BAB II LANDASAN TEORI. kekuatan, ukuran dan harga. Teori-teori yang berhubungan dengan alat yang

(1)

Tugas Akhir

Program Studi Teknik Mesin

BAB II

LANDASAN TEORI

Proses perancangan dan penelitian suatu alat ataupun mesin yang baik, diperlukan perencanaan yang cermat dalam perhitungan dan pemilihan bahan, kekuatan, ukuran dan harga. Teori-teori yang berhubungan dengan alat yang dibuat perlu dijadikan landasan dalam proses merancang konstruksi alat ataupun mesin, sehingga dapat menghasilkan rancangan alat ataupun mesin yang baik, kuat, aman dan yang pasti hemat biaya.

Pada bab ini akan dibahas mengenai, Energi Matahari, Radiasi Matahari, air laut, Destilasi, Pengertian Distilasi surya tipe Basin, Perpindahan Panas.

2.1 Energi Matahari

Matahari merupakan salah satu energi terbarukan, berada di pusat tata surya dan memancarkan energi radiasi elektromagnetik pada tingkat yang sangat besar dan relative konstan, energi ini diteruskan hingga ke permukaan bumi secara

(2)

Tugas Akhir

radiasi. Radiasi matahari terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik, yang memiliki karakteristik secara umum sama namun dibedakan dalam pengaruhnya, hal ini disebabkan karena perbedaan panjang gelombang masing-masing cahaya.

Namun, ada tiga alasan penting mengapa hal ini tidak dapat dilakukan, Pertama, perpindahan bumi dari matahari, dan karena energi matahari yang menyebar seperti cahaya dari lilin, sehingga hanya sebagian kecil dari energi yang mampu meninggalkan energi matahari di wilayah yang sama di bumi. Faktor kedua, bumi berotasi pada sumbu kutub, sehingga perangkat koleksi yang terletak di permukaan bumi dapat menerima sebagian energi radiasi matahari hanya setiap hari. Faktor ketiga dan paling tidak bisa diprediksi adalah kondisi kulit tipis atmosfer yang mengelilingi permukaan bumi. Atmosfer bumi menyumbang pengurangan 30 persen lagi dalam energi matahari. Seperti banyak diketahui, namun, kondisi cuaca dapat menghentikan semuanya, tetapi jumlah minimal radiasi matahari mencapai permukaan bumi selama beberapa hari berturut-turut.

2.2 Radiasi Matahari

Matahari memiliki energi yang sangat besar. Energi ini diteruskan hingga ke permukaan bumi melalui perpindahan panas radiasi. Radiasi matahari terjadi akibat adanya gelombang elektromagnetik, yang memiliki karakteristik secara umum sama namun dibedakan dalam pengaruhnya, hal ini disebabkan karena perbedaan panjang gelombang masing-masing cahaya. Seluruh panjang gelombang pada daerah infrared, cahaya yang terlihat ( visible light) dan salah satu bagian spectrum sinar ultraviolet merupakan daerah yang direferensikan

(3)

Tugas Akhir

sebagai radiasi panas, karena pada bagian ini spektum elektromagnetik menghasilkan efek memanaskan. Radiasi panas terjadi pada spectrum cahaya dengan panjang gelombang 0,1 x 10-6 m s/d 100 x 10-6m.

Radiasi panas total yang mengenai permukaan dari seluruh arah dan seluruh sumber disebut irradiasi total atau irradiasi global (G) dengan satuan W/m2. Energi radiasi panas yang jatuh pada permukaan sebagian besar berasal dari absorpsi dan refleksi serta transmisi melalui benda transparan. Absorpsi merupakan transformasi energi dari energi radiasi ke dalam bentuk energi panas yang tersimpan dalam skala molekul benda. Refleksi merupakan peristiwa dipantulkannya radiasi yang jatuh pada permukaan benda tanpa perubahan frekuensi gelombang. Sedangkan transmisi merupakan radiasi yang melewati medium dari benda (biasanya transparan) tanpa terjadi perubahan frekuensi gelombang. Dengan demikian energi yang jatuh pada permukaan dapat dinyatakan sebagai :

α + ρ + τ =1………..…. (2.1) dimana:

α = absorptansi, fraksi dari radiasi termal yang diserap. ρ = reflektansi, fraksi dari radiasi termal yang dipantulkan.

τ = transmittansi, fraksi dari radiasi termal yang diteruskan melewati medium benda.

