PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS
MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA
TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN
VARIASI KEMIRINGAN KOLEKTOR 40
0DAN 50
0Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh:
ARDIKO PARDEDE
(110401009)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena hanya atas
berkat dan karunia-Nya penulis dapat mengerjakan dan menyelesaikan skripsi ini dengan
baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk
mencapai gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada
Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dengan Variasi Kemiringan Kolektor 400
dan 500.”
Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis di
berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan
terima kasih kepada:
1. Orang tua penulis, Ayahanda M. Pardede dan Ibunda H. Siahaan almarhumah atas
segala pengorbanan yang tiada terbalaskan di dalam membesarkan, menyekolahkan
saya hingga ke jenjang perguruan tinggi. Permohonan saya kepada Tuhan melalui doa
yang tulus kiranya kepada Ibunda tercinta diberikan tempat yang layak disisi-Nya dan
kepada Ayahanda tercinta kiranya diberikan kekuatan dan kesehatan serta ketabahan
di dalam membimbing kami anak-anak mu.
2. Bapak Ir.Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan
banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama
penyusunan skripsi ini.
3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,
ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik
yang sangat membangun.
4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di
Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan
bimbingan selama perkuliahan.
7. Rekan satu tim skripsi yaitu Immanuel Richart Sembiring yang selalu menyemangati
penulis dengan sabar.
8. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus
stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan.
Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak.
Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca
dan bermanfaat untuk kita semua. Terimakasih.
Medan, Juni 2015
Penulis
ABSTRAK
Penelitian ini adalah bagian dari suatu penelitian besar tentang pemanfaatan energi
surya sebagai energi terbarukan untuk pemanas air. Latar belakang penelitian ini adalah
adanya kebutuhan yang besar akan penggunaan air panas terutama di hotel, rumah sakit
dan restauran. Sebuah alat pemanas air tenaga surya yang diuji memakai sistem pipa
panas, dimana sistem pemanasan air berlangsung dengan prinsip termosifon. Alat pemanas
air tenaga surya ini berukuran 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m, yang dibagi menjadi 3 bagian
kolektor dengan ukuran 1 m x 0,2 m per kolektor. Masing-masing kolektor dipasang 2 pipa
panas berukuran 3/4 inchi dan tangki penyimpan air yang berisi 4 liter. Penelitian
dilakukan di Kota Medan dengan ketinggian tempat penelitian 47 m dpl dan kemiringan
kolektor 2 variasi yaitu 400 dan 500terhadap garis horizontal menghadap timur. Penelitian
ini menggunakan refrigeran R-718 sebagai fluida kerja, pengujian dilakukan secara
bersamaan pada tiga kolektor yang berbeda tekanan vakum refrigerannya, refrigeran di
kolektor 1 divakum pada 45 cmHg, kolektor 2 pada 40 cmHg dan kolektor 3 pada 35
cmHg. Pengujian dilakukan sebanyak tiga tahap untuk masing-masing kemiringan
kolektor. Pengujian menunjukkan hasil berikut : Temperatur air maksimum dari seluruh
tahap penelitian adalah sebesar 62,750C, terjadi di tangki 1 pada tekanan vakum 45 cmHg
dengan kemiringan kolektor 500. Pada saat itu total energi radiasi yang diukur oleh
pyranometer adalah sebesar 15,13 MJ/m2/hari. Efisiensi maksimum dari seluruh tahap
penelitian adalah sebesar 48,63 % terjadi pada tangki 3 dengan kemiringan kolektor 500.
Kesimpulan adalah semakin tinggi kevakuman refrigeran maka temperatur air akan
semakin tinggi, energi surya di kota Medan dapat digunakan sebagai pemanas air sehingga
bisa mengurangi pengunaan bahan bakar untuk memanaskan air.
ABSTRACT
This research is part of a large research on solar energy utilization as renewable
energy for heating water. The background of this research is the great needs that will use
hot water especially in hotel, hospitals and restaurant. An instrument water heater solar
tested wearing hot pipe system, where water heating system with the principle of lasting
termosifon. A solar water heater this size 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m divided into 3 of the
collector with a measure of 1 m x 0,2 m one collector. Each mounted collector 2 pipe hot
measuring 3/4 inches and tank the depositary of water that contains 4 liters. Research is
done in the city of medan with the height of the research 47 m dpl and the slope of a
collector 2 variation that is 400 and 500 a horizontal line facing east. This study using a
refrigerant R-718 as a working fluid, testing be done simultaneously on three different
collector vacuum pressure refrigerant, a refrigerant in collector 1 vacuum on 45 cmHg ,
collector 2 on 40 cmHg and collector 3 on 35 cmHg .Testing done in three phases for each
the slope of a collector. Testing shows the results of the following: maximum water
temperature of the whole research phase 62,750C is as much as, happened in the tank 1 to
pressure vacuum 45 cmHg with a tilt collector 500. At the time the total radiation energy
measured by pyranometer is as much as 15,13 MJ/m2/day. Maximum efficiency of the
whole research phase is as much as 48,63 % happened on a tank 3 with a tilt collector 500.
