Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk Pengering Bunga Kamboja

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk Pengering Bunga Kamboja Ketut Astawa1), Nengah Suarnadwipa2), Widya Putra3) 1.2,3

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana-Indonesia. 80361 [email protected]

Abstrak Penggunaan energi matahari untuk mengeringkan hasil-hasil pertanian saat ini masih banyak dilakukan secara konvensional yaitu dengan memanfaatkan radiasi matahari secara langsung, dimana bahan atau obyek yang dikeringkan diletakan di lantai/tanah dan kemudian ditaruh di bawah terik matahari. Kelemahan dari cara ini adalah bahan yang dikeringkan memerlukan tempat yang luas, pengeringan yang tidak merata, waktu pengeringan yang lama sehingga kurang efisien. Untuk itu diperlukan sebuah alat untuk proses pengeringan tersebut, alat ini disebut kolektor surya. Dari jenis kolektor surya ada dua jenis yaitu kolektor surya pelat datar dan kolektor surya pelat bergelombang. Pada penelitian ini digunakan kolektor surya pelat bergelombang yang bertujuan untuk menambah luasan permukaan penerima radiasi matahari, dengan demikian udara yang keluar dari kolektor ini temperaturnya diharapkan akan lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan kolektor surya pelat datar. Penelitian ini menggunakan aliran alami dengan ketinggian cerobong pembuangan udara dan uap air setinggi 50 cm serta jumlah rak sebanyak 10 tingkat dengan Pengujian dilakukan satu kali dan selanjutnya dilakukan perhitungan serta analisa. Dari hasil pengujian dan perhitungan terlihat bahwa performansi yang dihasilkan kolektor surya dengan pelat bergelombang adalah menghasilkan energi berguna sebesar 0,0153 kJ/dt dan efisiensi rata-rata 0,64%. Kata kunci : kolektor surya pelat bergelombang, cerobong, energi berguna, efisiensi

air suatu bahan dengan atau tanpa adanya bantuan energi panas. Sehingga terjadi pemindahan panas dan massa uap air secara simultan.

Pendahuluan Ketersediaan energi panas matahari yang berlimpah dan sifatnya yang ramah lingkungan, sangat mendukung akan pemanfaatannya diberbagai sektor, seperti pembangkitan listrik, pemanas air, dan pengeringan hasil pertanian. Kolektor surya merupakan alat yang berfungsi untuk mengumpulkan energi surya dan mengubahnya menjadi energi panas (kalor) yang berguna. Dalam penelitian ini kolektor surya digunakan sebagai alat pengering. Pengeringan adalah suatu proses untuk mengeluarkan atau menghilangkan sebagian

Pada penelitian ini kolektor surya akan digunakan sebagai penegring bunga kamboja. Bali merupakan tempat yang banyak ditumbuhi oleh bunga kamboja, tidak mengherankan dikarenakan masyarakat Bali sangat tergantung dengan bunga yang biasa digunakan untuk sarana persembahyangan. Disamping itu bunga kamboja kering sekarang banyak digunakan sebagai bahan campuran pembuatan kosmetik, lulur, dupa, KE-38


dan lain-lain. Untuk mendapatkan kualitas bunga kamboja kering yang bagus maka penjemuran harus dilakukan dibawah panas matahari yang cukup terik. Bila dilakukan dengan panas yang tidak memadai maka pengeringan akan membutuhkan waktu yang sangat lama dan bunga tidak akan kering dengan merata. Disamping itu bunga kamboja kering sekarang banyak digunakan sebagai bahan campuran pembuatan kosmetik, lulur, dupa, dan lain-lain. Untuk mendapatkan kualitas bunga kamboja kering yang bagus maka penjemuran harus dilakukan dibawah panas matahari yang cukup terik. Bila dilakukan dengan panas yang tidak memadai maka pengeringan akan membutuhkan waktu yang sangat lama dan bunga tidak akan kering dengan merata. Adapun beberapa tipe dari kolektor surya untuk pengeringan dengan udara sebagai fluida pengering antara lain kolektor surya pelat datar, kolektor surya pelat bergelombang, dan kolektor surya pelat bersirip. Beberapa jenis pengering surya pada umumnya menggunakan kolektor pelat datar sebagai pelat absorber. Dari penelitian yang terdahulu (Hollands, 1965) yang melakukan penelitian dengan menggunakan pelat bergelombang sebagai pelat penyerap pada kolektor surya, diperoleh kesimpulan bahwa tingkat absorbsivitas pelat penyerap terhadap radiasi matahari meningkat. Radiasi yang mengenai pelat penyerap yang berbentuk gelombang, sebagian akan dipantulkan ke penutup transparant dan sebagian lagi akan dipantulkan ke bagian gelombang disebelahnya. Dengan menggunakan pelat gelombang, pemantulan berulang akan lebih banyak terjadi daripada hanya menggunakan pelat datar sebagai pelat penyerap, yang hanya mengandalkan pemantulan berulang yang terjadi antara penutup transparant dan pelat penyerap. Penelitian I Dewa Gede Aditya Kresnawan (2013) tentang analisis

performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan aliran fluida mengikuti kontur pelat dan variasi jumlah saluran udara didapat kesimpulan bahwa bidang penyerapan dengan pelat bergelombang menjadi lebih luas. Maka dalam penelitian ini akan menggunakan empat kolektor surya pada masing-masing sisi ruang pengering dengan tujuan menambah luas bidang penyerapan serta menyerap sinar matahari dari berbagai posisi arah penyinaran. Dasar Teori Perpindahan panas (heat transfer) adalah proses berpindahnya energi kalor atau panas (heat) karena adanya perbedaan temperatur. Dimana, energi kalor akan berpindah dari temperatur media yang lebih tinggi ke temperatur media yang lebih rendah. Proses perpindahan panas akan terus berlangsung sampai ada kesetimbangan temperatur yang terjadi pada kedua media tersebut. Proses perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada suatu media padat, atau pada media fluida yang diam. Konduksi terjadi akibat adanya perbedaan temperatur antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut. Laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier tentang Konduksi ( Fourier Low of Heat Conduction), yang persamaan matematikanya sebagai berikut:

q kond   kA

dT dx

(1)

dimana :

qkond = laju perpindahan panas konduksi (W) K KE-38

= konduktivitas termal bahan (W/m.K)


A = luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran panas (m2) dT dx

Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda riil (nyata), (W), adalah :

= gradien temperatur pada penampang (3)

tersebut (K/m) (-)

= perjanjian Fourier

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir atau bergerak atau sebaliknya akibat adanya perbedaan temperatur.

dimana :

Laju perpindahan panas konveksi adalah merupakan hukum Newton tentang pendinginan (Newton's Law of Cooling) yaitu:

konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8 (W/m2K4)

q konv  h . A s .T s  T  

= laju pertukaran panas radiasi (W) = emisivitas (

= konstanta proporsionalitas dan disebut

= luas bidang permukaan (m2)

(2)

= temperatur benda (K)

dimana :

Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu media, maka sebagian energi radiasi tersebut akan di pantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi), dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi), seperti ditunjukan pada gambar 1 dibawah ini:

qkonv = Laju perpindahan panas konveksi (W) h

)

= Koefisien perpindahan panas konveksi

( W/m2.K) As = Luas permukaan perpindahan panas (m2) Ts

= Temperatur permukaan (K)

T∞

= Temperatur fluida (K)

Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh pancaran atau gelombang elektromagnetik (photon), dan asalnya dari energi dalam material yang memancar. Transportasi energi pada peristiwa radiasi tidak harus membutuhkan media, justru radiasi akan lebih efektif dalam ruang hampa.

Gambar 1. Bagan pengaruh radiasi datang Sumber : (Holman J.P., 1997 halaman 343)

Kolektor Pelat Datar Standar Pada kolektor surya yang digunakan sebagai pemanas udara, radiasi matahari tidak akan sepenuhnya diserap oleh pelat penyerap. Sebagian radiasi akan dipantulkan KE-38


(direfleksikan) menuju bagian dalam penutup transparan. Pantulan sinar yang menuju penutup transparan akan dipantulkan kembali dan sebagian lainnya terbuang ke lingkungan. Proses penyerapan radiasi ini diperlihatkan pada Gambar 2.

berguna dengan intensitas matahari yang mengenai kolektor. Performansi kolektor dapat dinyatakan dengan efisiensi thermal. Efisiensi kolektor menggunakan persamaan:

surya

dihitung

(5) dimana: ŋ = efisiensi kolektor = panas berguna (W) = laju aliran massa fluida (kg/s) Gambar 2. Penyerapan radiasi matahari oleh kolektor

= kapasitas panas jenis fluida (

)

Sumber: (Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, 2013)

Energi yang berguna digunakan untuk menghitung seberapa besar panas yang berguna yang dihasilkan oleh kolektor surya. Sedangkan efisiensi digunakan untuk menghitung performansi atau unjuk kerja dari kolektor surya tersebut.

)

Penelitian ini akan menguji sebuah alat pengering dengan kolektor pelat bergelombang dengan menggunakan metode eksperimental. Setelah persiapan selesai maka dilakukan pengujian pada kolektor surya dengan cara pengamatan dan pencatatan dan data-data yang ditunjukan oleh alat ukur.

= laju aliran massa fluida (kg/s)

Bunga kamboja yang akan digunakan sebagai bahan penelitian dari jenis bunga kamboja kuning (bunga kamboja cendana). Dari penelitian yang dilakukan di Laboratorium Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana didapat kadar air bunga kamboja yang masih basah sekitar 88,8%, serta kadar air bunga kamboja yang sudah kering sekitar 19,7%. Dengan massa 160 gr

)

)

)

Metode Penelitian

= panas yang berguna (W)

= temperatur fluida masuk (

)

kolektor (

dimana:

)

= temperatur fluida masuk (

= radiasi surya yang jatuh pada bidang

(4)

= temperatur fluida keluar (

)

= luas bidang penyerapan kolektor (

Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi berguna pada kolektor digunakan persamaan:

= kapasitas panas jenis fluida

= temperatur fluida keluar (

Efisiensi kolektor adalah perbandingan panas yang diserap oleh fluida atau energi KE-38


untuk setiap rak yang terdapat pada ruang pengering.

yang sudah di cat hitam. Di dalam kolektor, radiasi matahari akan dipantulkan scara berulang karena adanya bentuk bergelombang dari pelat menyerap. Udara yang masuk melalui saluran masuk kolektor akan menerpa pelat penyerap yang sudah panas dan memindahkan panas dari pelat keluar menuju ruang pengering melalui saluran keluar kolektor.. Udara panas tersebut akan mengalir mengenai bahan uji yang telah disusun di atas rak pengering. Akibat dialirkan udara panas maka bahan uji akan mengalami penurunan kadar air dan membuat bahan uji mengalami proses pengeringan. Selanjutnya udara panas tersebut akan dikeluarkan melalui cerobong yang terdapat diatas ruang pengering. Variable bebas adalah variable yang mempengaruhi munculnya suatu gejala. Dalam penelitian ini variable bebas yang dihitung adalah waktu pengeringan (t). Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat karena adanya variabel bebas. Dalam penelitian ini variabel teikatnya adalah : Energi yang diserap kolektor ( ), Efisiensi pengeringan

Gambar 3. Bahan Uji : Bunga Kamboja

1 2

3

4

6

5

(ηp ), Energi berguna untuk penguapan (

)

Gambar 4. Ilustrasi alat pengering surya Diagram alir penelitian

Keterangan gambar: 1. Cerobong : memberikan tarikan untuk keluarnya udara 2. Rak pengering : tempat meletakkan bahan yang akan dikeringkan 3. Plastik bening : untuk penutup ruang pengering dan atap 4. Kolektor surya : untuk menangkap dan mengumpulkan panas matahari 5. Saluran udara masuk : sebagai saluran masuknya udara secara alami 6. Pelat Bergelombang : sebagai area penyerapan panas matahari Pada Gambar 4 dapat dijelaskan bahwa radiasi matahari yang mengenai penutup transparan akan menembus penutup transparan dan mengenai pelat bergelombang

Gambar 5. Langkah pengujian dan pengambilan data KE-38


tidak seragam tergantung pada pergerakan matahari pada waktu pengujian.

Hasil dan Pembahasan Dari hasil pengujian kemudian dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaanpersamaan di atas diperoleh hasil yang dibuat dalam grafik hasil pengujian. 1. Perbandingan Kolektor

Energi

Masuk

3. Kadar Air Bunga Efisiensi Pengeringan

Kamboja

dan

Tiap

Gambar 8. Grafik Kadar Air Bunga Kamboja dan Efisiensi Pengeringan Kandungan kadar air adalah parameter utama proses pengeringan dan menjadi target utama dalam proses ini. Kandungan kadar air bunga kamboja jenis cendana kuning adalah sebesar 88,8% sebelum mendapat perlakuan proses pengeringan. Dapat dilihat pada gambar 4.15, terjadi penurunan kadar air pada bunga kamboja, dimana kadar air yang dicapai besarnya adalah 74% . Penurunan kadar air bunga kamboja terjadi sepanjang waktu pengujian. Ini dapat menujukkan bahwa, udara panas yang menyerap kandungan air pada bunga kamboja telah bersirkulasi. Pada proses pengeringan, pada awal dimulainya proses pengeringan tidak terjadi perpindahan massa sehingga efisiensi pengeringannya nol. Efisiensi pengeringan terbesar terjadi pada pukul 09.00 wita yaitu sebesar 1,3% karena kandungan air pada bunga kamboja masih banyak. Selanjutnya efisiensi menurun untuk waktu berikutnya sampai akhir proses pengeringan.

Gambar 6. Perbandingan energi masuk tiap kolektor Pada gambar 6. dapat dilihat pebandingan enegi masuk tiap kolektor, dimana perbandingannya tidak terlalu besar sehingga pada gambar terlihat seperti garis lurus ini dikarenakan temperatur masuk yang diterima tiap kolektor peredaannya tidak terlalu besar. 2. Perbandingan Energi Berguna Tiap Kolektor

Gambar 7. Perbandingan energi berguna tiap kolektor Pada gambar 7, terjadi perbedaan yang besar pada energi beguna setiap kolektor, dimana pada kolektor 1,2, dan 4 dapat mencapai energi puncak sebesar 0,04 kJ/s pada jam yang berbeda ini dikarenakan penyerapan sinar matahari oleh tiap kolektor

Kesimpulan Setelah dilakukan pengolahan data dan analisa data dalam penelitian ini, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari perbandingan pengeringan menggunakan alat dengan cara alami, KE-38


didapatkan bahwa dengan menggunakan alat akan dapat mempercepat proses pengeringan. Massa akhir dari bahan yang diuji menggunakan alat sebesar 0,69 kg dan 1,25 kg dengan cara penjemuran alami. 2. Selama pengujian yang sudah dilakukan, penurunan kadar air yang dapat dicapai sebesar 14,8% . 3. Efisiensi pengeringan pada ruang pengering terjadi paling besar pada pukul 09.00 yaitu sebesar 1,3% dan selanjutnya menurun untuk waktu berikutnya. Ucapan Terimakasih Penelitian ini didanai dengan dana PNBP oleh DIKTI Melalui LPPM dan Fakultas Teknik Universitas Udayana Dengan Surat Perjanjian Penugasan Pelaksanaan Penelitian Nomor : 2020/UN14.1.31/PN.00.00.00/2015 , Tanggal : 25 Mei 2015 Daftar Pustaka [1] Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, (2013) ,” Analisis Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang Dengan Aliran Fluida Mengikuti Kontur Pelat dan Variasi Jumlah Saluran Udara “, Skripsi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana, Bali. [2] Holman, J. P., alih bahasa oleh Ir. E. Jasjfi M.Sc, (1985), Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta [3] J.A Duffie,., and Beckman, W. A., (2006), Solar Engineering of Thermal rd Processes, 3 ed, John Wiley and Sons, Inc, New York [4] Jansen, Ted. J., alih bahasa oleh Prof. Wiranto Arismunandar, (1995), Teknologi Rekayasa Surya, PT. Pradnya Paramita, Jakarta

KE-38

Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk Pengering Bunga Kamboja

Recommend Documents