BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Panas 2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi interaksi antara partikel [9] Rumus Umum : q = -k . A .

................................................................................(2.1)

Dimana : q

= Laju perpindahan panas (W)

A

= Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K) k

= Konduktivitas termal bahan (W/m.K)

2.1.2. Teori Dasar Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah bentuk pindahan panas yang terjadi disertai dengan berpindahnya zat perantara Rumus Umum : q = h.A.∆ ...............................................................................................(2.2)

Dimana : q = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien perpindahan panas konveksi

(W/m2 K)

A = Luas penampang (m2) ∆T = Perubahan atau perbedaan suhu ( K) 7 Universitas Sumatera Utara

2.1.3. Perhitungan Panas Radiasi Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa melalui media perantara (padat dan fluida). Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut : qrad = ε A σ ( Ts4-Tsur4 ) ....................................................................... (2.3) dimana : qrad = laju perpindahan panas radiasi (W) ε

= emisivitas bahan

A

= luas permukaan (m2)

σ

= kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)

Ts = suhu permukaan (K) Tsur = suhu lingkungan (K)

2.2

Radiasi Surya

2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi radiasi mengenai permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol (Saharjo [13]). Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse (Saharjo [13]). Gambar 2.1 menjelaskan interaksi energi matahari terhadap bumi dimana energy yang akan dipakai dalam pemanas air tenaga surya inilah yang akan dikelola untu dapat memanaskan air.

8 Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Interaksi Energi Surya (Saharjo,B.H.1999) 2.2.2. Absorbtivitas, Reflectivitas dan Transimitas Segala sesuatu yang terkena pancaran matahari, konstan menerima energi radiasi. Secara tidak langsung ini berarti setiap benda yang terkena cahaya matahari, akan menerima radiasi dari segala arah sepanjang masih terpanacar oleh cahaya matahari. Jumlah energi radiasi yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu

tertentu disebut dengan irradiation / incident radiation dan

dilambangkan dengan G. Ketika radiasi sampai ke permukaan, sebagian dari energi itu akan diserap, sebagian lagi di transmisikan, dan sisanya di refleksikan [3]. Energi radiasi yang di serap di sebut dengan absorbtivitas (α ), yang di transmisikan di sebut dengan transimitas (τ) dan energi radiasi yang di pantulkan di sebut reflectivitas ( ).

absorbvitas = α = transimitas = τ = reflectivitas =

=

0

α 1

0

τ 1

0

1

9

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Pola Absorpsi (Cengel, Yunus. A.2002) Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer (30-50 km), dan thermosfer (50-400 km) (Saharjo [13]). Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (G on). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam/GD). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gd).

Gambar 2.3 Radiasi Surya (Cengel, Yunus. A.2002)


2.2.3. Rumusan Radiasi Surya Matahari mempunyai diameter 1,39 x 109 m, bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellips dengan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata

matahari dari permukaan bumi adalah 1,495 x 1011m, waktu

tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar 2.3.menunjukkan pola masuknya energi panas matahari dengan cara radiasi ke permukaan bumi. Matahari mencurahkan daya radiasi rata-rata yang diterima bumi (diluar atmosfir) dari matahari pada arah tegak lurus permukaan per meter persegi sebesar 1367W/m2 atau yang sering disebut dengan nilai konstanta matahari( Gsc )

Gambar 2.4. Hubungan antara Matahari dan Bumi (Ambarita, Himsar.2011) Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dan bumi tidak tetap, jarak terdekat 1,47 x 1011m dan jarak terjauh 1,52 x 1011m. Perbedaan jarak ini hanya 3,3% dari jarak rata-rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi permukaan di luar atsmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan Gon, pada hari ke n yang dirumuskan oleh Beckman [4] sebagai berikut:

 

360n  W  Gon  G sc 1  0,033 cos  2 ……….........................................(2.4) 365  m 

Dimana: Gsc

= Konstanta surya


= 1367 W/m2 n

= Nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya

Harganya dapat diperoleh dari urutan hari berdasarkan bulan yang tercantum pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Urutan Hari Berdasarkan Bulan Bulan

