𝑖𝑡 = 𝑆 × 𝐴𝑐 … … … … … … … … … … … … … (2.19) Dimana: S = Panas yang diserap kolektor (J/m2) Ac = Luas permukaan kolektor (m2) Perhitungan panas yang diserap kolektor dapat dihitung menggunakan rumus [2]: 𝑆 = (𝜏𝛼)𝑎𝑣𝑒 𝐼𝑡 … … … … … … … … … … … . . … (2.20) Dimana: It = Jumlah energi radiasi matahari total yang diterima per satuan luas dalam interval waktu 1 jam. Dapat dihitung dengan rumus: 2. 𝐼 = ∫ 𝐺𝑡𝑜𝑡 (𝑡)𝑑𝑡 … … … … … … … … … … … … … (2.21) 1. (𝜏𝛼)𝑎𝑣𝑒 = transmisivitas absorsivitas rata-rata kaca dan absurber dihitung dengan rumus: (𝜏𝛼)𝑎𝑣𝑒 = 0,96(𝜏𝛼)𝑏 … … … … … … … … … … . . . (2.22) Dimana:. (𝜏𝛼)𝑏 = 1,01 × 𝜏 × 𝛼 ×. 𝛼 … … … … . … … … . . . (2.23) 𝛼𝑛. Universitas Sumatera Utara.

𝛼 = absorbsivitas plat absorber Untuk menghitung 𝜏, 𝛼⁄𝛼𝑛 , digunakan rumus: 𝜏 = 𝜏𝑟 × 𝜏𝑎 … … … … … … … … … … … … . (2.24) 𝛼⁄ = 1 − 1,5879 × 10−3 𝜃 + 2,7314 × 10−4 𝜃 2 1 1 𝛼𝑛 − 2,3026 × 10−5 𝜃1 3 + 9,0244 × 10−7 𝜃1 4 − 1,8 × 10−8 𝜃1 5 + 1,7734 × 10−10 𝜃1 6 − 6,993710−13 𝜃1 7 … … … … … . (2.25) Koefisien transmisivitas refleksi (𝜏𝑟 ) diperoleh dengan rumus: 1 1 − 𝑟|| 1 − 𝑟⏊ 𝜏𝑟 = ( + ) … … … … … … … . … … . . (2.26) 2 1 + 𝑟|| 1 + 𝑟⏊ 𝑠𝑖𝑛2 (𝜃2 − 𝜃1 ) 𝑟|| = … … … … … … … … . . … … . (2.27) 𝑠𝑖𝑛2 (𝜃2 + 𝜃1 ) 𝜃1 = Sudut datang matahari terhadap bidang vertikal 𝜃1(12.00) =0o. Setiap jam +15o. Sudut bias kaca:. 𝑛. 𝜃2 = 𝑠𝑖𝑛−1 (𝑛1 × sin 𝜃1 ) 2. sin 𝜃1. 𝜃2 = 𝑠𝑖𝑛−1 (. 𝑛2. ). n = Indeks bias rata-rata kaca = 1,526. 𝑟⏊ =. 𝑡𝑎𝑛2 (𝜃2 − 𝜃1 ) … … … … … … … … … … … (2.28) 𝑡𝑎𝑛2 (𝜃2 + 𝜃1 ). Koefisien transmisivitas refleksi (𝜏𝑎 ) diperoleh dengan rumus:. Universitas Sumatera Utara.

𝜏𝑎 = 𝑒𝑥𝑝 (−. 𝐾𝐿 ) … … … … … … … … … . . … (2.29) cos 𝜃2. K = koefisien redam kaca (m-1) L = tebal kaca (m) 2.7.2 Perhitungan Kerugian Panas pada Kolektor Koefisien kerugian panas yang hilang pada kolektor dapat dihitung menggunakan rumus yaitu [2]: 𝑄𝐿 = 𝑄𝑇 + 𝑄𝐵 + 𝑄𝐸 … … … … … … … … … … . (2.30) Dimana: 𝑄𝑇 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian atas kolektor (J) 𝑄𝐵 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian bawah kolektor (J) 𝑄𝐸 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian samping kolektor (J) 𝑄𝐿 = total kerugian panas yang hilang pada setiap sisi kolektor (J) Kerugian panas pada sisi atas (QT) diperoleh dengan rumus: 𝑄𝑇 = 𝑄𝑇̇ × 3600 × 𝑡 … … . … … … … … … … … … (2.31) t = lamanya memanasan (jam) 𝑄𝑇̇ = 𝑈𝑇 × 𝐴𝑐 × (𝑇𝑝𝑚 𝑠𝑖𝑠𝑖 𝑎𝑡𝑎𝑠 − 𝑇∞ ) … … … … . . … (2.32) Dimana:. Universitas Sumatera Utara.