Energi radiasi berasal pada permukaan atau bagian dalam medium benda karena adanya temperatur dari material. Laju energi yang diemisikan dinyatakan dengan kekuatan emisif total (E). Besarnya nilai ini bergantung pada temperatur

(4)

Tugas Akhir

sistem dan juga karakteristik material dari sistem. Beberapa permukaan memancarkan energi yang lebih besar dari pada yang lainnya pada temperatur yang sama. Satuan dari E adalah W/m2, dimana E adalah jumlah total energi yang dipancarkan ke lingkungan ke segala arah. Dengan demikian energi radiasi yang meninggalkan sebuah permukaan buram ( opaque surface) ( = 0) berasal dari dua sumber yaitu : (1) energi yang dipancarkan dan (2) irradiasi yang dipantulkan.

Permukaan yang tidak memantulkan radiasi ( =0) dinamakan benda hitam ( blackbody), karena tidak memancarkan atau mentransmisikan radiasi, menyebabkan tidak ada radiasi yang terlihat oleh mata (spektrum gelombang) dan benda terlihat gelap / hitam. Benda hitam ( blackbody) merupakan penyerap sempurna radiasi. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa penyerap sempurna ( perfect absorber) radiasi juga merupakan pemancar yang sempurna ( perfect emitter), sehingga pemancar sempurna radiasi dinamakan benda hitam juga. Sebuah pemancar benda hitam ( black emitter), memberikan kekuatan emisi monokromatik maksimum pada panjang gelombang yang dinyatakan dengan: λmax=

,

(microns)………..…………..….. (2.2) dengan :

T = temperature (oR)

Persamaan diatas merupakan pergeseran Wien, dimana nilai maksimum radiasi yang dipancarkan berada pada sekitar . Semakin meningkat temperatur, harga panjang gelombang maksimum semakin pendek, hal ini merupakan konsep dasar dalam aplikasi dimana benda-benda dengan temperatur tinggi meradiasikan energi pada daerah panjang gelombang yang pendek sedangkan benda yang

(5)

Tugas Akhir

bertemperatur rendah memancarkan radiasi pada daerah panjang gelombang yang panjang. Matahari memiliki temperature permukaan sekitar 6000 K, memancarkan radiasi maksimum pada daerah panjang gelombang mampu lihat ( visible range).

Pada kenyataannya benda hitam sangat jarang, untuk permukaan sebenarnya ditambahkan faktor pengali berupa emitansi (ε), sehingga persamaan kekuatan emisif total (E) dapat ditulis :

E = εEB ……….………(2.3)

Nilai emitansi bervariasi menurut temperatur permukaan benda, kondisi permukaan benda, tingkat kekotoran permukaan dan sebagainya.

Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, ES, adalah sama

dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Bolzman ( ), pangkat empat temperatur permukaan absolut TS4 dan luas permukaan ds2,

Es = . ds2 TS4 W……… (2.4)

Dimana = 5,67 x 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K, dan

diameter matahari ds dalam meter.dari gambar di atas dapat dilihat jari-jari R

adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi adalah sama dengan 4 R2, dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi

G = W/m2 ……….….... (2.5)

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka

(6)

Tugas Akhir

fluksa radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah

G = , . ( , ) ( , ) ( , )

= 1353W/m2

Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfir tegak lurus permukaan matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta surya adalah 1353 W/m2 dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet), karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang lansung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegak-lurus sorotan radiasi yang masuk.

2.3 Konstanta Surya

Hubungan geometris dari matahari-bumi ditunjukkan Gambar 2.1. Jarak eksentrisnya dari lintasan bumi adalah jarak antara matahari dan bumi dengan variasi 1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi didapat jarak rata-rata bumi-matahari adalah 1,495 x 1011 m, dengan sudut kecenderungan bumi-matahari 32°. Radiasi yang diemisikan oleh matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta

(7)

Tugas Akhir

matahari, Gsc, adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luasan permukaan yang tegak lurus arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. World Radiation Center (WRC) mengambil nilai konstanta matahari, Gsc, sebesar 1354W/m2, dengan ketidakpastian sebesar 1%.

(Dikutip dari Mulyono Dwi, 2003)

Konstanta radiasi ekstraterestrial, Gon, yaitu radiasi di luar atmosfer bumi yang diukur pada bidang normal terhadap radiasi pada hari ke-n pada satu tahun. Hal ini dikarenakan orbit bumi sebenarnya berbentuk elips, sehingga perlu sedikit koreksi terhadap konstanta matahari di atas. Jadi sebenarnya ada dua penyebab adanya variasi radiasi ekstraterestrial yaitu variasi radiasi yang diemisikan matahari dan variasi jarak matahari-bumi. Persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 10] adalah :

G0n = Gsc (1 + 0.033 cos °.