The conclusion is the higher vacuum pressure a refrigerant and water temperatures are
significantly higher, solar energy in the city of Medan can be used as heating of water so
that it can help reduce using of fuel for heating water.
DAFTAR ISI
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Perpindahan Panas ... 6
2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi... 6
2.1.2. Perpindahan Panas Konveksi... 7
2.1.3. Perpindahan Panas Radiasi ... 8
2.2. Radiasi Surya ... 8
2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya ... 8
2.2.2. Absorbtivitas, Reflektivitas dan Transimitas... 9
2.2.3. Rumusan Radiasi Surya ... 11
2.2.4. Hipotesa Pengaruh Kemiringan Kolektor... 17
2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS ... 18
2.3. Pemanfaatan Energi Surya... 20
2.4. Kalor ... 28
2.4.1. Kalor Laten ... 28
2.4.2. Kalor Sensibel... 28
Tenaga Surya ... 29
2.5. Alat Pemanas Air Tenaga Surya... 29
2.5.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya ... 32
2.5.2. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya ... 33
2.5.3. Energi yang Diserap oleh air ... 34
2.5.4. Efisiensi dari Kolektor ... 35
2.6. Refrigeran R-718 ... 35
BAB III METODE PENELITIAN ... 38
3.1. Tempat dan Waktu... 38
3.1.1. Tempat Penelitian ... 38
3.1.2. Waktu Pelaksanaan ... 38
3.2 Bahan dan Peralatan ... 38
3.2.1. Bahan ... 38
3.2.2. Peralatan... 39
3.3. Pelaksanaan Penelitian ... 47
3.3.1. Pemeriksaan Peralatan ... 47
3.3.2. Persiapan Pendahuluan ... 47
3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran ... 48
3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor ... 48
3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian ... 48
3.4. EksperimentalSet-Up... 49
3.5. Variabel Penelitian ... 49
3.5.1. Variabel Bebas ... 49
3.5.2. Variabel Terikat ... 50
3.6. Analisa Data ... 50
3.7. Kerangka Konsep Penelitian ... 51
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 52
4.1. Hasil Pengujian... 52
4.2.1. Pengujian Tahap I ... 53
4.2.2. Pengujian Tahap II ... 54
4.2.3. Pengujian Tahap III ... 56
4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 40o... 58
4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 58
4.3.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 62
4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 63
4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 50o... 64
4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 64
4.4.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 68
4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 69
4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 40o... 70
4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 70
4.5.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 73
4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 75
4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 50o... 76
4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 76
4.6.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 76
4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 79
4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 40o... 81
4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 81
4.7.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 84
4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 86
4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 50o... 87
4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 87
4.8.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 90
4.8.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 91
4.9. Efisensi Kolektor Sudut Miring... 92
4.9.1. Efisensi Kolektor Sudut Miring Tahap I... 93
4.9.2. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap II ... 95
4.9.3. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap III... 96
4.10. Fluktuatif Tekanan Saat Pengujian ... 98
4.11.1. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 400... 102
4.11.2. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 500... 103
4.12. Pembahasan ... 103
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 106
5.1. Kesimpulan ... 106
5.2. Saran ... 106
DAFTAR PUSTAKA... xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat ... 6
Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat ... 7
Gambar 2.3 Interaksi energi surya ... 9
Gambar 2.4 Pola Absorbsi ... 10
Gambar 2.5 Radiasi Surya... 10
Gambar 2.6 Hubungan antara matahari dan bumi ... 11
Gambar 2.7 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ... 14
Gambar 2.8 Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan ... 19
Gambar 2.9 Solar Water Heater... 21
Gambar 2.10 Kompor surya ... 22
Gambar 2.11 Solar Driers... 24
Gambar 2.12 Solar Arsitektur ... 25
Gambar 2.13 Sistem Pendingin dengan Energi Surya ... 25
Gambar 2.14 Solar Chimney... 26
Gambar 2.15 SolarDestilasi ... 27
Gambar 2.16 Solar Power Plant... 28
Gambar 2.17 Alat Pemanas Air Tenaga Surya ... 32
Gambar 2.18 Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber ... 33
Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian... 38
Gambar 3.2 Skema Pemanas Air Tenaga Surya dengan R-718 pada tekanan yang bervariasi ... 40
Gambar 3.3 Pompa Vakum ... 41
Gambar 3.4 Manifold Gauge... 41
Gambar 3.5 Agilient 34972 A... 42
Gambar 3.6 Laptop... 43
Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger... 43