−1. 𝑈𝑇 =. +. 𝑁 𝑒. 𝐶 (𝑇𝑝𝑚 − 𝑇∞ ) [ ] (𝑇𝑝𝑚 (𝑁 + 𝑓). +. 1 ℎ𝑤 ). 𝜎(𝑇𝑝𝑚 + 𝑇∞ )(𝑇𝑝𝑚 2 + 𝑇∞ 2 ) … … … . (2.33) 2𝑁 + 𝑓 − 1 + 0,133𝜀𝑝 1 + −𝑁 𝜀𝑔 𝜀𝑝 + 0,00591𝑁ℎ𝑤. Keterangan: -. N = jumlah lapisan kaca. -. 𝑓 = (1 + 0,089ℎ𝑤 − 0,1166ℎ𝑤 𝜀𝑝 )(1 + 0,07866𝑁) … … … … … … . (2.34). -. 𝐶 = 520(1 − 0,000051𝛽 2 ) … … … … … … … … … … … … … … … . . … (2.35). Dimana 𝛽 = Kemiringan Kolektor 100. -. 𝑒 = 0,430 (1 −. -. 𝜀𝑔 = emisivitas kaca. -. 𝜀𝑝 = emisivitas plat kolektor. -. 𝑇∞ = Temperatur rata-rata lingkungan (K). -. 𝑇𝑝𝑚 =Temperatur rata-rata plat atas (K). -. ℎ𝑤 = koefisien perpindahan panas oleh angin ≈ 10W/m2K. -. 𝜎 = Tetapan Stefan-Boltzman = 5,67 × 10-8. -. 𝑈𝑇 = Koefisien kerugian panas pada sisi atas kolektor (W/m2K). 𝑇𝑝𝑚. ) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (2.36). Ac = Luas penampang kolektor (m2) Tpm sisi atas = Temperatur rata-rata plat atas (℃) 𝑇∞ = Temperatur rata-rata lingkungan (℃) Kerugian panas pada sisi samping (𝑄E) diperoleh dengan rumus:. Universitas Sumatera Utara.

𝑄𝐸 = 𝑄𝐸̇ × 3600 × 𝑡 … … . … … … … … … . . … … (2.37) t = lamanya memanasan (jam) 𝑄𝐸 =. ∆𝑇 … … … … … … … … … … … … … … … … … … . (2.38) 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 + 𝑅5. Dimana: 𝑅=. 𝑡 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . (2.39) 𝐾×𝐴. -. K = Konduktivitas bahan (W/mK). -. t = Tebal isolasi (m). -. A = Luas penampang isolasi (m2). ∆𝑇 = 𝑇𝑝𝑚 𝑠𝑖𝑠𝑖 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔 − 𝑇∞ ………………………………………………… (2.40) -. Tpm sisi samping = Temperatur rata-rata plat samping (℃). -. 𝑇∞ = Temperatur rata-rata lingkungan (℃). Kerugian panas pada sisi bawah (𝑄B) diperoleh dengan rumus: 𝑄𝐵 = 𝑄𝐵̇ × 3600 × 𝑡 … … … … . . … … … … … … … (2.41) t = lamanya memanasan (jam) 𝑄𝐵 =. ∆𝑇 … … … … … … … … … … … … . … … … … … . . (2.42) 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 + 𝑅5. ∆𝑇 = 𝑇𝑝𝑚 𝑠𝑖𝑠𝑖 𝑏𝑎𝑤𝑎ℎ − 𝑇∞ ………………………………………………….... (2.43) -. Tpm sisi bawah = Temperatur rata-rata plat bawah (℃). -. 𝑇∞ = Temperatur rata-rata lingkungan (℃). Universitas Sumatera Utara.

