TESIS
OLEH
JESAYAS SEMBIRING 117015002/ MTM
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
KAJIAN UNJUK KERJA PEMANAS AIR TENAGA MATAHARI SISTIM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIIDA
KERJA REFRIGERAN R-134 a
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
JESAYAS SEMBIRING 117015002/ MTM
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA MEDAN
2017
KAJIAN UNJUK KERJA PEMANAS AIR TENAGA MATAHARI SISTIM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA
REFRIGERAN R-134a
Telah diseminarkan dan diuji di depan Komisi Pembimbing dan Tim Penguji Program Studi Magister Teknik Mesin FT. USU untuk
memperoleh gelar Magister Teknik.
pada tanggal: 25 November 2016
Tim Penguji,
Ketua : Dr.Eng Himsar Ambarita, ST.,MT Anggota : 1. Prof.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu, DEA
2. Dr.Eng. Ir. Indra, MT
3. Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri 4. Dr. Adi Setiawan, ST.,MT
Abstrak
Air panas merupakan kebutuhkan utama manusia untuk berbagai keperluan antara lain untuk air minum, air mandi, mencuci alat rumah tangga yang berlemak dan air pengisi ketel uap. Pada umumnya air panas didapat dengan merebus air menggunakan bahan bakar fosil, membakar bahan bakar fosil dapat menimbulkan polusi udara. Seiring dengan pertambahan jumlah penduduk Dunia, terjadi peningkatan konsumsi bahan bakar fosil, sementara persediaan bahan bakar fosil semakin menipis suatu saat akan habis. Untuk keamanan dan kenyamanan hidup di masa depan, perlu disikapi dengan bijak yaitu pemanfaatan energi terbarukan tenaga matahari. Tenaga matahari adalah energi bersih, kontiniu, gratis dan tidak dapat habis. Negara Indonesia terletak di daerah khatulistiwa akan disinari matahari sepanjang hari, maka tenaga matahari dapat dimanfaatkan menjadi energi alternatif untuk memanaskan air dimasa depan. Mengingat air panas sangat penting bagi manusia, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui efisiensi kolektor menggunakan fluida kerja refrigeran R-134a pada tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi dengan satu dan dua kaca penutup kolektor. Penelitian dilakukan di Lantai Empat Gedung Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara di ruang terbuka dimulai pukul 08.00 – 15.00 WIB selama 5 hari dari tanggal 15 Maret 2016 sampai 5 April 2016 dengan kemiringan kolektor 30 derajat mengarah ke Timur.
Pemanas air tenaga matahari sistim pipa panas beroperasi mengacu pada metode pertukaran panas berdasarkan konveksi alami yaitu fluida kerja refrigeran R134a yang mudah menguap dengan efek termosifon dapat bersirkulasi terus menerus secara alami akibat perbedaan massa jenis antara fluida kerja refrigeran R134a yang panas dan dingin.
Pelaksanaan pengujian tiga tahap yaitu tahap pertama dua kaca penutup kolektor selama dua hari, tahap kedua dengan satu kaca penutup kolektor selama dua hari dan tahap ketiga dua kaca penutup kolektor selama satu hari. Saat pengujian variasi tekanan fluida kerja refrigeran R134a yang dibuat adalah: 90 psi di pipa panas satu, 100 psi di pipa panas dua dan 110 psi di pipa panas tiga. Dari hasil pengujian didapat bahwa temperatur air tertinggi dicapai saat penutup kolektor dipakai dua kaca. Hal ini merupakan sebuah fenomena, bahwa penggunaan dua kaca penutup kolektor mempunyai kemampuan lebih baik untuk menahan energi panas radiasi matahari yang akan ditransfer ke fluida kerja refrigerant R134a yang berada didalam pipa-pipa panas. Temperatur air berbanding lurus dengan jumlah kaca penutup kolektor dan tekanan fluida kerja refrigeran R134a. Berdasarkan hasil kajian secara keseluruhan, tesis ini menawarkan delapan sebagai kesimpulan.
Pertama, Efisiensi kolektor satu kaca penutup pada tekanan 90 psi adalah 9,13 n%; kedua,
Efisiensi kolektor satu kaca penutup tekanan: 100 psi adalah 15,90 %; ketiga, Efisisiensi kolektor satu kaca penutup tekanan: 110 psi adalah 17,77 %; keempat, Efisiensi kolektor dua kaca penutup tekanan: 90 psi adalah 15,50 %; kelima, Efisiensi kolektor dua kaca penutup tekanan: 100 psi adalah 28,24%; keenam, Efisiensi kolektor dua kaca penutup tekanan: 110 psi adalah 35,49%; ketujuh, Efisiensi kolektor terbaik satu kaca penutup:
17,77% pada tekanan 110 psi; kedelapan, Efisiensi kolektor terbaik dua kaca penutup:
35,49% pada tekanan 110 psi. Menggunakan dua buah kaca penutup kolektor lebih baik
Abstract
Hot water is the main human need for various purposes, such as, drinking, taking bath, washing cooking sets from fats, and filling boiler. In general, hot water is obtained by boiling water using fossil fuels which can cause air pollution. Along with the world population growth, there is a rise in fossil fuel consumption which is depleted day by day. For the safety and comfort of life in the future, it is wise if the solar energy, the renewable energy, is used. Solar energy is clean, continuous, free, and eternal. Indonesia which is located in the equator is shined by the sun all day.
Because of that, solar energy can be used as alternative energy to heat the water in the future. Considering that hot water is very important for humans, it is necessary to do a research on the collector efficiency using R-134a refrigerant as working fluid at pressure of 90 psi, 100 psi, and 110 psi by using one and two glass cover for collector.The research was conducted from 8 a.m to 3 p.m for 5 days from March 15, 2016 to April 5, 2016 in an open space of the 4th floor of Mechanical Engineering Master Program building, Faculty of Engineering, University of Sumatera Utara with collector slope of 30 degrees east. Solar heating water system with heat pipes operates refering to the method of heat exchange based on natural convection of working fluid R-134a refrigerant which is volatile by thermosifon effect that can circulate naturally and continuously due to the difference in density between hot and cold working fluids R134a refrigerant. It was implemented in three stages test, namely: the first stage was using collector with two glass covers for two days, the second stage was using collector with one glass cover for two days, and the third stage was using collector with two glass covers for one day. The working fluid pressures of R134a refrigerant apllied at that time were: 90 psi for the first heat pipe, 100 psi for the second heat pipe, and 110 psi for the third heat pipe.The test result showed that the highest water temperature was achieved when the two glass covers were used for collector. This is a phenomenon, that the use of two glass covers for the collector is better to resist the heat energy of solar radiation transferred to the working fluid R134a refrigerant inside the heat pipes. The water temperature is directly proportional to the amount of glass cover for the collector and the working fluid pressure of R134a refrigerant. Based on the result of the whole study, this thesis offers eight conclusions. First, the collector efficiency with one glass cover at pressure of 90 psi is 9.13 n%; second, the the collector efficiency with one glass cover at pressure of 100 psi is 15,90%; third, the the collector efficiency with one glass cover at pressure of 110 psi is 17,77%; fourth, the the collector efficiency with two glass covers at pressure of 90 psi is 15.50%; fifth, the collector efficiency with two glass covers at pressure of 100 psi is 28.24%; sixth, the collector efficiency with two glass covers at pressure of 110 psi is 35,49%; seventh, the best collector efficiency with one glass cover is 17.77% at a pressure of 110 psi; and eighth, the best collector efficiency with two glass covers is 35,49% at pressure of 110 psi.
Using two glass covers for the collector is better than one glass.
Keywords:solar power, refrigerant 134a, heat pipe, glass cover, collector efficiency
di Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara.