Nilai n pada hari yang ke – i

Januari

I

Februari

31 + i

Maret

59 + i

April

90 + i

Mei

120 + i

Juni

151 + i

Juli

181+i

Agustus

212+i

September

243+i

Oktober

273+i

November

304+i

Desember

334+1

Sumber: Ambarita, Himsar 2011 Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi [ 12] adalah : 1. Air Mass (m) Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700. m=

..................................................................................... (2.5)


2. Beam Radiation Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah

ini

sering

juga

disebut

radiasi langsung (direct solar

radiation). 3. Diffuse Radiation Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer. 4. Total Radiation Adalah jumlah beam dan diffuse radiation. 5. Irradiance (W/m2) Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas

permukaan

tersebut Solar irradiance

biasanya

disimbolkan

dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi. 6. Irradiation atau Radian Exposure (J/m2) Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval

waktu

tertentu.

Besaran

ini didapat

dengan

mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I. 7. Solar Time atau Jam Matahari Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan

jam

biasa

(standard time, disimbolkan

STD ).

Hubungannya adalah: ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E............................................................... (2.6) dimana : STD = waktu lokal Lst

= standart meridian untuk waktu lokal (o)

Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4 13 Universitas Sumatera Utara

E

= faktor persamaan waktu

Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.[3]

E

=

229,2(0,000075 + 0,001868cosB - 0,032077sinB 0,014615cos2B - 0,04089sin2B.............................................. (2.7)

dimana : B

= konstanta yang bergantung pada nilai n

E

= faktor persamaan waktu

Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.5. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.

Gambar 2.5 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari (Ambarita, Himsar.2011) Slope

β adalah

sudut

antara

permukaan

yang

dianalisis dengan

horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 900. permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar 14 Universitas Sumatera Utara

pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari α s (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif. Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -150 dan pukul 14.00, ω = 300. Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi [12] : δ = C1 + C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B .................................................................................... (2.8) dimana, C1 = 0,006918

C5 = 0,000907

C2 = -0,399912

C6 = -0,002679

C3 = 0,070257

C7 = 0,00148

C4 = -0,006758 n = hari ke δ = sudut deklinasi (rad)

B dihitung dengan menggunakan persamaan dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.1. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut. cos θz = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ ............................................. (2.9) 15 Universitas Sumatera Utara

Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang 15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o.[3] ω = 15(STD – 12) + (ST-STD) x

.................................................. (2.10)

dimana : STD = waktu lokal ST

= solar time = sudut jam matahari ( o)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi [4] adalah τb = ao + a1 exp

θ

..................................................................... (2.11)

dimana ao

= ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)2)

a1

= r1 (0,5055 – 0,00595 (6.5 – A)2)

k

= rk (0.2711 – 0.01858 (2.5 – A)2)

A

= ketinggian dari permukaan laut (km)

ro,r1,rk

= faktor koreksi akibat iklim

Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim [3] Iklim ro Tropical Midatude summer Subarctic Summer Midatude Winter

0,95 0,97 0.99 1,03

r1

rk

0,98 0,99 0,99 1,01

1,02 1,02 1,01 1,00

Sumber : Beckman, 2006 Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam [4]: Gbeam = Gon τb cos θz ........................................................................... (2.12)


dimana : Gon

= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)

τb

= faksi radiasi yang diteruskan ke bumi

cos θz = cosinus sudut zenith Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m2)

Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse [4] adalah : Gdifuse = Gon cos θz (0,271 – 0,294 τb) ................................................ (2.13) dimana : Gon τb

= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi

cos θz = cosinus sudut zenith Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan. Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut [4] : Gtotal = Gbeam + Gdifuse..........................................................................(2.14) Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus [4] : Q = I A Δt ∈ ..................................................................................... (2.15)

Dimana:

Q = Energi Radiasi (J)

I = Intensitas radiasi (W/m2) A = Luas penampang kolektor(m2) 17 Universitas Sumatera Utara

Δt = Selang waktu perhitungan (s) ∈ = Efisiensi Kaca (%)

2.2.4. Hipotesis Pengaruh Sudut

Radiasi dalam permukaaan bersudut akan mempengaruhi besarnya intensitas yang diterima dari suatu permukaan. Radiasi yang diterima dalam permukaan yang dimiringkan merupakan gabungan dari radiasi beam, isotropic, diffuse, radiasi yang diterima permukaan datar

yang di pengaruhi tingkat

reflaktansi pelindung absorber. Dalam Beckman [4], dijelaskan bahwa total energi radiasi yang diterima suatu permukaan yang dimiringkan dapat dijelaskan dengan persamaan: =