2.7.3 Energi Panas yang Digunakan untuk Memanaskan Karbon Aktif Energi panas yang digunakan untuk memanaskan karbon aktif dievaluasi melalui persamaan sebagai berikut: 𝑄𝑖𝑐 = (𝑚𝑎 𝐶𝑝𝑎 + 𝑚𝑟 𝐶𝑝𝑟 )(𝑇𝑝𝑎𝑣 − 𝑇𝑎𝑎𝑣 ) + 𝑚𝑟 ℎ𝑟𝑔 … … … . . . (2.44) Dimana: 𝑄𝑖𝑐 = Energi panas yang digunakan kolektor untuk memanaskan karbon aktif (J) 𝑚𝑎 = massa karbon aktif dalam kolektor (kg) Cpa = panas spesifik karbon aktif (J/kg K) mr = Massa metanol (kg) Cpr = Panas spesifik metanol (J/kg.K) hr = Entalpi perubahan fasa metanol (J/kg) Δ𝑇𝑔= temperatur pemanasan dievaluasi pada temperatur rata-rata kolektor maksimal selama waktu pemanasan optimum (K). 2.8. Efisiensi Kolektor (𝜼) Efisiensi kolektor dihitung membandingkan kalor yang diserap oleh kolektor dengan. kalor yang digunakan untuk memanaskan karbon aktif dan kalor yang hilang di kolektor. Rumus untuk menghitung efisiensi kolektor sebagai berikut[8]: 𝜂𝑘𝑜𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠 =. 𝑄𝑖𝑐 … … … … … … … … … … … (2.45) 𝑄𝑖𝑡. Universitas Sumatera Utara.

Dimana: 𝑄𝑖𝑐 = Energi panas yang digunakan kolektor untuk proses memanaskan karbon aktif (J) Qit = Energi panas yang diterima kolektor selama pemanasan optimum (J). 2.9. Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cabang dari mekanika fluida yang. menggunakan metode numerik untuk menyelesaikan dan menganalisa elemen-elemen yang akan disimulasikan. Pada proses ini, komputer diminta untuk menyelesaikan perhitunganperhitungan numerik dengan cepat dan akurat. Prinsip kerja pada CFD adalah model yang akan kita simulasikan berisi fluida akan dibagi menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software selanjutnya elemen diberi batasan domain dan boundry condition. Prinsip ini lah yang banyak digunakan pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi. 2.9.1 Penggunaan CFD CFD dalam aplikasinya dipergunakan diberbagai bidang antara lain : 1. Pada bidang teknik a. Mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. b. Mendesain aerodinamis kendaraan agar menghemat konsumsi bahan bakar. c. Mendesain performa pembakaran pada piston kendaraan. 2. Pada bidang olahraga a. Menghitung kekuatan dan kecepatan pada tiap cara tendangan pada sepakbola. b. Menganalisa aerodinamis pada sepatu bola.. Universitas Sumatera Utara.

3. Pada bidang kedokteran. a. Menganalisa peredaran udara pada pasien yang mengalami penyakit sinusitis. 2.9.2 Manfaat CFD Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yakni : 1. Insight-Pemahaman mendalam Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untukdibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk menyelinap masuk secara virtual ke dalam alat/sistem yang akan dirancang tersebut. 2. Foresight-Prediksi menyeluruh CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas). 3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai pasaran.. 2.9.3 Metode Diskritisasi CFD Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah sebagai berikut :. Universitas Sumatera Utara.

1. Finite Volume Method (FVM) Metode ini adalah pendekatan yang umum digunakan dalam CFD, persamaan yang mengatur diselesaikan melalui volume kontrol diskrit. Metode volume terbatas menyusun kembali persamaan diferensial parsial yang mengatur (biasanya persamaan Navier-Stokes) dalam bentuk konservatif, dan kemudian discretize persamaan baru.. 2. Finite Element Method (FEM) Digunakan dalam analisis struktural dari padatan, tetapi juga berlaku untuk cairan. Namun, formulasi FEM membutuhkan perawatan khusus untuk memastikan solusi konservatif. Perumusan FEM telah diadaptasi untuk digunakan dengan dinamika fluida yang mengatur persamaan.Meskipun FEM harus hati-hati dirumuskan untuk menjadi konservatif, jauh lebih stabil dibandingkan dengan pendekatan volume terbatas.. 3. Finite Difference Method (FDM) Memiliki sejarah penting dan sederhana untuk program. Hal ini hanya digunakan dalam beberapa kode khusus. Modern Kode beda hingga menggunakan sebuah batas tertanam untuk menangani geometri yang kompleks, membuat kode-kode yang sangat efisien dan akurat. Cara lain untuk menangani geometri termasuk penggunaan tumpang tindih grid, dimana solusinya adalah interpolated di jaringan masing-masing.. Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya, diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.. Universitas Sumatera Utara.