° ………...……….(2.6)

(8)

Tugas Akhir

Radiasi matahari yang mengenai suatu kolektor di permukaan bumi dibedakan menjadi :

Sebaran

Sorotan

Gambar 2.2 Jenis radiasi matahari yang mengenai permukaan (Dikutip dari Mulyono Dwi, 2003)

1. Radiasi langsung (beam) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari tanpa disebarkan oleh atmosfer.

2. Radiasi hambur (diffuse) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari sesudah arahnya berubah setelah terpencar oleh atmosfer.

3. Radiasi pantulan tanah (ground reflected)

4. Radiasi total : yaitu penjumlahan dari radiasi beam, diffuse dan pantulan tanah.

2.5 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi

Posisi relatif matahari terhadap suatu bidang di bumi bisa dinyatakan pantulan

(9)

Tugas Akhir

dalam beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.3 Sudut sudut itu adalah:

Gambar 2.3 beberapa sudut penting dalam energi surya (Dikutip dari Mulyono Dwi, 2003)

a. ∅, latitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif ; -90° £ f £ 90°.

b. δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45° < d < 23,45°.

Sudut deklinasi bisa dihitung dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 13]:

δ =23,45 sin ( ) ………...………(2.7)

(10)

Tugas Akhir

c. , slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horisontal ; 0° £ b £ 180°.

d. , surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif ; -180° £ g £ 180°.

e. , hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15° per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif.

hour angle bisa dihitung dengan persamaan :

= 15° (ST – 12:00:00)……….……….(2.8) Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang bersifat eliptis.

E = 3,82 (0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos2 B

– 0,04089 sin2 B)………(2.9)

dengan:

B = ( )………(2.10)

Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu matahari maka untuk menentukan waktu surya bisa menggunakan persamaan ini.

Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E]………(2.11) Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data

(11)

Tugas Akhir

f. θ, angle of incidence (sudut datang) : Sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor.

g. θz, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal

dan garis dating sinar matahari

sudut zenith dapat dihitung menggunakan persamaan :

cos z = cos cos ∅ cos + sin sin ∅………(2.12)

h. s, solar altitude angle (sudut ketinggian matahari) : Sudut antara garis

horisontal dengan garis matahari datang.

Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan: αs = 90° - z………....(2.13)

i. s, solar azimuth angle (sudut azimuth matahari) : Sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif.

Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan:

= ……….…...(2.14)

2.6 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal

(12)

Tugas Akhir

horisontal di luar atmosfer adalah radiasi surya masuk normal dibagi dengan Rb (faktor geometris), persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 40 ] adalah:

G0 = Gsc (1 + 0.033 cos °.

° . )………..(2.15)

2.7 Distribusi Radiasi Matahari pada Suatu Hari dan Jam dengan Cuaca Cerah dan Berawan

Indeks kecerahan rata-rata KT , adalah perbandingan antara radiasi rata-rata pada permukaan horisontal terhadap radiasi rata-rata ekstraterrestrial. Dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 77]:

KT = ………..………….(2.16)

2.8 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam

Pada bagian ini akan dijelaskan metode perhitungan untuk memisahkan beam dan diffuse radiation dari radiasi horisontal total. Pemisahan komponen ini diperlukan untuk menghitung radiasi total pada permukaan dengan orientasi yang berbeda dari data pada permukaan horisontal. Persamaan yang digunakan adalah [Wiliam A. Beckman Halaman 82]:

={ ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 1,0−0,08 0,9511−0,1604 + 4,388 − 16,638 + 12,336 0,165 ………..………..(2.17) KT≤0,22 0,22≤ KT≤ 0,80 KT≥0,80

(13)

Tugas Akhir

2.9 Pengertian Distilasi

Distilasi merupakan proses pemisahan yang berdasarkan perbedaan titik didih dari komponen-komponen yang akan dipisahkan. Penggunaan pertama yang tercatat dari distilasi ini oleh alkimiawan Arab abad ke 16. Proyek distilasi surya skala besar pertama kali dibangun pada tahun 1872 di kota tambang Las Salinas di Chile. Proyek ini memiliki area pengumpulan energi surya seluas 4.700 m2 dan dapat memproduksi hingga 22.700 L per hari dan beroperasi selama 40 tahun. Jenis rancangan penyuling meliputi miringan tunggal, miringan ganda (atau tipe rumah kaca), vertikal, kerucut, peredam terbalik, multi sumbu dan multi efek.