Saya Dosen Program Studi Perawatan dan Perbaikan Mesin Politeknik Santo Thomas Medan, akhirnya berhasil mengukir sejarah berhasil menyandang Magister Teknik Mesin dengan konsentrasi studi Konversi Energi. Predikat gelar ini diperoleh setelah saya berhasil mempertahankan tesis yang berjudul “ Kajian Unjuk Kerja Pemanas Air Tenaga Matahari Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigran R-134a” dalam sidang ujian tesis dihadapan tim penguji: Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.,MT, Prof.Dr.Ir. Farel H. Napitupulu, DEA, Dr.Eng. Ir. Indra,MT, Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri, Dr.Adi Setiawan, ST.,MT di ruang sidang Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Atas keberhasilan meraih gelar tersebut, penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah mendukung saya, terutama kepada Ketua Komisi Pembimbing Dr.Ing Himsar Ambarita, ST,MT, dan Anggota Komisi Pembimbing Prof.Dr.Ir.Farel H.Napitupulu, DEA, Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin, Dekan Fakultas Teknik dan Rektor Universitas Sumatera Utara.
Ucapan terima kasih dan penghargaan secara khusus penulis sampaikan kepada Ir.Tekad Sitepu, MT atas informasi, petunjuknya saat penulis menyusun tesis ini.
Ucapan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya ditujukan kepada:
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada seluruh Staf pegawai administrasi yaitu Ari, Sidik dan Lili yang telah memberikan informasi selama penulis mengikuti studi dan menyelesaikan tesis di Program Studi MTM FT USU.
Ucapan terima kasih dan penghargaan khusus disampaikan kepada keluarga penulis: Istri tercinta Reslin Saragih, AMK yang telah memberikan doa, dorongan dan dukungan moril dan material serta putra putri kami: Dessy, Cukradu dan Jelin yang telah memberi motivasi yakni studi lanjut harus tuntas.
Medan, 20 Februari 2017 Penulis,
Jesayas Sembiring
Jenis Kelamin : Laki – Laki
Status : Kawin
Alamat Domisili : Jl. M. Syuhada Gang. Damai No. 14B P. Bulan Medan Alamat Kantor : Politeknik St.Thomas Jl. Matahari Raya No.84A Medan
Telepon : 0852 6213 3349
Email :
sembiring.jesayas@gmail.comPendidikan
1971 – 1977 : SD Don Bosco Saribu D
olok 1977 – 1981 : SMP Bunda Mulia Saribu Dolok 1981 – 1984 : STM Cinta Rakyat Pematang Siantar1984 – 1989 : Strata 1 Jurusan Teknik Mesin FT Universitas Medan Area 2011 – 2016 : Strata 2 Program Studi Magister Teknik Mesin FT USU
Training
2000 Training STEP 1 yang diselenggarakan oleh Auto 2000 Medan
2001 Training Electrical Group yang diselenggarakan oleh Auto 2000 Medan 2009 ESQ Training yang diselenggarakan oleh Dinas Pendidikan Sumatera Utara
2017 Pelatihan Penulisan Proposal Artikel Ilmiah Bagi Dosen Pemula Perguruan Tinggi
Swasta yang diselenggarakan oleh Kopertis Wilayah I
1994-2003 Staf Pengajar Lembaga Teknik Santo Thomas Medan
2004 - Now Dosen Program Studi Perawatan dan Perbaikan Mesin Politeknik Santo Thomas Medan
Studi Lapangan
2011 Prosedur Instalasi Pengolahan Air Minum Tirtanadi di Delitua 2012 Meninjau Pembangkit Listrik Tenaga Air di PT. Inalum Sigura-gura 2012 Maintenance Pembangkit Listrik Tenaga Air di PT. Inalum Kuala Tanjung
Seminar2008 Pertemuan Dengar Pendapat Survey Lapangan dan Studi Strategis Dalam Negeri, Peserta Program Pendidikan Reguler Angkatan XLI Lemhanas RI di Ruang Senat Akademik Gedung Biro Rektor Universitas Sumatera Utara
2011 Pengukuran Helmet Sepeda Motor Di Kenai Beban Impak Metode Jatuh Bebas di Ruang Seminar Program Studi Magister Teknik Mesin FT USU
2012 Karakteristik Energi Surya Kota Medan Sebagai Sumber Energi Refrigrasi Untuk Pengkondisian Udara di Aula Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
2012 Studi Awal Al-Mg Sebagai Badan Pesawat Tanpa Awak Rendah Bising di Aula Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
2012 Pengembangan Riset Sumber Daya Manusia di Perguruan Tinggi di Aula Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
2012 Desain dan Manufaktury Helmed Sepeda Motor dari Bahan Limbah TKKS di Aula Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
2016 Seminar Ilmiah Nasional Dies Natalis USU ke-64 di Gedung Biro Pusat
Administrasi Universitas Sumatera Utara.
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiii
DAFTAR NOTASI ... xiv
1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 4
1.4.1 Tujuan umum ... 4
1.4.2 Tujuan khusus ... 5
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.5.1 Manfaat ilmiah ... 5
1.5.2 Manfaat komersil ... 6
1.6 Peta Perjalanan Penelitian ... 6
2. TINJAUAN PUSTAKA ... 9
2.1 Tenaga Matahari ... 9
2.2 Pengaruh Sudut Kolektor ... 10
2.2.1 Kolektor miring ... 11
2.2.2 Kolektor datar ... 11
2.3 Jenis-Jenis Panas ... 12
2.3.1 Panas sensible ... 12
2.3.2 Panas laten ... 12
2.4 Perpindahan Panas ... 13
2.4.1 Perpindahan panas konduksi ... 13
2.4.2 Perpindahan panas komveksi ... 13
2.4.3 Perpindahan panas radiasi ... 13
2.5 Pemanas Air Tenaga Matahari ... 14
2.5.1 Cara kerja pemanas air tenaga matahari ... 14
2.5.2 Prinsip sirkulasi termosifon ... 15
2.5.3 Sirkulasi fluida kerja R134a ... 16
2.5.6 Energi yang diserap kolektor ... 19
2.6 Efisiensi kolektor ... 19
2.7 Verifikasi Efisiensi Kolektor ... 19
2.8 Keamanan Refrigeran R134a ... 20
3. METODE PENELITIAN ... 21
3.1 Tempat dan Waktu ... 21
3.1.1 Tempat penelitian ... 21
3.1.2 Waktu pelaksanaan ... 21
3.2 Bahan dan Peralatan ... 22
3.2.1 Bahan ... 22
3.2.2 Peralatan ... 23
3.3 Diagram Alir Penelitian ... 26
3.3.1 Menghubungkan kabel termokopel ... 27
3.3.2 Data hasil penelitian ... 27
3.4 Setup Eksperimental ... 27
3.5 Variabel Penelitian ... 31
3.5.1 Variabel bebas ... 31
3.5.2 Variabel terikat ... 32
3.6 Analisa Data ... 32
3.7 Jadwal Pelaksanaan ... 33
3.8 Kerangka Konsep Hasil Penelitian ... 33
4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 34
4.1 Data Hasil Penelitian ... 34
4.1.1 Analisa penelitian dua kaca penutup ... 35
4.1.1.1 Dua kaca tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji I ... 35
4.1.1.2 Dua kaca tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji II ... 36
4.1.2 Analisa penelitian satu kaca penutup ... 37
4.1.2.1 Satu kaca tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji III ... 37