2.10. Persamaan Pembentuk Aliran (Government Equation). 2.10.1 Heat Conduction Equation Untuk mengetahui temperatur pada medium (padat, cair, gas dan combinasi fasa) karena distribusi temperatur terhadap perubahan posisi pada keadaan steady dan terhadap waktu pada keadaan transient adalah tujuan utama dari analisa konduksi. Setelah distribusi temperatur diketahui, maka heat flux pada setiap titik didalam maupun dipermukaan medium tersebut dapat diketahui dengan perhitungan menggunakan hukum Fourier[9].. Gambar 2.7 Diagram Heat Conduction pada sistem[9]. Ekspansi Taylor dari gambar diatas dapat ditulis : 𝑄𝑥+𝑑𝑥 = 𝑄𝑥 +. 𝜕𝑄𝑥 ∆𝑥 … … … … … … … … . . … … (2.46) 𝜕𝑥. 𝑄𝑦+𝑑𝑦 = 𝑄𝑦 +. 𝜕𝑄𝑦 ∆𝑦 … … … … … … … … … … . . (2.47) 𝜕𝑦. 𝑄𝑧+𝑑𝑧 = 𝑄𝑧 +. 𝜕𝑄𝑧 ∆𝑧 … … … … … … … … … … … . (2.48) 𝜕𝑧. Universitas Sumatera Utara.

Inlet energi pada sistem tersebut adalah 𝐺∆𝑥∆𝑦∆𝑧, dan energi yang tersimpan dalam sistem adalah 𝜌∆𝑥∆𝑦∆𝑧𝑐𝑝 𝜕𝑇 … … … … … … … … … … … … . . (2.49) 𝜕𝑡 Maka dari kesetimbangan energi didapat Energi Inlet + Energi yang terbentuk = Energi yang tersimpan + Energi yang terbuang Maka, 𝐺∆𝑥∆𝑦∆𝑧 + 𝑄𝑥 +𝑄𝑦 + 𝑄𝑧=. 𝜌∆𝑥∆𝑦∆𝑧𝑐𝑝 𝜕𝑇 + 𝑄𝑥+𝑑𝑥 𝜕𝑡. + 𝑄𝑦+𝑑𝑦 + 𝑄𝑧+𝑑𝑧 … … … … … … … … … (2.50) Substitusi persamaan 2.43, 2.44, 2.45 pada persamaan 2.47, didapat −. 𝜕𝑄𝑦 𝜌∆𝑥∆𝑦∆𝑧𝑐𝑝 𝜕𝑇 𝜕𝑄𝑥 𝜕𝑄𝑧 ∆𝑥 − ∆𝑦 − ∆𝑧 + 𝐺∆𝑥∆𝑦∆𝑧 = … (2.51) 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝑡. Total perpindahan panas Q pada setiap sumbu adalah : 𝑄𝑥 = ∆𝑦∆𝑧 𝑞𝑥 = −𝑘𝑥 ∆𝑦∆𝑧. 𝜕𝑇 … … … … … … … … … . . (2.52) 𝜕𝑥. 𝑄𝑦 = ∆𝑥∆𝑧 𝑞𝑦 = −𝑘𝑦 ∆𝑥∆𝑧. 𝜕𝑇 … … … … … … … … … . . (2.53) 𝜕𝑦. 𝑄𝑧 = ∆𝑥∆𝑧 𝑞𝑧 = −𝑘𝑧 ∆𝑦∆𝑥. 𝜕𝑇 … … … … … … … … … . . (2.54) 𝜕𝑧. Substitusi persamaan 2.49, 2.50, 2.51, pada persamaan 2.48 dan dibagi dengan volume ∆𝑥∆𝑦∆𝑧 didapat : 𝜕 𝜕𝑇 𝜕 𝜕𝑇 𝜕 𝜕𝑇 𝜕𝑇 [𝑘𝑥 ] + [𝑘𝑦 ] + [𝑘𝑧 ] + 𝐺 = 𝜌𝑐𝑝 … … … … (2.55) 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝑧 𝜕𝑡 Persamaan 2.52 merupakan konduksi panas transient dari sebuah sistem yang diam diekspresikan dalam koordinat kartesian, Konduktifitas panas , k, dari persamaan diatas adalah vector, dan dapat ditulis dalam bentuk skalar jadi :. Universitas Sumatera Utara.