+

+

(

) ……………………..….. (2.16)

Nilai Rb dapat dihitung dengan persamaan berikut: =

(∅

)

∅

∅

∅

( )

( )

=

…………………(2.17)

Dan nilai Intensitas Difuse dan beam dari permukaan miring dapat dihitung menggunakan persamaan berikut [4]: = 1.0 − 0.249

Untuk kT < 0

= 0.177

Untuk kT > 0.75

= 1.557 − 1.84

Untuk 0.35 < kT < 0.75

.………………..(2.18)

Nilai KT (Index langit cerah) didapat dengan membandingankan total radiasi surya pada plat datar dengan radiasi yang diserap oleh suatu permukaan sampai waktu tertentu [4]. Dengan dimiringkannya permukaan absorber, akan berpengaruh terhadap durasai penyinaran. Suatu Pemanas Air Tenaga Surya dengan kolektor datar, akan menerima radiasi surya saat matahari terbit dan akan berhenti menerima radiasi surya saat terbenamnya matahari. Namun dengan memberi perlakukan variasi sudut

, atau memiringkannya terhadap bidang datar, akan mempengaruhi

rentang waktu penerimaa radiasi matahari. Suatu PATS yang kolektor nya 18 Universitas Sumatera Utara

dimiringkan 300 kearah timur akan memiliki perbedaan dengan PATS yang kolektornya tidak dimiringkan terhadap permukaan datar. Perbedaannya adalah pada rentang waktu penerimaan radiasi dari kolektor dalam PATS. Kolektor yang dimiringkan 300 ke arah timur akan menerima radiasi surya saat matahari terbit sama dengan kolektor yang sejajar bidang datar. Namun radiasi surya yang diterima kolektor dengan kemiringan 300 akan berlangsung dalam rentang waktu yang lebih pendek dibanding kolektor sejajar bidang datar. Hal ini karena pada kolektor bidang datar, saat matahari sesaat akan terbenam, kolektor tersebut masih menerima radiasi surya. Berbeda bila kolektor dimiringkan 300 kearah timur yang membuat saat matahari berada disisi barat namun belum terbenam, kolektor tidak akan lagi menerima radiasi karena telah tertutup sisi luar kolektor itu sendiri. Dengan kata lain, kolektor sejajar horizontal menerima radiasi lebih lama dibanding dengan kolektor yang dimiringkan. Rasio radiasi matahari yang diterima kolektor yang dimiringkan dengan kolektor yang sejajar bidang datar dapat di lihat dalam persamaan berikut [4]: =

=

................ (2.19)

2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS Pemilihan pengaplikasian besar sudut kolektor sangat berpengaruh terhadap performansi PATS. Pemilihan sudut yang salah akan berakibat langsung terhadap kemampuan optimum pemanasan air di tangki penampungan. Kolektor yang terlalu dimiringkan akan berpengaruh terhadap durasi kolektor dalam menerima radiasi matahari. Namun apabila kolektor tidak dimiringkan atau dengan kata lain sejajar bidang datar, walaupun kondisi ini baik terhadap durasi dan kemampuan penyerapan radiasi surya, namun akan kesulitan dalam siklus perputaran fluida kerja di pipa panas dalam menghantarkan panas ke air di dalam tangki. Semakin besar kemiringan kolektor terhadap bidang datar akan mempengaruhi kerja siklus perpindahan panas dalam memanaskan air didalam tangki air. Menurut Beckman [4] kemiringan terbaik untuk kolektor adalah berkisar antara 300, 450 dan 600. Hal ini dihitung berdasar pengaruh incidence angle modifier (Kτα) yang dapat dihitung dengan persamaan berikut [4]: 19 Universitas Sumatera Utara

1 Dimana:

1 ………………………………………….. (2.20) ……………………….. (2.21)

= Besar energi radiasi yang diserap kolektor = panas yang hilang

Nilai koefisien pengubah dimasukkan dalam persamaan 2.21 untuk mendapatkan besar energi radiasi surya yang di serap oleh kolektor. Berikut grafik koefisien sudut pengubah terhadap

dan (1/

1

Gambar 2.6. Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan bidang datar untuk kolektor dengan pelindung (a) kaca satu lapis, (b) kaca dua lapis dan (c) kaca satu lapis dengan honeycomb. Sumber: Beckman, 2006

2.3.