4.1.2.2 Satu kaca tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji IV ... 38
4.1.3 Analisa penelitian dua kaca penutup ... 39
4.1.3.1 Dua kaca tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji V ... 39
4.2 Pengolahan Data Dua Kaca Tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji I ... 40
4.2.1 Dua kaca tekanan 90 psi ... 40
4.2.1.1 Energi yang sampai di kolektor ... 40
4.2.1.2 Energi yang diserap air ... 42
4.2.1.3 Efisiensi kolektor ... 42
4.2.2 Dua kaca tekanan 100 psi ... 43
4.2.2.1 Energi yang sampai di kolektor ... 43
4.2.2.2 Energi yang diserap air ... 44
4.2.2.3 Efisiensi kolektor ... 44
4.2.3 Dua kaca tekanan 110 psi ... 45
4.2.3.1 Energi yang sampai di kolektor ... 45
4.2.3.2 Energi yang diserap air ... 46
4.2.3.3 Efisiensi kolektor ... 46
4.3 Pengolahan Data Dua Kaca Tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji II ... 47
4.3.1 Dua kaca tekanan 90 psi ... 47
4.3.1.1 Energi yang sampai di kolektor ... 47
4.3.1.2 Energi yang diserap air ... 49
4.3.1.3 Efisiensi kolektor ... 49
4.3.2 Dua kaca tekanan 100 psi ... 50
4.3.2.1 Energi yang sampai di kolektor ... 50
4.3.2.2 Energi yang diserap air ... 51
4.3.2.3 Efisiensi kolektor ... 52
4.3.3 Dua kaca tekanan 110 psi ... 52
4.3.3.1 Energi yang sampai di kolektor ... 52
4.3.3.2 Energi yang diserap air ... 53
4.3.3.3 Efisiensi kolektor ... 54
4.4 Pengolahan Data Satu Kaca Tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji III ... 54
4.4.1 Satu kaca tekanan 90 psi ... 54
4.4.1.1 Energi yang sampai di kolektor ... 54
4.4.1.2 Energi yang diserap air ... 56
4.4.1.3 Efisiensi kolektor ... 57
4.4.2 Satu kaca tekanan 100 psi ... 57
4.4.2.1 Energi yang sampai di kolektor ... 57
4.4.2.2 Energi yang diserap air ... 58
4.4.2.3 Efisiensi kolektor ... 59
4.4.3 Satu kaca tekanan 110 psi ... 59
4.4.3.1 Energi yang sampai di kolektor ... 59
4.4.3.2 Energi yang diserap air ... 60
4.4.3.3 Efisiensi kolektor ... 61
4.5 Pengolahan Data Satu Kaca Tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi Uji IV ... 61
4.5.1 Satu kaca tekanan 90 psi ... 61
4.5.2 Satu kaca tekanan 100 psi ... 64
4.5.2.1 Energi yang sampai di kolektor ... 64
4.5.2.2 Energi yang diserap air ... 65
4.5.2.3 Efisiensi kolektor ... 66
4.5.3 Satu kaca tekanan 110 psi ... 66
4.5.3.1 Energi yang sampai di kolektor ... 66
4.5.3.2 Energi yang diserap air ... 67
4.5.3.3 Efisiensi kolektor ... 68
4.6 Pengolahan Data Dua Kaca Tekanan 90 psi, 100 psi dan 110 psi . Uji V ... 68
4.6.1 Dua kaca tekanan 90 psi ... 68
4.6.1.1 Energi yang sampai di kolektor ... 68
4.6.1.2 Energi yang diserap air ... 70
4.6.1.3 Efisiensi kolektor ... 71
4.6.2 Dua kaca tekanan 100 psi ... 71
4.6.2.1 Energi yang sampai di kolektor ... 71
4.6.2.2 Energi yang diserap air ... 72
4.6.2.3 Efisiensi kolektor ... 73
4.6.3 Dua kaca tekanan 110 psi ... 73
4.6.3.1 Energi yang sampai di kolektor ... 73
4.6.3.2 Energi yang diserap air ... 74
4.6.3.3 Efisiensi kolektor ... 75
4.7 Verifikasi Data ... 75
4.7.1 Verifikasi efisiensi kolektor uji I ... 75
4.7.2 Verifikasi efisiensi kolektor uji II ... 76
4.7.3 Verifikasi efisiensi kolektor uji III ... 77
4.7.4 Verifikasi efisiensi kolektor uji IV ... 78
4.7.5 Verifikasi efisiensi kolektor uji V ... 79
4.8 Hasil Penelitian dan Pembahasan ... 81
5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 82
5.1 Kesimpulan ` ... 82
5.2 Saran ... 84
DAFTAR KEPUSTAKAAN ... 85
Lampiran 1 Hasil Penelitian ... 89
Lampiran 2 Foto Dokumentasi Saat Penelitian ... 145
DAFTAR GAMBAR
No Judul Halaman
1.1 Peta Perjalanan Penelitian ... 9
2.1 Hubungan Matahari dan Bumi ... 11
2.2 Pemanas Air Tenaga Matahari ... 15
2.3 Efek Termosifon ... 16
2.4 Distribusi Radiasi Matahari ... 18
2.5 Distribusi Radiasi Matahari di Kaca Penutup ... 18
3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian ... 21
3.2 Refrigeran 134a ... 22
3.3 Pompa Vakum ... 23
3.4 Manifold Gauge ... 24
3.5 Agilen 44972A ... 24
3.6 Hobo Microstation Data Logger ... 25
3.7 Diagram Alir Penelitian ... 26
3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Matahari ... 31
3.9 Kerangka Konsep Hasil Penelitian ... 33
4.1 Grafik Temperatur Air Maksimum Vs Waktu Uji I... 36
4.2 Grafik Temperatur Air Maksimum Vs Waktu Uji II ... 37
4.3 Grafik Temperatur Air Maksimum Vs Waktu Uji III ... 38
4.4 Grafik Temperatur Air Maksimum Vs Waktu Uji IV ... 39
4.5 Grafik Temperatur Air Maksimum Vs Waktu UJi V... 40
4.6 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Uji I ... 41
4.7 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Uji II ... 50
4.8 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Uji III ... 57
4.9 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Uji IV ... 64
4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Uji V ... 71
4.11 Grafik Verifikasi Efisiensi Vs Waktu Uji I ... 76
4.12 Grafik Verifikasi Efisiensi Vs Waktu Uji II ... 77
.4.13 Grafik Verifikasi Efisiensi Vs Waktu Uji III ... 78
4.14 Grafik Verifikasi Efisiensi Vs Waktu Uji IV ... 79
4.15 Grafik Verifikasi Efisiensi Vs Waktu Uji V ... 80
L 2.1Fluida Kerja Refrigran R134a ... 145
L 2.2 Pemanas Air Tenaga Matahari ... 145
L 2.3 Tekanan Fluida Kerja Di Manifold Gauge ... 146
L 2.4 Menghubungkan Manifod Gauge ke Katup Pipa Panas ... 146
L 2.5 Menghubungkan Manifold Gauge ke Katup Tabung R134a ... 147
L 2.6 Memutar Katup Tabung R134a ... 147
L 2.7 Tekanan Fluida Kerja R134a di Pipa Panas ... 148
DAFTAR TABEL
No Judul Halaman
3.1 Tata Letak Penelitian ... 21
3.2 Jadwal Pelaksanan ... 33
4.1 Hasil Penelitian ... 36
4.2 Verifikasi Efisiensi Kolektor R134a Uji I ... 76
4.3 Verifikasi Efisiensi Kolektor R134a Uji II ... 77
4.4 Verifikasi Efisiensi Kolektor R134a Uji III ... 78
4.5 Verifikasi Efisiensi Kolektor R134a Uji IV ... 79
4.6 Verifikasi Efisiensi Kolektor R134a Uji V ... 80
4.7 Galat Efisiensi Kolektor ... 81
5.1 Efisiensi Kolektor Hasil Pengujian ... 83
DAFTAR LAMPIRAN
No Judul Halaman
1. Hasil Penelitian ……… 104
2. Foto Dokumentasi Saat Penelitian ………. 151
DAFTAR NOTASI
A = Luas penampang pelat absorber
C
pw =Panas jenis air
G
diffuse =Radiasi difus
G
on= Radiasi di Atmosfir
G
sc= Konstanta radiasi rata-rata yang diterima Bumi
I = Intensitas radiasi Matahari
L
1 =Luas daerah dibawah kurva intensitas matahari dalam satu menit.