𝑘𝑥𝑥 𝑘 = [ 𝑘𝑦𝑥 𝑘𝑧𝑥. 𝑘𝑥𝑦 𝑘𝑦𝑦 𝑘𝑦𝑧. 𝑘𝑥𝑧 𝑘𝑦𝑧 ] … … … … … … … … … … … . … (2.56) 𝑘𝑧𝑧. Persamaan 2.52 dan 2.53 digunakan untuk menyelesaikan permasalahan konduksi panas dalam kondisi material anisotropicdengan sebuah variasi arah dalam konduktifitas panasnya. Pada beberapa material, persamaan konduksi panas dengan konduktifitas panas konstan dapat ditulis : 𝜕 2 𝑇 𝜕 2 𝑇 𝜕 2 𝑇 𝐺 1 𝜕𝑇 + + + = … … … … … … … … … . . (2.57) 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 𝜕𝑧 2 𝑘 𝛼 𝜕𝑡 𝑘. Dimana 𝛼 = 𝑝𝑐 adalah diffusi panas, merupakan parameter yang penting dalam 𝑝. analisa konduktifitas panas transient. Untuk kondisi steady maka rumus 2.54 dapat dipersingkat menjadi 𝜕 2𝑇 𝜕 2𝑇 𝜕 2𝑇 + + = 0 … … … … … … … … … … … (2.58) 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 𝜕𝑧 2 Untuk kondisi 1 dimensi, maka rumus 2.55 dapat dipersingkat lagi 0menjadi 𝑑 𝑑𝑇 (𝑘 ) = 0 … … … … … … … … … … … … … . (2.59) 𝑑𝑥 𝑑𝑥. 2.10.2 Energy Equation ANSYS Fluent menyelesaikan persamaan energi dengan rumus :. ...........(2.60) Dimana 𝑘𝑒𝑓𝑓 adalah effektivitas konduktif (k+𝑘𝑡 , dimana 𝑘𝑡 adalah konduktivitas panas turbulent, didevinisikan tergantung model turbulensi yang dipakai), dan 𝐽⃗𝑗 adalah flux diffuse dari species j. Sebelah kanan persamaan diatas menyatakan transfer energi melalui konduksi,. Universitas Sumatera Utara.