Distilasi sering digunakan dalam proses isolasi komponen, pemekatan larutan, dan juga pemurnian komponen cair. Proses distilasi didahului dengan penguapan senyawa cair dengan pemanasan, dilanjutkan dengan pengembunan uap yang terbentuk dan ditampung dalam wadah. Sistem distilasi atau juga biasa disebut Distilator mempunyai perbedaan dalam hal produksi, sistem distilasi berorientasi pada produk air bersih sehingga air yang dimasukan (input) ke dalam distilator dapat berasal dari mana saja, sedangkan desalinasi inputnya hanya berasal dari air laut karena tujuannya adalah memperoleh garam. Sistem desalinasi dan sistem distilasi dapat disamakan sehingga untuk teori distilasi dapat digunakan teori desalinasi dan juga sebaliknya.

Distilator surya dibuat dengan bentuk tadahan-tadahan air sebagai tempat menuangkan air yang akan didistilasi. Jenis dan macam distilator sangat bervariasi, tetapi menurut Meyers,R.A. (1992) distilator yang lazim digunakan

(14)

Tugas Akhir

dapat dikelompokkan menjadi tiga jenis. Adapun jenis-jenis distilator dimaksud yaitu flash distilator, batch distilator dan extractive & azeotropic distilator. Flash distilator adalah jenis distilator yang bahan bakunya dimasukkan secara terus-menerus, sehingga kontinyuitas bahan baku dan produksinya akan terus mengalir sepanjang waktu. Batch distilator merupakan jenis distilator dimana bahan baku yang dimasukan diproses sampai dengan habis teruapkan. Setelah habis teruapkan, bahan baku berikut dimasukkan kembali. Batch distilator sering juga disebut sebagi distilator tipe curah. Extractive & azeotropic distilator pada dasarnya sama dengan flash atau batch, yang membedakannya adalah bahwa pada jenis extractive & azeotropic distilator ini, bahan yang akan disuling dicampur dengan bahan pelarut tertentu (solvent). Solvent ini berfungsi untuk dapat dengan cepat memisahkan cairan atau minyak yang diinginkan (ekstraksi), kemudian diuapkan. Selanjutnya uap diembunkan dan ditampung, sebagai hasil dari proses destilasi.

2.10 Energi berguna distilasi

Energi berguna distilasi merupakan energi yang dibutuhkan untuk penguapan air laut yang akan menjadi produk air bersih selama proses. Untuk persamaan energi berguna distilasi dapat dilihat sebagai berikut :

= ...(2.18) Dimana :

= produk air bersih per hari (Kg) ℎ = panas laten penguapan, (Kj/Kg)

(15)

Tugas Akhir

= lama pengujian (s) 2.11 Efisiensi alat distilasi

Efisiensi alat distilasi merupakan perbandingan energi panas untuk menguapkan air laut yang menjadi produk air bersih terhadap besar radiasi matahari yang diterima oleh alat distilasi melalui penyerap/ absorber radiasi matahari dalam waktu selang tertentu. Untuk perhitungan efisiensi alat distilasi tenaga surya dapat digunakan persamaan dibawah ini, yaitu:

=

x 100%...(2.19) Dimana :

= produk air bersih per hari (Kg) ℎ = panas laten penguapan, (Kj/Kg)

= luas penyerap ( )

= intensitas radiasi matahari (W/ ) = lama pengujian (s)

2.12 Distilasi Surya Tipe Basin

Prinsip kerja distilasi surya tipe basin diperhatikan pada gambar di bawah ini panas matahari menembus kaca penutup dan mengenai permukaan dari penyerap, maka penyerap akan panas dan energi panas dari penyerap akan memanasi air laut yang ada di dalam baskom (basin). Air akan menguap dan berkumpul dibawah permukaan kaca penutup. Oleh karena itu temperatur udara di dalam basin lebih tinggi dari pada temperatur lingkungan sekitar basin, maka terjadi kondensasi yaitu uap berubah menjadi cair dan melekat pada kaca penutup

(16)

Tugas Akhir

bagian dalam. Cairan (air bersih) akan mengalir mengikuti kemiringan kaca penutup dan masuk kedalam kanal, lalu mengalir ke tempat penampungan air bersih. Sedangkan garam akan teringgal diatas penyerap karena adanya perbedaan massa jenis.

Gambar 2.4 Destilasi surya tipe dua permukaan kaca miring (Dikutip dari Mulyadi dkk, 2006)

Keterangan gambar. 1. kaca penutup 2. kanal 3. plat penyerap 4. Basin 5. Isolasi 6. rangka

7. Tabung, tempat air bersih 8. pipa

(17)

Tugas Akhir

9. Katup

10. Reservoir air laut

Gambar 2.5 Destilasi surya tipe satu permukaan kaca miring (Dikutip dari Mulyadi dkk, 2006)

2.13 Air laut

Perbedaan antara air laut dan air tawar adalah pada segi kuantitas dan kualitas garamnya. Garam-garam utama yang terdapat dalam air laut adalah klorida (55%), natrium (31%), sulfat (8%), magnesium (4%), kalsium (1%), potasium (1%) dan sisanya (kurang dari 1%) terdiri dari bikarbonat, bromida, asam borak, strontium dan florida. Massa jenis air laut berkisar 1.025 g/Cm dan air tawar sekitar 1.000 g/Cm . Air laut mempunyai berbagai macam kandungan elemen yang berbentuk ion-ion,dan air laut mempunyai pH berkisar 7,5 – 8,4. Pada tabel berikut ini dapat dilihat kandungan yang dimiliki air laut.

(18)

Tugas Akhir

Tabel 2.1 Elemen-elemen yang dikandung air laut

Chemical ion valence concentration

ppm, mg/kg part of salinity % molecular weight mmol/ kg Chloride Cl -1 19345 55.03 35.453 546 Sodium Na +1 10752 30.59 22.990 468 Sulfate SO4 -2 2701 7.68 96.062 28.1 Magnesium Mg +2 1295 3.68 24.305 53.3 Calcium Ca +2 416 1.18 40.078 10.4 Potassium K +1 390 1.11 39.098 9.97 Bicarbonate HCO3 -1 145 0.41 61.016 2.34 Bromide Br -1 66 0.19 79.904 0.83 Borate BO3 -3 27 0.08 58.808 0.46 Strontium Sr +2 13 0.04 87.620 0.091 Fluoride F -1 1 0.003 18.998 0.068 (sumber :www.seafriend.org.nz/oceano/seawaterhtml)

(19)

Tugas Akhir

2.14 Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan fasa.

Ada tiga cara perpindahan panas yakni: 2.14.1 Konduksi

Konduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain.

Pada konduksi, berlaku hukum Fourier :

= = ………...…(2.20)

keterangan :

qx : Laju pindah panas dalam arah x (Watt atau cal/dt, atau Btu/jam) dT : Perbedaan temperatur (K, oC atau oF)

(20)

Tugas Akhir

A : Luas penampang (m2, cm2, atau ft2)

K : konduktifitas panas (Watt/m.k, cal/dt.oC.cm, atau Btu/jam.oF.ft)

2.14.2 Konveksi

Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida. Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas. Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya." Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi ("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku. Laju pindah panas secara konveksi.

q = hA (Tw – Tf)

………(2.21)

keterangan :

q : laju pindah panas (Watt)

h : koefisien pindah panas konveksi (W/m2.K) A : luas area pindah panas (m2)

(21)

Tugas Akhir

Tw: temperatur permukaan padat (K)

Tf : temperatur rata-rata fluida yang mengalir (K)

2.14.3 Radiasi

Radiasi ialah pemindahan panas atas dasar gelombang-gelombang elektromagnetik. Misalnya tubuh manusia akan mendapat panas pancaran dari setiap permukaan dari suhu yang lebih tinggi dan ia akan kehilangan panas atau memancarkan panas kepada setiap obyek atau permukaan yang lebih sejuk dari tubuh manusia itu. Panas pancaran yang diperoleh atau hilang, tidak dipengaruhi oleh gerakan udara, juga tidak oleh suhu udara antara permukaan-permukaan atau obyek-obyek yang memancar, sehingga radiasi dapat terjadi di ruang hampa. Jumlah keseluruhan panas pindahan yang dihasilkan oleh masing-masing cara hampir seluruhnya ditentukan oleh kondisi-kondisi lingkungan. Umpamanya, udara yang jenuh tak dapat menerima kelembaban tubuh, sehingga pemindahan panas tak dapat terjadi melalui penguapan. Pengondisian suatu ruang seharusnya meningkatkan laju kehilangan panas bila para penghuni terlalu panas dan mengurangi laju kehilangan panas bila mereka terlalu dingin. Tujuan ini tercapai dengan mengolah dan menyampaikan udara yang nyaman dari segi suhu, uap air (kelembaban), dan velositas (gerak udara dan pola-pola distribusi). Kebersihan udara dan hilangnya bau (melalui ventilasi) merupakan kondisi-kondisi kenyamanan tambahan yang harus dikendalikan oleh sistem penghawaan buatan.