L
2 =Luas daerah dibawah kurva intensitas matahari dalam dua menit.
m
w= Massa air
C
pw= Panas janas air
Q
abs =Panas absorber
Q
incident =Energi panas matahari yang sampai di kolektor Q
ref= Energi panas matahari yang dipantulkan Q
u =Energi panas matahari yang diserap air
T
w1= Temperatur awal air sebelum dipanaskan T
w2 =Temperatur maksimum air setelah dipanaskan y
0 =Intensitas matahari awal penelitian
y
1= Intensitas matahari satu menit kemudian
21
Idt
= Total intensitas matahari yang sampai di kolektor
α
=difusifitas bahan
Ƞ = Efisiensi kolektor
Ø = Kemiringan kolektor
^
x= Waktu 60 detik
ρ = Massa jenis
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Saat ini Indonesia sedang bergiat membangun di seluruh aspek kehidupan terutama bidang teknologi tepat guna untuk menyongsong era tinggal landas.
Merupakan suatu rahmat dan keberuntungan bagi bangsa Indonesia, karena memiliki potensi sumber daya alam yang berlimpah dan dapat dimanfaatkan untuk kelangsungan hidup dan kesejahteraan umat manusia di Bumi.
Sumber daya alam yang berlimpah tidak dapat langsung dimanfaatkan melainkan harus diimbangi dengan peningkatan sumber daya manusia, guna mengelola sumber daya alam seperti: energi potensial di air terjun, energi kinetik diangin dan energi panas yang terdapat pada tenaga matahari.
Khusus tenaga matahari Indonesia memiliki potensi sumber daya alam yang berlimpah dan tidak terbatas karena keberadaan Indonesia berada pada lintasan matahari yaitu di daerah katulistiwa, terletak pada 6
0LU dan 11
0LS, sehingga Indonesia akan disinari matahari sepanjang hari.
Sumber energi fosil semakin menipis, ini perlu disikapi secara bijak untuk
menjaga keamanan dan kenyamanan kehidupan manusia dimasa depan melalui usaha
memanfaatkan energi terbarukan yaitu tenaga matahari. Tenaga matahari merupakan
sumber energi yang dihasilkan dari sumber daya alam dan dapat berkelanjutan
Sehubungan dengan itu tenaga matahari cukup menarik untuk dikaji lebih mendalam sebagai pemanas air karena terdapat peluang untuk mengurangi produksi air panas secara sentral dari ketel uap dan merupakan salah satu upaya yang dapat diterapkan guna menghemat pengguna energi fosil sehingga mengurangi biaya operasional.
Sinar matahari yang sampai ke permukaan bumi sebagian diserap oleh plat absorber dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor matahari untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi, antara lain adalah sebagai pemanas air. Bila menggunakan air yang sudah dipanaskan dari unit ini sebagai air pra panas, akan diperoleh: penghematan biaya membeli energi fosil, mengurangi polusi udara di atmosfir dan salah satu usaha menghambat naiknya suhu Bumi
Air panas dibutuhkan oleh masyarakat luas misalnya untuk: air minum, air mandi, menyembuhkan sakit otot, membuka pori-pori kulit, mencuci barang yang berlemak dan keperluan industri. Dengan menggunakan air panas lebih mudah melarutkan lemak dibandingkan dengan air dingin. Pada umumnya air panas diperoleh dengan cara merebus air dengan membakar bahan bakar fosil. Membakaar bahan bakar fosil menyebabkan terjadinya emisi CO2 ke udara.
Salah satu issu global saat ini adalah adanya usaha bersama seluruh umat
manusia untuk mengurangi/ menghindari pemanasan global. Salah satu tindakan
untuk itu adalah mengurangi konsumsi/ pembakaran bahan bakar fosil.
Tenaga matahari adalah salah satu energi yang dapat digunakan untuk memanaskan air. Karena tenaga matahari adalah energi terbarukan yang ramah lingkungan dan fenomena yang terjadi saat ini adalah walnya udara sejuk dengan langit biru tetapi saat ini sebaliknya, dapat kita rasakan betapa panasnya suhu bumi saat ini bila dibandingkan dengan beberapa tahun yang lalu. Salah satu penyebanya adalah meningkatnya jumlah pemakai energi fosil, dimana gas buang yang dihasilkan oleh pemakai enegi fosil merupakan penyumbang terbesar polusi udara, sisanya dunia industri dan prilaku manusia. Meningkatnya kandungan karbon dioksida CO
2di udara, melampaui kemampuan tumbuh-tumbuhan mengkonversikan gas CO
2menjadi O
2saat proses fotosintesis. Tenaga matahari merupakan sumber energi yang dapat digunakan dengan sederhana dan murah untuk mereduksi ketergantungan terhadap bahan bakar kayu dan energi fosil yang semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga matahari sebagai energi alternatif di masa yang akan datang dapat menjadi solusi mengatasi krisis energi, mengurangi polusi udara dan di atmosfir.
1.2 Perumusan Masalah
Ada dua pemanas air tenaga matahari yaitu pemanas air tenaga matahari
menggunakan fluida kerja dan tanpa menggunakan fluida kerja. Pemanas air tenaga
matahari tanpa fluida kerja air langsung dipanaskan oleh kolektor, sedangkan dengan
fluida kerja kolektor memanaskan fluida kerja dan fluida kerja memanaskan air yang
terdapat di dalam tangki penyimpanan.
Metode penelitian yang digunakan adalah penelitian eksperimen yaitu suatu penelitian yang berusaha mencari pengaruh variabel bebas terhadap variasi terikat.
Pada penelitian ini akan dilakukan kajian unjuk kerja terhadap pemanas air tenaga matahari sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigran R134a dengan memvariasikan tekanan dan kaca penutup kolektor. Pengkajian unjuk kerja dilakukan untuk mengetahui bagaimana pengaruh variasi tekanan fluida kerja dan kaca penutup kolektor terhadap besar efisiensi kolektor.
1.3 Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penelitian maka penelitian ini dibatasi yaitu kajian unjuk kerja pemanas air tenaga matahari sistim pipa panas menggunakan fluida kerja refrigran R134a dengan memvariasikan tekanan dan kaca penutup yaitu:
1. Refrigran R134a pada tekanan: 90 psi, 100 psi dan 110 psi.
2. Penutup kolektor satu dan dua kaca bening tebal 5 mm.
3. Jarak kaca penutup ke plat kolektor 20 mm.
4. Kemiringan kolektor 30
0menghadap ke Timur.
1.4 Tujuan Penelitian
1.4.1 Tujuan umum
Tujuaan umum dalam penelitian adalah untuk melakukan kajian unjuk kerja
pemanas air tenaga matahari sistem pipa panas menggunakan fluida kerja
refrigran R134a dengan memvariasikan tekanan fluida kerja refrigran R134a dan kaca
penutup kolektor.
1.4.2 Tujuan khusus
Tujuan khusus dari penelitian:
1. Untuk mengetahui efisiensi kolektor pemanas air tenaga matahari sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigran R134a pada tekanan 90 psi dengan satu dan dua kaca penutup kolektor.
2. Untuk mengetahui efisiensi kolektor pemanas air tenaga matahari sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigran R134a pada tekanan 100 psi dengan satu dan dua kaca penutup kolektor.
3. Untuk mengetahui efisiensi kolektor pemanas air tenaga matahari sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigran R134a pada tekanan 110 psi dengan satu dan dua kaca penutup kolektor.
4. Untuk menentukan efisiensi kolektor terbaik masing-masing kaca penutup kolektor pada tinjauan tekanan yang berbeda.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat baik ilmiah maupun manfaat komersil. Kedua manfaat tersebut diuraikan seperti dibawah ini.
1.5.1 Manfaat ilmiah
Manfaat ilmiah dari temuan yang dihasilkan penelitian ini adalah tenaga matahari
dapat dijadikan energi alternatif untuk memanaskan air dimasa depan untuk
mengurangi ketergantungan energi fosil pada era krisis energi. Dapat dijadikan
energi bersih, kontiniu, gratis dan tidak dapat habis. Dapat dijadikan sebagai pedomana kepada calon peneliti berikutnya yang tertarik mengkaji pemanas air tenaga matahari dengan topik dan permasalahan yang berbeda.
1.5.2 Manfaat komersil
Secara komersil hasil penelitian ini bermanfaat untuk memberikan sumbangan pemikiran dan informasi ilmiah kepada pembuat keputusan organisasi baik pemerintah maupun swasta dalam: pemilihan bahan fluida kerja yang aman dari sudut kesehatan, mudah mendapatkannya dan dapat dijadikan produk yang berguna bagi masyarakat dengan harga lebih murah.
1.6 Peta Perjalanan Penelitian
Peta perjalanan penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Penelitian mengenai kajian pemanas air tenaga matahari oleh peneliti sebelumnya dijelaskan berikut ini:
Joseph Enaburekhan dan Usman Tanko Yakasai 2008 [10] mahasiswa Fakultas Teknologi Universitas Bayero di Nigeria Utara mengadakan uji performance pemanas air tenaga surya menggunakan R12, R134a dan Ethanol. Hasil lebih efisien R134a.
Fransito Simbolon 2014 [38] Mahasiswa Program Studi Magister Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara melakukan kajian eksperimental
pemanas air tenaga surya menggunakan fluida kerja R141b pada tekanan 30 psi, 45
psi, 55 psi dan R410a pada tekanan 70 psi, 90 psi, 110 psi dengan penutup kolektor
kaca bening tebal 5 mm. Hasil kajian efisiensi terbesar adalah R141b tekanan 30 psi.
Tekad Sitepu 2015 [39], mahasiswa Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, melakukan kajian performance pemanas air tenaga surya sistem pipa panas menggunakan fluida kerja R718 tekanan vakum 0 cmhg, 20 cmhg, 30 cmhg dan R141b tekanan 30 psi dan sudut kolektor 30
0penutup kolektor kaca bening tebal 5 mm. Hasil kajian lebih efisien R141b tekanan 30 psi.
Immanuel R.P Sembiring 2015 [36] mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, melakukan pengujian pemanas air tenaga surya sistim pipa panas menggunakan fluida kerja R 718 pada tekanan vakum dan variasi sudut kolektor 20
0dan 30
0enutup kolektor kaca bening tebal 5 mm. Hasil pengujian efisiensi terbaik tekanan 35 cmhg sudut kolektor 30
0.
Ekadewi Anggraini Handoyo dan Rahardjo Tirtoatmodjo 1999 [16] melakukan kajian unjuk kerja pemanas air jenis kolektor surya plat datar dengan satu dan dua kaca penutup. Kesimpulan meggunakan dua kaca penutup diperoleh efisiensi yang lebih baik dibandingkan menggunakan satu kaca penutup kolektor.
Ekadewi Anggraini Handoyo 2001 [17] melakukan penelitian pengaruh jarak kaca ke plat terhadap panas yang diterima suatu kolektor surya plat datar. Kaca penutup yang digunakan kaca bening dan kaca es dengan tebal 3 mm dan 5 mm dengan variasi jarak kaca ke plat yaitu 20 mm, 25 mm dan 30 mm. Hasil penelitian temperatur plat tertinggi jika jarak plat ke kaca 20 mm dan kaca bening tebal 3 mm.
M. Burhan R. Wijaya, Samsudin Anis, Karnowo [4] mahasiswa FT UNS,
Berdasarkan hasil penelitian di atas, penulis tertarik untuk mengadakan penelitian lanjutan seperti peta perjalanan penelitian ditunjukkan pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1 Peta Perjalanan Penelitian.
Jesayas Sembiring mahasiswa MTM FT.
USU 2016. Melakukan kajian unjuk kerja PATM sistim pipa panas menggunakan fluida kerja Refrigeran R134a dengan variasi tekanan: 90 psi, 100 psi dan 110 psi dan penutup kolektor kaca bening tebal 5 mm.
Kesimpulan: efisiensi kolektor terbaik PATM menggunakan R134a dua kaca penutup pada tekanan 110 psi adalah 35,49%.
M. Burhan dan Karrowo mahasiswa FT UNS melakukan penelitian PATS seng bekas sebagai absorber, variasi tebal kaca 3 mm, 5 mm dan 8 mm. Kesimpulan kaca tebal 5 mm, menghasilkan efisiensi tertinggi.
Tirtoatmodjo dan Ekadewi A. Handoyo, Dosen Teknik Mesin UKP 1999. Melakukan penelitian PATS penutup kolektor satu dan dua kaca.
Kesimpulan: menggunakan dua buah kaca penutup diperoleh efisiensi lebih baik.
Ekadewi A.H Dosen Teknik Mesin UKP 2001.
Melakukan penelitian terhadap panas yang diterima kolektor surya dengan kaca bening, es dan jarak kaca ke plat: 20 mm, 25 mm, 30 mm.
Kesimpulan: temperatur tertinggi saat dipakai kaca bening dan jarak kaca ke plat 20 mm.
Immanuel R.S mahasiswa Teknik Mesin FT USU 2015. Melakukan pengujian PATS menggunakan R718 dengan variasi tekanan vakum dan sudut kolektor 200 dan 300. . Hasil pengujian efisiensi tertinggi tekanan 35 cmhg dan sudut kolektor 300..
Tekad Sitepu mahasiswa MTM FT USU 2014.
Melakukan kajian performance PATS menggunakan R141b tekanan 30 psi dan R718 variasi tekanan vakum, sudut kolektor 300. Hasil kajian yang terbaik R141b pada tekanan 30 psi.
Fransito Simbolon mahasiswa MTM FT USU 2013. Melakukan kajian eksperimental PATS menggunakan R141b, R410a variasi tekanan, sudut kolektor 300. Hasil kajian efisiensi kolekektor terbaik R141b tekanan 30 psi.
Josep Enaburhan dan Usman Tanko melakukan penelitian PATS menggunakan media pemanas R12, 134a dan Etanol. Hasil penelitian yang paling baik adalah R134a.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tenaga Matahari
Tenaga matahari adalah sumber energi berlimpah yang terdapat di alam dan merupakan sumber energi bagi kehidupan mahluk hidup di Bumi. Manfaat tenaga matahari bagi kehidupan seperti (1) Panas matahari memberikan suhu yang pas untuk kelangsungan hidup organisme di Bumi. (2) Cahaya matahari bermanfaat untuk tumbuh-tumbuhan saat berfotosintesis. Kajian mengenai tenaga matahari pada era krisis energi pada saat sekarang ini, menjadi sebuah fenomena yang sangat menarik untuk dikaji dan mengingat issu ksisis energi dewasa ini maka sangat urgen penelitian mencari sumber energi alternatif dari sumber daya alam Sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif antara lain energi angin, energi air, energi gas dan energi matahari.
Negara Indonesia yang terletak di lintasan matahari yaitu pada daerah khatulistiwa, maka akan menerima penyinaran radiasi matahari sepanjang hari.
Energi panas matahari yang dipancarkan oleh matahari dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air dengan bantuan kolektor matahari. Proses memanaskan air di tangki penyimpanan air menggunakan pemanas air tenaga matahari adalah dengan memanfaatkan efek termoshipon fluida kerja. Pemanas air tenaga matahari dapat beroperasi terus menerus secara alami tanpa memerlukan alat bantu pompa mekanik.
Beberapa fakta tentang matahari yang kita ketahui adalah matahari mempunyai
dengan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,495 x 10
11m, waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar 2.1. menunjukkan pola masuknya energi panas matahari dengan cara radiasi ke permukaan bumi dan hubungan antara matahari dan bumi. Pada gambar ini juga ditampilkan nilai konstanta radiasi matahari G
scyang merupakan daya radiasi rata-rata yang diterima bumi dari matahari pada arah tegak lurus permukaan.
Gambar 2.1. Hubungan Matahari dan Bumi
Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dan bumi tidak tetap, jarak terdekat 1,47 x 10
11m dan jarak terjauh 1,52 x 10
11m. Perbedaan jarak ini hanya 3,3% dari jarak rata-rata. Akibat perbedaan jarak ini maka radiasi di permukaan di luar atsmosfer akan berbeda setiap hari.
2.2 Pengaruh Sudut Kolektor
Radiasi sinar matahari yang diterima bumi tergantung pada keadaan cuaca dan
kemiringan permukaan. Dalam permukaan kolektor dimiringkan pada sudut tertentu
akan mempengaruhi besarnya intensitas matahari yang diterima dari suatu
permukaan. Jumlah Radiasi sinar matahari yang diterima dalam permukaan kolektor yang dimiringkan akan berpengaruh terhadap waktu penyinaran.
2.2.1 Kolektor datar
Pemanas air tenaga matahari dengan permukaan kolektor datar, akan menerima radiasi matahari saat matahari mulai terbit di sebelah Timur dan akan berhenti menerima radiasi matahari saat terbenamnya matahari di sebelah Barat. Akan tetapi di plat kolektor datar, fluida kerja R134a akan mengalami kesulitan dalam perputaran siklus fluida kerja di dalam pipa panas, untuk menghantarkan energi panas kepada air di dalam tangki penyimpanan.
2.2.2 Kolektor miring
Apabila permukaan plat kolektor dimiringkan terhadap bidang datar, akan mempengaruhi rentang waktu menerima radiasi matahari. Suatu plat kolektor dimiringkan 30
0kearah timur, akan memiliki perbedaan dengan plat kolektornya tidak dimiringkan terhadap permukaan datar. Perbedaannya terletak pada rentang waktu penerimaan radiasi matahari.
Sudut kolektor atau disimbolkan dengan (Ø) yang dimiringkan 30
0ke arah Timur
akan menerima radiasi matahari saat matahari terbit, sama dengan kolektor yang
sejajar bidang datar. Namun radiasi yang diterima dengan kemiringan 30
0akan
berlangsung dalam rentang waktu yang lebih pendek dibanding kolektor sejajar
didang datar.
Hal ini karena pada kolektor bidang datar saat matahari akan terbenam di sebelah Barat, kolektor tersebut masih dapat menerima radiasi matahari. Berbeda dengan kolektor dimiringkan 30
0kearah Timur, dimana saat matahari menjelang sisi Barat namun belum terbenam, kolektor tidak dapat lagi menerima radiasi karena sudah tertutup oleh bodi kolektor itu sendiri. Jadi kolektor sejajar bidang datar akan menerima radiasi matahari lebih lama dibandingkan dengan kolektor yang dimiringkan.
2.3 Jenis – Jenis Panas
2.3.1 Panas sensibel
Panas sensibel adalah energi yang diberikan diterima suatu materi yang membuat temperaturnya berubah.
2.3.2. Panas laten
Panas laten adalah panas yang diberikan atau yang diterima suatu materi yang membuat fasanya berubah.
Panas laten penguapan adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat cair pada titik didihnya sampai wujudnya berubah menjadi uap seluruhnya pada suhu yang sama. Panas laten pengembunan adalah jumlah panas yang harus dibuang/dikeluarkan oleh zat gas atau uap pada titik embunnya, untuk mengubah wajud zat dari gas menjadi cair pada suhu yang sama.
Panas laten pencairan adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat
padat pada titik leburnya sampai wujudnya berubah menjadi cair semuanya pada suhu
yang sama. Panas laten pembekuan adalah jumlah panas yang harus dibuang atau dikeluarkan oleh zat cair, pada titik bekunya untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat pada suhu yang sama.
2.4 Perpindahan Panas
Prinsip kerja pemanas air tenaga matahari menggunakan tiga modus perpindahan panas yaitu konduksi atau hantaran, konveksi dan radiasi.
2.4.1 Perpindahan panas konduksi.
Jika di suatu benda terdapat gradient suhu, maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi panas dari temperatur tinggi ke bagian temperatur rendah.
2.4.2 Perpindahan panas konveksi.
Sudah cukup diketahui bahwa plat logam panas akan lebih cepat dingin bila ditaruh di depan kipas angin dibandingkan dengan ditempatkan di uadara biasa.
Perpindahan panas konveksi yaitu energi panas dipindahkan melalui gerakan benda cair atau dengan uap.
2.4.3 Perpindahan panas radiasi.
Perpindahan panas dengan radiasi yaitu energi panas dipindahkan langsung tanpa
media perentara yakni melalui permukaan udara.
2.5 Pemanas Air Tenaga Matahari
Pemanas air tenaga matahari merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi panas matahari untuk memanaskan air. Alat ini telah banyak digunakan di hotel, villa peristirahatan, rumah sakit dan perumahan. Alat pemanas air tenaga matahari sistim pipa panas menggunakan fluida kerja refrigeran R134a yang digunakan dalam penelitian ini adalah diperlihatkan seperti Gambar 2.2 dibawah:
Gambar 2.2. Pemanas Air Tenaga Matahari 2.5.1 Cara kerja pemanas air tenaga matahari
Cara kerja pemanas air tenaga matahari adalah sama dengan prinsip sirkulasi efek termosifon. Energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap, dikumpulkan kolektor matahari, kemudian ditransfer ke pipa tembaga 1-2 yang berisi fluida kerja R134a. Fluida kerja R134a naik temperaturnya dan akan bersirkulasi di dalam pipa tembaga 1-2 yaitu bergerak naik menuju ke tangki air. Tiba di tangki air fluida kerja R134a akan mentransfer energi panas ke air sehingga temperatur air akan naik dan
1 2
3
temperatur fluida kerja R134a turun, sehingga dapat bersirkulasi menuju kolektor untuk dipanasi matahari kembali. Fluida kerja R134a akan bersirkulasi terus menerus secara alamiah tanpa pompa mekanik selama ada energi panas matahari.
2.5.2 Prinsip sirkulasi termosifon.
Prinsip sirkulasi termosipon seperti Gambar 2.3 dibawah yaitu mengacu pada metode pertukaran panas berdasarkan konveksi alami yaitu bersirkulasi fluida kerja yang mudah menguap tanpa perlu pompa mekanik akibat perbedaan massa jenisnya.
Fluida kerja fase cair massa jenisnya lebih berat dibandingkan dengan fluida kerja fase gas.
EfekTermosifon
Air Panas Tangki Air
Kolektor
Gambar 2.3 Prinsip Sirkulasi Termosifon
2.5.3 Sirkulasi fluida kerja refrigeran R134a
Kita misalkan bentuk sederhana pipa panas adalah sebuah bak logam, Jika bak tadi dipanaskan dengan meletakkan sebuah pembakar gas diatasnya, lempeng atas logam itu akan menerima energi panas dari matahari. Energi panas ini ditransfer melalui lempeng atas yang kemudian diteruskan kepada fluida kerja R134a.
Apabila lempeng atas menyerahkan energi panas kepada R134a yang mula-mula menerima energi panas itu adalah R134a lapisan atas, yang menyebabkan naiknya tsuhu dari lapisan atas, sedangkan pada saat itu suhu R134a di lapisan bawah tetap.
Kini terjadi suatu peristiwa, dimana R134a dingin berada diatas lapisan R134a panas,
yang bermassa jenis lebih ringan. Keadaan tidak stabil ini akan segera berubah
menjadi lebih stabil, karena R134a yang lebih panas akan naik ke atas dan
menyediakan tempat untuk R134a yang lebih dingin. R134a yang baru ini kemudian
akan menjadi lebih panas pula daripada R134a lapisan bawah dan mampu naik
kembali ke bagian atas. Dengan demikian akan terjadilah sirkulasi alami terus
menerus karena pemanasan. Sirkulasi ini sangat dibutuhkan untuk mempercepat
proses pemanasan air secara keseluruhan di dalam tangki air.
2.5.4 Distibusi radiasi matahari
Distribusi radiasi matahari yang sampai di Bumi seperti gambar 2.4 dibawah.
Gambar 2.4 Distribusi Radiasi Matahari
Distribusi radiasi matahari yang terjadi pada kaca penutup dapat dilihat pada Gambar 2.5 di bawah. Energi panas yang diterima kaca penutup, dimanfaatkan energi berguna dan mengalami kerugian panas ke arah atas, horizontal.
Gambar 2.5 Distribusi Radiasi Matahari di Kaca Penutup.
Q
incidenα
T
Kaca penutup
Plat Kolektor
Q
incidentQ
refQ
absPelat absorb er
Kaca penutup
Fungsi kaca penutup ialah untuk meneruskan radiasi matahari dan untuk mencegah energi panas keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas.
Berdasarkan fungsi kaca penutup di atas, maka kaca penutup kolektor dipilih yang mempunyai sifat: (1) Transmisivitas tinggi (T), (2) Absorptifitas rendah ( α ) (3)
Refleksifitas rendah ( , (4) Tahan panas dan (5) Mudah mendapatkannya.
Dengan pertimbangan sifat – sifat di atas, maka kaca penutup kolektor dipilih kaca bening tebal 5 mm, dimana transmisivitas kaca: 0,85, Absorptifitas: 0,06, Refleksifitas: 0,09.
Energi panas yang dapat mengalir melalui kaca penutup dapat dihitung menggunakan persamaan 2.2 di bawah:
Q = T. Qinciden ………..…. (2.2)
2.5.5 Energi yang sampai di kolektor
Energi panas matahari yang sampai di permukaan kaca akan diserap oleh kolektor. Energi panas yang diserap kolektor dihitung menggunakan persamaan 2.3
2
1
Idt A
Qincident
... (2.3)
dimana: A = Luas penampang dari pelat absorber (m
2).
2
1
Idt
= Total intensitas matahari yang sampai di Kolektor (W/m
2).
2.5.6 Energi yang diserap air
Energi panas yang diterima kolektor akan ditrasfer kepada air melalui fluida kerja R134a. Jumlah energi panas yang diserap air dihitung dengan persamaan 2.4.
Q
u= m
wC
pw( T
w2– T
w1) ……… (2.4) dimana: m
w = Massa air (kg)C Þ
w= Panas jenis air (kJ/kg
0C )
T
w1 =Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (
0C)
T
w2 =Temperatur maksimum air setelah dipanaskan kolektor (
0C)
2.6. Efisiensi Kolektor
Efisiensi kolektor ialah perbandingan antara konsumsi energi panas dengan suplai energi panas. Efisiensi kolektor dihitung menggunakan persamaan 2.5.
……… (2.5)
2.7. Verifikasi Efisiensi Kolektor
Verifikasi efisiensi kolektor dilakukan untuk mengetahui kebenaran data/ besar
penyimpangan hasil perhitungan pengolahan data menggunakan perangkat lunak
software Microsoft Excel. Efisiensi kolektor hasil perhitungan menggunakan
perangkat lunak software Microsoft Excel, dibuat dalam gambar bentuk grafik
menggunakan perangkat lunak software Igor Pro.
2.8. Keamanan Refrigeran R-134a
Refrigeran dirancang untuk ditempatkan dalam siklus tertutup atau tidak bercampur dengan udara atmosfir. Tetapi, jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak diinginkan, maka refrigeran akan keluar dari sistem dan bisa saja terhirup manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran yang digunakan harus dipastikan apakah dikatagorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan untuk mengklasifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan yaitu bersifat racun dan bersifat mudah terbakar.
Berdasarkan standart 34-1997 refrigeran diklasifikasikan menjadi 6 katagori:
1. Katagori A1 adalah sifat racun rendah dan tidak terbakar 2. Katagori A2 adalah sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah 3. Katagori A3 adalah sifat racun rendah dan mudah terbakar 4. Katagori B1 adalah sifat racun lebih tinggi dan tidak terbakar 5. Katagori B2 adalah sifat racun lebih tinggi dan terbakar rendah 6. Katagori B3: Sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar
Berdasarkan tabel 2 Keamanan Refrigeran Buku Kuliah Teknik Pendingin dan
Pengkondisian Udara Teknik Mesin USU dimana fluida kerja refrigeran R134a
masuk kedalam katagori A1 yaitu sifat racun rendah dan tidak terbakar. Dengan
demikian pemakaian frigeran R134a sebagai fluida kerja pada penelitian kajian unjuk
kerja pemanas air tenaga matahari cukup aman dan terjamin tidak merusak
lingkungan dan tidak mengganggu kesehatan manusia.
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu
3.1.1 Tempat penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Lantai 4 Gedung Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun letak penelitian ini seperti ditunjukkan pada gambar 3.1 berikut ini.
Gambar.3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian
3.1.2 Waktu pelaksanaan
Waktu pelaksanaan penelitian ini selama 10 bulan yaitu dari bulan Oktober 2015
sampai dengan bulan Juli 2016.
3.2 Bahan dan Peralatan
3.2.1 Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini ialah:
1. Air bersih
Air yang akan dipakai dalam penelitian ini adalah air bersih yang diambil dari kran air PAM Tirtanadi sebanyak 15 liter.
2. Refrigeran R-134a
Fluida kerja yang digunakan adalah refrigeran R-134a sebanyak 2 tabung.
Gambar 3.2 Refrigeran R134a 3. Kaca bening
Kaca penutup kolektor yang digunakan adalah kaca bening tebal 5 mm dengan ukuran 120x180 cm sebanyak 2 keping.
4. Thermokopel
Thermokopel yang digunakan adalah type CA/K yang berkemampuan
pengukuran dari 0 – 400
0C.
3.2.2 Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Kolektor Pemanas Air Tenaga Matahari
Kolektor pemanas air tenaga matahari dibagi tiga unit fungsional yaitu:
1) Kolektor matahari berfungsi untuk menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas, kemudian ditransfer ke fluida kerja refrigeran R134a yang berada di dalam pipa panas.
2) Tangki air berfungsi sebagai tempat menyimpan air panas.
3) Pipa-pipa panas.
Pipa panas berfungsi sebagai tempat sirkulasi fluida kerja refrigeran R134a.
2. Pompa Vacuum
Pompa vacuum berfungsi memeriksa kebocoran pipa panas, gambar 3.3 dibawah pompa vacuum yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 3.3. Pompa Vacuum
3. Manifold Gauge
Manifold Gauge berfungsi sebagai alat ukur menentukan besar tekanan R134a di pipa panas, manifold gauge yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.4
Gambar 3.4 Manifold Gauge 4. Agilent 34972 A
Angilent 34972 A berfungsi untuk membaca dan mencatat temperatur titik – titik yang ingin diketahui temperaturnya.
Gambar 3.5 Agilien 34972 A 5. Hobo Microstation data logger
Pada Hobo Mifrostation data logger terdapat empat alat ukur yaitu:
Gambar 3.6 Hobo Microstation data logger 1) Pyranometer
Pyranometer digunakan untuk mengukur intensitas radiasi matahari, dengan interval pengukuran satu detik.
2) Wind Velocity Sensor
Wind Velocity Sensor digunakan untuk mengukur kecepatan angin.