diffusi material, dan viscous dissipation. 𝑆ℎ termasuk dalam reaksi kimia, dan panas volumetric yang ditentukan pengguna. Dari rumus diatas : 𝐸 =ℎ−. 𝑝 𝑣2 + … … … … … … … … … … … … … . . (2.61) 𝜌 2. Dimana entalpi sensibel dari h untuk gas ideal adalah : ℎ = ∑ 𝑌𝑗 ℎ𝑗 … … … … … … … … … … … … … … . (2.62) 𝑗. dan untuk incompressible flows adalah : 𝑝 ℎ = ∑ 𝑌𝑗 ℎ𝑗 + … … … … … … … … … … … … … . (2.63) 𝜌 𝑗. dimana 𝑌𝑗 adalah fraksi massa dari species j dan 𝑇. ℎ𝑗 = ∫. 𝑐𝑝 𝑗 𝑑𝑇 … … … … … … … … … … … … … (2.64). 𝑇𝑟𝑒𝑓. 𝑇𝑟𝑒𝑓 yang dipakai dalam menghitung sensible energi dikalkulasikan tergantung pada solver dan models yang digunakan. Untuk pressure-based solver 𝑇𝑟𝑒𝑓 adalah 298.15 K diluar dari PDF model yang dimana 𝑇𝑟𝑒𝑓 adalah ditentukan dengan input parameter dari pengguna. Untuk density-based solver 𝑇𝑟𝑒𝑓 adalah 0 K terkecuali ketika modeling species transport dengan reaksi dimana 𝑇𝑟𝑒𝑓 merupakan inputan untuk material.[9]. Universitas Sumatera Utara.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN. Analisa kolektor dilakukan dengan menggunakan software Ansys fluent 15.0. Analisa simulasi kolektor dilakukan dengan menggunakan data-data seperti data clear sky radiation yang diatur pada tanggal 22 september 2016 hari pertama pengujian dengan kemiringan kolektor 0o. Dengan simulasi mengunakan Fluent akan memberikan hasil berupa kontur temperatur pada kolektor sehinggga data temperatur tersebut dapat dibandingkan dengan data praktek 3.1. Objek Penelitian Objek penelitian yang dipakai adalah bagian kolektor pada alat pendingin adsorbsi. yang terletak di lantai IV Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Kolektor terbuat dari stainless steel dengan 2 cabang pengeluaran, 1 ke kondensor dan 1 langsung ke evaporator.. Gambar 3.1 Kolektor yang Akan Disimulasikan. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 3.2 Pemodelan 3D Kolektor dengan software 3D CAD Kolektor dilapisi dengan insulasi-insulasi yang bertujuan untuk menahan agar tidak ada panas yang keluar dari sistem. Insulasi tersebut dapat dilihat dari gambar 3.3 dan 3.4.. Gambar 3.3 Kotak Insulator Styrofoam 20 mm. Rockwool 15,5 mm Ruang Kolektor. Busa Hitam 20 mm Triplek 12 mm. Gambar 3.4 Dimensi Kotak Insulator. Universitas Sumatera Utara.

3.2. Waktu dan Tempat Simulasi kolektor surya dilakukan di Laboratorium Pusat Riset Sustainable Energy. Gedung J20 Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Waktu untuk melakukan simulasi berlangsung selama 6 bulan, dari tanggal 27 Juni 2016. 3.3. Alat dan Bahan Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis kolektor adalah sebuah laptop dengan. spesifikasi sebagai berikut : 3.3.1. Perangkat keras (Hardware) Dalam hal ini perangkat keras yang digunakan adalah laptop yang digunakan untuk. melakukan simulasi fluent pada kolektor. a.. Laptop. Laptop yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: - Processor: Intel Core i5 - RAM: 8 GB - CPU : 3,00 GHz - System: Windows 7 64 – bit. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 3.5 Laptop yang Digunakan untuk Simulasi. 3.3.2. Perangkat lunak (Software) Perangkat lunak (software) yang digunakan untuk melakukan simulasi CFD pada. kolektor ada 2 jenis yaitu: a. Software Berbasis 3D CAD. Software ini berfungsi untuk mendesain komponen-komponen kolektor surya, kemudian semua komponen digabungkan dengan cara assembly. b. Software Ansys 15.0 Software ini digunakan untuk melakukan proses mesh dan menganalisis temperatur, tekanan serta volume fasa dari udara pada komponen kolektor surya ini. Software ini juga dapat digunakan untuk menganalisa perpindahan panas yang terjadi pada komponen kolektor surya. Universitas Sumatera Utara.

3.4. Diagram Alir Simulasi Secara garis besar, pelaksanaan simulasi ini dilaksanakan berurutan dan sistematis. seperti ditunjukkan pada gambar 3.6. Mulai. Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian. Studi awal : Studi Litelatur. Pengumpulan Data : -. Data kolektor Data Temperatur. Pengolahan Data : Komputasi Data. Tidak. Bandingkan dengan hasil pengujian. Ya Analisa Data Kesimpulan. Selesai. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 3.6 Diagram Alir Simulasi Keterangan diagram alir pada gambar 3.6 dijelaskan sebagai berikut : 3.4.1 Studi Literatur Penulisan melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan-bahan penulisan seperti buku-buku, jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis pengerjaan penelitian dan simulasi. 3.4.2 Eksperimen dan Pengumpulan Data Pada tahap ini dilakukan eksperimen berdasarkan cara yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Eksperimen yang dilakukan merupakan prinsip adsorpsi-desorpsi. dimana. absorbent dipanaskan menggunakan energi surya pada siang hari, kemudian pada malam hari dengan memanfaatkan konveksi alamiah dan membuka katup pemisah absorbat dengan absorben dibuka mengakibatkan arbsorbat menguap dan diserap oleh arbsorben (proses ini disebut proses adsorbsi). Kemudian pada siang hari ditutuplah valve yang tadi dibuka dan kemudian membuka valve yang menghubungkan kolektor ke kondensor dan ke tempat asal absorbat untuk terjadi prosess desorbsi. Kemudian data yang diperlukan dari hasil eksperimen dicatat, kemudian data-data ini nantinya akan dimasukan dan kemudian dibandingkan hasilnya dengan proses simulasi program CFD. 3.4.3 Simulasi Secara CFD Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing, menentukan kondisi batas, menginput data-data. Universitas Sumatera Utara.

yang dibutuhkan seperti tekanan awal dan temperatur pemanas, selanjutnya simulasi. Software yang digunakan adalah software 3D CAD dan software Ansys 15.0. 3.4.4 Analisa Data Hasil simulasi dicatat dan dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti data temperatur yang ditampilkan berupa grafik dan menghitung ralat.. 3.4.5 Penarikan Kesimpulan Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya.. 3.5. Skema Pengujian. Gambar 3.7 Skema Pengujian Mesin Pendingin Adsorpsi. Prinsip kerja skema pengujian, yaitu :. Universitas Sumatera Utara.

1. Termokopel digunakan untuk mengukur besarnya perubahan temperatur kolektor pada siang hari dalam pengujian dan mengirimkan data tersebut ke termokople Cole-Palmer. 2. Termokople Cole-Palmer akan mencatat temperatur setiap 5 detik dan data tersebut akan dikirim ke laptop dengan USB. 3. Data perubahan temperatur kemudian ditampilkan di laptop untuk selanjutnya dapat digunakan untuk keperluan analisis.. Data-data praktek yang dijadikan input pada program CFD serta output yang diinginkan dari simulasi tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1 dibawah. Tabel 3.1 Input dan Output Simulasi Input. Output. Radiasi Matahari. Perubahan Temperatur Kolektor. Tekanan awal sistem. Tekanan akhir sistem. Dimensi Kolektor. Efisiensi Kolektor Teoritis. Universitas Sumatera Utara.

BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN. Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan mengenai hasil simulasi analisa tiga dimensi pada kolektor surya. Analisa yang dilakukan pada kolektor surya meliputi penyebaran temperatur yang terjadi pada kolektor surya yang akan ditampilkan dalam bentuk kontur, disertai dengan grafik kenaikan temperatur hasil simulasi dan parameter nilai yang dicapai. 4.1. Desain 3D Kolektor Surya Kolektor surya didesain dengan software CAD tiga dimensi (3D). Desain tersebut. dibuat berdasarkan data dari hasil perancangan kolektor surya. Kolektor surya dirancang atas tiga bagian yaitu bagian atas dan tengah berbentuk balok dengan ukuran panjang 1000mm lebar 1000mm dan tinggi 20mm, bagian bawah berbentuk balok dengan ukuran panjang 1000mm, lebar 1000mm, tinggi 50mm dan memiliki pipa dengan ukuran pajang 150mm dengan diameter ¾ in. Kemudian di import ke dalam ansys geometry dan mengubah material bahan menjadi fluida.. Universitas Sumatera Utara.

Gambar 4.1 Model 3D Geometri Kolektor pada Software Ansys 15.0.. 4.2. Kondisi Batas dan Meshing pada Software Ansys 15.0 Kondisi batas yang digunakan pada kolektor surya adalah dinding kolektor berbahan. stainless steel. Radiasi yang masuk dibatasi oleh dua kaca dengan jarak antar kaca 2 cm dan jaraknya dengan kolektor 2 cm. Sisi-sisi samping kaca dibatasi oleh bingkai, dan sisi samping dan sisi bawah kolektor dibatasi insulasi. Insulasi yang digunakan terdiri dari triplek, busa hitam, styrofoam, dan rockwool. Salah satu pipa kolektor surya diberi kondisi batas berupa pressure inlet. Sedangkan sisanya diberi kondisi batas berupa wall. Setelah kondisi batas diberikan, pengaturan mesh pada kolektor surya di atur sesuai dengan kondisi awal. Meshing pada kolektor surya ini menghasilkan 6.330 titik dan 23.222 elemen, secara jelas dapat dilihat pada gambar berikut:. Universitas Sumatera Utara.