(22)

Tugas Akhir

keterangan :

q : aliran panas (Watt)

: konstanta radiasi = 5.676 x 10 W/m².K = 0.1714 x 10 Btu/h.ft².R

A : luas permukaan (m²) T : suhu (K atau °R )

: emisifitas = 1 untuk benda hitam

Dibawah ini terdapat diagram aliran energi pada basin solar still

Gambar 2.6 Perpindahan panas (Dikutip dari Irfan Santosa dkk, 2010) Keterangan gambar :

= Temperatur Lingkungan (K) = Temperatur air (K)

= Temperaur permukaan kaca (K) = Temperatur ruang Basin (K) = Temperatur Plat Absorber (K) IT = Itensitas matahari

(23)

Tugas Akhir

qr,1 = laju perpindahan panas radiasi dari air kolektor ke permukaan dalam kaca

qc,1 = Laju perpindahan panas konveksi dari uap air ke permukaan dalam kaca

qc,w = Laju perpindahan panas konveksi dari air

qk = Laju perpindahan panas konduksi dari kolektor ke dinding luar qr,o = Laju perpindahan panas radiasi yang hilang dari kaca

qc,o = Laju perpindahan panas konveksi dari kaca ke udara kesetimbangan energi dari sistem adalah sebagai berikut:

qc,w + qr,1 + qc, 1 + ( .IT.Ac) + ( .IT) = qk + qc,0 + qr,0 dimana :

= koefisien absorptivitas plat penyerap Ac = luas plat penyerap

Thermal konduktivitas adalah sifat material yang mampu menyerap, menerima dan memantulkan panas. Dibawah ini terdapat tabel jenis-jenis matrial dan nilai thermal konduktivitasnya.

Tabel 2.2 Thermal konduktivitas dan jenis-jenis matrialnya

Material Thermal Konduktivitas

(W/mK)

Tembaga 386

Aluminium 204

(24)

Tugas Akhir

Kaca 0,75 Plastik 0,2-0,3 Air 0,6 Engine oil 0,15 Freon 0,07 Hydrogen 0,18 Udara 0,026

(Sumber. Basic Heat Transfer , Frank Keith, hal.11) 2.15 Penelitian-penelitian sebelumnya

Pada penelitian-penelitian sebelumnnya tentang alat distilator surya ini antara lain:

1. Mulyanef, dkk. Melakukan penelitian alat distilator surya dengan membuat tiga tipe kaca penutup kolektor plat datar yang akan diteliti, yaitu tipe satu permukaan kaca miring, tipe dua permukaan kaca miring dan tipe empat permukaan kaca miring dengan luas plat kolektor datar 0,45 m . Volume air di dalam kolekor adalah 9 liter dan isolasi dari serabut kaca. Hasil pengujian menunjukkan tipe dua permukaan kaca miring menghasilkan kondesat terbantak 255 ml/jam, dengan intensitas surya tertinggi 757,37 w/m .

2. Dadang Abdul Kholik, melakukan penelitian distilator surya tipe atap yang digabung dengan Solar Collector plat datar. Hasil pengujian mengatakan

(25)

Tugas Akhir

bahwa solar collector memiliki kontribusi sampai 60% terhadap proses penguapan.

3. Jurnal Ilmu Teknik (Engineering) Unika Atmajaya Vol.14 No.2 Oktober 2002 (halaman 147-154), menelii bahan absorber / penyerap pada alat distilator surya. Lima jenis absorber diteliti yaitu bahan plat dasar aluminium dengan lapisan cat phylox hitam dan lapisan cat papan tulis, plat dasar tembaga dengan lapisan cat phylox hitam dan cat papan tulis, plat dasar tembaga dengan cat papan tulis dengan diberi lapisan batu kerikil. Hasil penelitian menunjukkan jenis absorber dengan plat dasar tembaga cat papan tulis mempunyai karakteristik absorplance paling besar yaitu 0,92