3) Ambient Measurement Apparatus
Ambient measurement apparatus berfungsi untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar.
4) T and RH Smart Sensor
T and RH smart sensor berfugsi untuk mengukur kelembaban udara.
3
2
1
4
3.3 Diagram Alir Proses Penelitian
Gambar 3.7 Diagram Alir Proses Penelitian Start
Penelusuran pustaka
1. Uji kebocoran pipa panas
2. Mengisi R134a ke dalam pipa panas tekanan: 90 psi di pipa 1, 100 psi di pipa 2 dan 110 psi di pipa 3.
3. Menghubungkan 7 buah kabel termokopel 4. Di On kan alat Agilen 34972 A
Data Hasil Penelitian:
1. Temperatur air maksimum di Tangki 1, 2,3 dan waktu mencapai temp. maksimum.
2. Intensitas radiasi matahari Persiapan alat dan bahan
Menyusun proposal tesis dan kolokium
Selesai
Melakukan pengujian PATM dengan variasi tekanan: 90 Psi, 100 Psi, 110 Psi dan 2 kaca, 3 kali pengujian dan 1 kaca 2 kali pengjian.
1. Analisa dan Pengolahan Data 2. Verifikasi efisiensi kolektor 3. Kesimpulan dan Saran
3.3.1 Menghubungkan kabel termokopel
Adapun parameter yang diukur pada penelitian ini adalah:
1. Temperatur air di tangki satu.
2. Temperatur air di tangki dua.
3. Temperatur air di tangki tiga.
4. Temperatur permukaan kaca 5. Temperatur plat absorber satu.
6. Temperatur plat absorber dua.
7. Temperatur plat absorber tiga.
3.3.2 Data hasil penelitian
Pemanas air tenaga matahari diletakkan pada tempat yang aman dan mudah disinari matahari. Data dari Alat Data Logger Hobo Micro Station yaitu Pyranometer akan didapat nilai intensitas matahari setiap detik dan dari alat Agilen 34972 A diperoleh temperatur air di tangki satu, dua, tiga; temperetur permukaan kaca penutup kolektor dan temperatur plat absorber satu, dua dan tiga.
3.4 Setup Eksperimental
Setelah selesai menyiapkan alat dan bahan, sebelum pengujian dilaksanakan
terlebih dahulu dilakukan setup eksperimental. Langkah-langkah setup eksperimental
adalah sebagai berikut:
Pertama: Uji kebocoran pipa panas. Prosedur uji kebocoran adalah sebagai berikut: (a) Dipastikan jarum penunjuk manometer manifold gauge menunjuk ke garis skala angka nol. (b) Dihubungkan selang tengah manifold gauge ke klep pipa panas 1, selang tekanan rendah dihubungkan ke klep sisi menghembus pompa vakum.
(c) Dionkan pompa vakum. Jarum manifold gauge akan bergerak searah putaran jarum jam. (d) Dioffkan pompa vakum, diperhatikan jarum penunjuk manifold gauge, bila tidak bergerak berarti tidak ada kebocoran pada pipa panas 1. Dilanjutkan uji kebocoran pipa panas 2 dan 3 dengan prosedur yang sama, sebaliknya bila jarum bergerak berlawanan putaran jarum jam berarti ada kebocoran dan perlu perbaikan.
Kedua: Pengisian R134a ke dalam pipa panas. Prosedur mengisi R134a ke pipa
panas adalah sebagai berikut: Selang manifold yang dihubungkan ke pompa vakum dilepas dan dihubungkan ke klep tabung R134a sambil diputar kran R134a di tabung berlawanan dengan putaran jarum jam agar R134a dapat mengalir kedalam pipa panas. Setelah jarum penunjuk menunjuk pada tekanan sesuai dengan tekanan yang mau diuji, maka diputar kran R134a searah putaran jarum agar aliran berhenti.
Ketiga: Menentukan kabel termokopel. Jumlah kabel termokopel di Agilen ada
20 buah dan 7 buah dioperasikan saat penelitian. Prosedur menentukan kabel
termokopel sebagai berikut: (a) Dionkan alat ukur Agilen, diambil sembarang satu
buah kabel termokopel dan diletakkan ditempat panas kemudian diamati chan yang
mengalami perubahan suhu, hasil pengamatan adalah chan 112 mengalami
perubahan yaitu angka chan 112 meningkat, berarti itulah kabel termokopel chan 112
yang diletakkan ditempat panas seperti penjelasan diatas dan dibuat kode label tulisan 112 diujung kabel terokopel dan dilem agar tidak lepas dan tertukar, (b) Diambil lagi satu buah kabel termokopel sembarang dan diletakkan ditempat panas, diamati layar alat ukur Agilen, hasil pengamatan adalah chan 113 mengalami perubahan angka suhu, dibuat lagi kode label tulisan 113 diujung kabel (c) demikinlah prosedur memilih kabel termokopel penelitian, dengan cara yang sama dapat ditentukan kabel terokopel 7 buah.
Ketempat: Menghubungkan kabel tero kopel. Hubungan ke tujuh kabel
termokopel adalah sebagai berikut: chan 112 dihubungkan ke permukaan kaca penutup; chan 113 dihubungkan ke tangki air satu; chan 114 dihubungkan tangki air dua; Chan 115 dihungkan ke plat absorber satu; Chan 116 dihungkan ke tangki tiga;
Chan 117 dihubungkan ke plat absorber dua dan chan 119 dihubungkan ke plat absorber tiga.
Kelima: Mengoperasikan Agilen 34972 A.
Prosedur mengoperasikan Agilen 34972 sebagai berikut:
1. Masukkan flas disk ke port usb.
2. Hidupkan alat Agilen 34972 A dengan menekan tombol on-off.
3. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan dilakukan
Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch perubah angka untuk
mengatur waktu yang diinginkan. Pengaturan dilakukan dalam menit, misalnya
dalam penelitian ini, peneliti akan melakukan pengukuran selama 8 jam, maka diatur 480 menit.
4. Jika batas pengukuran telah dicapai, maka ditekan tombol scan alat Agilen 34972 A sampai muncul tulisan dilayar Agilen 34972 A scan stop.
5. Untuk pengukuran hari selanjutnya cukup ditekan tombol on-off.
6. Data temperatur tujuh parameter yang tersimpan pada flas disk, itulah merupakan data hasil penelitian.
Keenam: (4) Memasang kaca penutup. Dua kaca penutup tiga kali dilakukan pengujian dan satu kaca penutup dua kali pengujian. dan Gambar 3.8 dibawah adalah skema pengambilan data pemanas air tenaga matahari menggunakan refrigerant R134a dengan variasi tekanan dan kaca penutup kolektor.
Berdasarkan gambar skema pemanas air tenaga matahari menggunakan fluida
kerja refrigran R134a dengan memvariasikan tekanan dan kaca penutup kolektor
seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8 dibawah, tampak dengan jelas menggambarkan
proses pengambilan data: intensitas matahari dan temperatur parameter yang ingin
diketahui temperaturnya dengan adanya sumber energi panas dari radiasi matahari.
Gambar 3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Matahari
3.5 Variabel Penelitian3.5.1 Variabel bebas
1. R134a dua kaca penutup kolektor pada tekanan 90 psi
2. R134a dua kaca penutup kolektor pada tekanan 100 psi
3. R134a dua kaca penutup kolektor pada tekanan 110 psi
4. R134a satu kaca penutup kolektor pada tekanan 90 psi
5. R134a satu kaca penutup kolektor pada tekanan 100 psi
3.5.2 Variabel terikat
1. Temperatur air pada tekanan 90 psi satu dan dua kaca penutup 2. Temperatur air pada tekanan 100 psi satu dan dua kaca penutup 3. Temperatur air pada tekanan 110 psi satu dan dua kaca penutup
3.6 Analisa Data