Panas, Panas Laten dan Panas Sensible Panas berbeda dengan suhu. Panas adalah salah satu bentuk energi. Panas

dapat dirubah bentuknya menjadi bentuk energi lain atau sebaliknya energi lain dapat dirubah menjadi energi panas[7]. Menurut konsep thermodinamika heat panas) adalah perpindahan energi dari satu benda ke benda lain karena perbedaan suhu kedua benda tersebut. 20 Universitas Sumatera Utara

2.3.1. Pengaruh heat (panas) terhadap wujud benda Semua benda dalam kondisi yang tepat yaitu pada tekanan dan suhu yang sesuai akan berbentuk padat, cair dan gas. Eksistensi energi pada molekul suatu benda dapat ditunjukan dengan suhu benda tersebut tetapi juga dapat ditunjukan dengan wujud benda tersebut. Dengan kata lain penambahan atau pengurangan panas dapat merubah bentuk benda serta suhu benda tersebut. Sebagai contoh logam akan mencair jika diberi panas yang cukup untuk mencairkannya. Fenomena yang umum kita kenal adalah mencairnya es dan mendidihnya air. Kedua kondisi tersebut adalah salah satu contoh penambahan dan pengenyahan panas terhadap suatu benda. 2.3.2. Jenis panas 2.3.2.1. Panas Sensibel Panas

sensible

adalah

panas

yang

menyebabkan

terjadinya

kenaikan/penurunan temperatur, tetapi phasa (wujud) tidak berubah. 2.3.2.2. Panas Laten Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa (wujud) benda, tetapi temperaturnya tetap. Panas laten penguapan (latent heat of vaporization) 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 (latent heat of condensation) adalah jumlah panas yang harus dibuang/dikeluarkan oleh zat (gas/uap) pada titik embunnya, untuk mengubah wujud zat dari gas menjadi cair pada suhu yang sama. Panas laten pencairan/peleburan (latent heat of fusion) 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 (latent heat of solidification) adalah jumlah panas yang harus dibuang/dikeluarkan oleh zat (cair) pada titik bekunya untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat pada suhu yang sama. 21 Universitas Sumatera Utara

2.3.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya Panas yang di absorbsi kolektor pada suatu keadaan tertentu akan mengubah phasa dari refrigeran yang dipanaskan. Dengan di vakumnya refrigeran, maka tingkat titik didih akan menurun, dan dengan memafaatkan panas yang ada, refrigeran akan berubah fasa. Hal ini membuat jumlah kalor yang dapat di transfer dari refrigeran ke air dalam tangki reservoir akan semakin besar. Hal ini dapat di lihat pada besaran koefesien latent heat pada kondisi vakum, jumlah energi kalor yang dihasilkan menjadi lebih besar. Kalor ini lah yang akan di transfer ke dalam air di tangki reservoir. Berbeda dengan halnya bila kita menggunakan kolektor biasa, maka kalor yang akan diserap tidak akan sebesar dengan sistem pipa panas.

2.4. Alat Pemanas Air Tenaga Surya Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi thermal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai beredar beberapa merek PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk produk ini, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan. Dalam masalah ini bagaimana membuat PATS dengan efesiensi yang tinggi menjadi persoalan tertentu. Untuk itu dilakukan berbagai tinjauan pustaka agar di dapat efsiensi yang baik. Salah satunya adalah dengan melakuakn pengujian pada penelitian dan penyempurnaan dari alat yang telah ada. Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan thermal system seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugirugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan. Pemanas Air Tenaga Surya harus mampu mengelola panas yang masuk untuk di olah atau memanfaatkan panas yang masuk untuk memindahkan panas 22 Universitas Sumatera Utara