Gambar 3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya ... 49
Gambar 4.1 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 1... 53
Gambar 4.2 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 1... 54
Gambar 4.3 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 2... 55
Gambar 4.4 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 2... 56
Gambar 4.5 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 3... 57
Gambar 4.6 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 3... 58
Gambar 4.8 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
400tahap 1 ... 63
Gambar 4.9 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 1... 64
Gambar 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 1 ... 65
Gambar 4.11 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
500tahap 1 ... 69
Gambar 4.12 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 1... 70
Gambar 4.13 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40otahap 2 ... 71
Gambar 4.14 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
400tahap 2 ... 74
Gambar 4.15 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 2... 75
Gambar 4.16 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 2 ... 77
Gambar 4.17 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
500tahap 2 ... 80
Gambar 4.18 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 2... 81
Gambar 4.19 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40otahap 3 ... 82
Gambar 4.20 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
400tahap 3 ... 85
Gambar 4.21 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 3... 86
Gambar 4.22 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 3 ... 88
Gambar 4.23 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian
Gambar 4.24 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 3... 92
Gambar 4.25 Tekanan saat awal pengujian, 45 cmHg Vakum ... 98
Gambar 4.26 Tekanan pada pukul 09.00 berkisar 41 cmHg Vakum ... 98
Gambar 4.27 Tekanan pada pukul 10.00 berkisar 35 cmHg Vakum ... 99
Gambar 4.28 Tekanan pada pukul 11.00 berkisar 26 cmHg Vakum ... 99
Gambar 4.29 Tekanan pada pukul 12.00 berkisar 20 cmHg Vakum ... 99
Gambar 4.30 Tekanan pada pukul 13.00 berkisar 23 cmHg Vakum ... 100
Gambar 4.31 Tekanan pada pukul 14.00 berkisar 30 cmHg Vakum ... 100
Gambar 4.32 Tekanan pada pukul 15.00 berkisar 34 cmHg Vakum ... 100
Gambar 4.33 Tekanan pada pukul 16.00 berkisar 40 cmHg Vakum ... 101
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Urutan hari berdasarkan bulan ... 12
Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim ... 16
Tabel 2.3 Sifat–Sifat dari R-718 yang digunakan ... 36
Tabel 2.4 Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,400 bar absolut) ... 36
Tabel 2.5 Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut) ... 36
Tabel 2.6 Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut) ... 37
Tabel 3.1 SpesifikasiMeasurement Apparatus... 44
Tabel 3.2 SpesifikasiPyranometer ... 45
Tabel 3.3 SpesifikasiWind Velocity Sensor... 45
Tabel 3.4 SpesifikasiTdanRH Smart Sensor ... 46
Tabel 4.1 Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap ... 52
Tabel 4.2 Perbandingan efisiensi kolektor sudut datar dan sudut miring ... 97
Tabel 4.3 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 400... 102
Tabel 4.4 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 500... 103
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
Qc Laju perpindahan panas konduksi W
Qh Laju perpindahan panas konveksi W
Qr Laju perpindahan panas radiasi W
h Koefisien konveksi W(m2K)
k Koefisien konduksi W/m.K
∆T Beda temperatur K
QL Kalor laten J
Qs Kalor sensibel J
Gon Radiasi atmosfer W/m2
Gsc Konstanta surya W/m2
Qincident Panas matahari J
A Luas penampang pelat absorber (m2)
I Intensitas radiasi matahari (W/m2)
Qabs Panas absorber J
Qref Panas yang dipantulkan J
α Difusifitas bahan
-Qu Energi berguna dari kolektor ke air kJ
P Tekanan Vakum cmHg
mw Massa air kg
Cp,w Panas jenis dari air kJ/kg.0C
Tw1 Temperatur awal air sebelum dipanaskan
kolektor 0C
Tw2 Temperatur aktual setelah dipanaskan
oleh kolektor 0C
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data pengujian tahap I sudut 400tanggal 16 Maret 2015 ... xix
Lampiran 2 Data pengujian tahap I sudut 500tanggal 20 Maret 2015 ... xxi
Lampiran 3 Data pengujian tahap II sudut 400tanggal 23 Maret 2015 ... xxiii
Lampiran 4 Data pengujian tahap II sudut 500tanggal 26 Maret 2015 ... xxv
Lampiran 5 Data pengujian tahap III sudut 400tanggal 10 April 2015... xxvii
Lampiran 6 Data pengujian tahap III sudut 500tanggal 27 Maret 2015... xxix
Lampiran 7 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap I sudut 400 tanggal 16 Maret 2015... xxxi
Lampiran 8 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap I sudut 500 tanggal 20 Maret 2015... xxxiii
Lampiran 9 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap II sudut 400 tanggal 23 Maret 2015... xxxv
Lampiran 10 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap II sudut 500 tanggal 26 Maret 2015... xxxvii
Lampiran 11 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap III sudut 400 tanggal 10 April 2015... xxxix
Lampiran 12 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap III sudut 500
tanggal 27 Maret 2015... xli
Lampiran 13. Korelasi dan Regresi Kemiringan Kolektor Sudut 400... xliii