pada absorber ke air yang dipanaskan. Gambar 2.7. menunjukkan alat pemanas air tenaga surya yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 2.7. Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS) 2.4.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya Gambar 2.6.menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya dengan media pemanas refirgeran. Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan.Sehingga energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap dan dikumpulkan untuk ditingkatkan temperaturnya oleh kolektor.Panas tersebut dialirkan terhadap pipa tembaga (1-2) yang berisi refrigeran, kemudian refrigeran akan menjadi panas. Akibatnya referigran berubah wujud dari cair menjadi gas dan massa jenis di titik 2 lebih kecil dari massa jenis di titik 1, sehingga referigran cenderung bergerak dari titik 1 ke titik 2. Referigran di titik 2 akan terdorong menuju titik 3 sambil melepaskan panas ke air yang ada pada tangki air. Pelepasan panas ini membuat referigran berubah wujud dari gas menjadi cair, dan suhunya akan turun. Pergerakan referigran ini meyebabkan terjadinya sirkulasi alamiah yang disebabkan efek 23 Universitas Sumatera Utara

termosipon dimana referegran yang suhunya lebih tinggi massa jenisnya lebih rendah dan cenderung bergerak kesebelah atas. Posisinya akan digantikan referigran lain yang lebih dingin. Alat Pemanas Tenaga Surya ini memanfaatkan panas latent yang merubah fasa dari cair menjadi gas pada tempertaur tertentu lalu gas bersirkulasi didalam pipa panas menuju ke tangki air dan melepas kalor. Akbibat terjadi pelepasan kalor suhu refrigeran menurun yang memicu terjadinya sirkulasi secara alamiah.

2.4.2. Plat Absorber Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya Pemilihan plat absorber harus dilihat dari sifat material baik itu fisik maupun kimianya. Menurut Eka [16] umumnya bahan yang di pakai menjadi sebuah plat adalah material alumunium, baja tipis, plat besi tipis atau seng. Pemilihan ini harus memperhatikan tingkat emisivitas dari bahan itu sendiri. Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang diradiasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Ini adalah ukuran dari kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energy yag diserapnya. Benda hitam memiliki emisivitas sama dengan 1 (ε=1) sementara objek sesunggunya mempunyai emisivitas kurang dari satu. Semakin kasar dan hitam suatu benda, akan memiliki nilai emisivitas yang lebih baik, semakin reflektif suatu benda, maka nilai emisivitas benda tersebut akan semakin kecil [19]. Berikut beberapa nilai emisivitas material yang sering digunakan dalam membuat kolektor surya seperti yang tertuang dalam tabel 2.3

Tabel 2.3 Emisivitas Material [19] Permukaan Material

Koefisien Emisivitas (ε)

Aluminium sheet Komersial

0,09

Baja Dipoles

0,07

Zink dipoles Hitam Silicone Cat

0,045 0,93

Kaca Halus

0,92-0,94


2.4.3. Isolator Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya Untuk menghindari kebocoran energi panas yang terbuang sia sia ke lingkungan, dalam pemanfaatannya diperlukan suatu isolator untuk menahan panas dalam alat pemanas air tenaga surya. Dalam hal ini Rockwool mempunyai tingkat isolasi yang sangat baik. Berikut

di jelaskan beberapa keunggulan

rockwool menurut Kamstrup [11]: a. Tidak tergolong benda berbahaya b. Mempunyai tingkat insulasi yang sangat baik c. Mampu menahan pemanasan sampai suhu 820 oC d. Mempunyai densitas yang besar e. Tidak Korosif, tidak bersifat karsinogen, mutagenic dan toxic f. Tidak mudah rusak selama pemasangan g. Memiliki tingkat durabilitas yang baik h. Tingkat heat loss yang rendah ( sekitar 5%) Dengan sifat insulasi yang baik, dapat dihindari kebocoran panas, sehingga energi panas yang di serap oleh APATS dapat dimanfaatkan sebaik baiknya. Dalam APATS ini di insulasi di daerah sekitar pelat absorber, dinding reservoir air dan seluruh daerah yang memungkinkan terjadinya kehilangan panas.

2.4.4. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya Untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perlu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber alat pemanas air tenaga surya menurut Soteris [5] dapat di lihat pada Gambar 2.8.


Q incident Q ref

Kaca penutup Pelat absorber Q abs Gambar 2.8. Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pada Gambar 2.8.dapat dilihat bahwa panas matahari (Q

incident)

sebagian

dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan refrigeran.

Gambar 2.9. Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi terhadap besaran energi yang diterima

Menurut Incropera [9] besaran energi radiasi yang akan diterima alat pemanas air tenaga surya akan di pengaruhi oleh sudut datangnya energi panas matahari seperti gambar 2.9. Energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi akan di serap oleh kolektor yang digunakan untuk memanaskan air dalam alat pemanas


air tenaga surya. Jumlah energi radiasi per satuan luas yang diterima kolektor selama proses penelitian di sebut Qincident. Menurut Mehmet Esent [1], besarnya Qincident dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini: 2

Qinciden t  A Idt ....................................................................................(2.16) 1

Dimana: A

= luas penampang dari pelat absorber (m2)

I

= intensitas cahaya matahari (W/m2)

Sedangkan panas yang diserap oleh absorber dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Qabs  Qincident .....................................................................................(2.17) Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah: Q ref  1   Qincident ……………..……………………...…………….(2.18)

Dimana: 

= difusitas bahan

2.4.5. Energi yang Diserap oleh air Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air. Besarnya energi tersebut menurut Mehmet Esent [1] dapat ditentukan dengan menggunakan rumus: Qu  m w C pw Tw 2  Tw1  ...........................................................................(2.19)

Dimana: mw

= Massa air (kg)

Cpw

= Panas jenis dari air (kJ/kg. oC)

Tw1

= Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (oC)

Tw2

= Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (oC) 27 Universitas Sumatera Utara

2.4.6. Efisiensi dari Kolektor Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu menurut Mehmet Esent [1] dapat dirumuskan sebagai berikut:   m w C pw Tw 2  Tw1  / Qincident ..............................................................(2.20)

Definisi efisiensi disini adalah kemampuan dari kolektor untuk memanasi air sampai suhu maksimum dalam rentang waktu tercepat. Semakin cepat didapat pemanasan suhu maksimum, maka akan semakin besar pula tingkat efisiensi yang diperoleh dan semakin lama rentang waktu pencapaian suhu maksimum, semakin kecil pula tingkat efisiensi yang didapat oleh kolektor.

2.5.

Refrigeran R-718 Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang memiliki kemampuan untuk

melarutkan banyak zat, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan zat organik lainnya.Pada tekanan atmosfir R-718 (air) mendidih pada suhu 1000C dan membeku pada suhu 0oC Apabila tekanannya dinaikkan maka titik didihnya semakin besar, sebaliknya bila tekanannya diturunkan titik didihnya lebih rendah. Pada tekanan vakum titik didih R-718 dibawah 100oC seperti pada tekanan vakum 45 cmHg (0,4001 bar absolut) R-718 akan mendidih pada suhu 75,800C. Refrigeran R-718 akan berubah menjadi gas jika temperaturnya dinaikkan dari 75,800C pada tekanan vakum 45 cmHg dan akan berubah menjadi cair jika suhunya diturunkan. Berikut akan ditampilkan

sifat refrigeran R-718 pada

tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg:


Tabel 2.4. Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,4001 bar absolut) Properties

R-718

Komposisi Hidrogen

11,19%

Komposisi Oksigen

88,81% 1000 kg/m3

Massa jenis Pada tekanan 1 bar dan 0°C

Tidak berasa dan tidak berbau

Jenis warna

Tidak berwarna

Titik didih

100 oC

Titik didih pada 45 cmHg

75,80 oC

Specific heat liquid pada 45 cm Hg

4,1936 kJ/kg.oC

Specific heat vapour pada 45 cmHg

2,001 kJ/kg.oC

Density liquid pada 45 cmHg

974,32 kg/m3

Density vapour pada 45 cmHg

0,2498 kg/m3

Laten Heat pada 45 cmHg

2319,23 kJ/kg

Tabel 2.5. Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut) Properties Titik didih Titik didih pada 40 cmHg

R-718 100 oC 79,54 oC


4,196 kJ/kg.oC


2,010 kJ/kg.oC


972,07 kg/m3


0,2885 kg/m3


2310,11 kJ/kg 29 Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.6. Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut) Properties Titik didih Titik didih pada 35 cmHg

R-718 100 oC 82,81 oC


4,199 kJ/kg.oC


2,020 kJ/kg.oC


969,99 kg/m3


0,2498 kg/m3


2301,53 kJ/kg


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents