BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Energi Matahari. Radiasi matahari dapat digunakan untuk menghasilkan energi termal untuk

air, bisa juga digunakan sebagai sumber pemanas pada siklus pemanas mesin sebagai tenaga gerak. Kegunaan yang lain dari energi matahari adalah menghasilkan listrik dari melalui penggunaan sel photovolyalic. Kata photovoltaic berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. Photovoltaic merupakan sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Efek photovoltaic pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun 1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. Meskipun selenium gagal mengkonversi cukup listrik dari cahaya untuk menjalankan suatu peralatan, mereka berhasil membuktikan bahwa material padat dapat menghasilkan listrik tanpa panas ataupun bagian yang bergerak. Pada perkembangan berikutnya seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt. Saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5 hingga 15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal merupakan jenis piranti sel surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya.

Universitas Sumatera Utara

Masalah yang paling penting untuk merealisasikan sel surya sebagai sumber energi alternatif adalah efisiensi peranti sel surya dan harga pembuatannya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik yang dihasilkan oleh peranti sel surya dibandingkan dengan jumlah energi cahaya yang diterima dari pancaran sinar matahari.

2.2

Jenis-jenis kolektor Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang

menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu: 1. Cover berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan. 2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja . 4. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan. 5. Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

2.2.1 Kolektor Surya Prismatik Kolektor surya tipe prismatik adalah kolektor surya yang dapat menerima energi radiasi dari segala posisi matahari kolektor jenis ini juga dapat digolongkan dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari empat bidang yang berbentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga sama kaki dan dua bidang berbentuk segi empat siku – siku.sehingga dapat lebih


optimal proses penyerapan tipe kolektor jenis prismatik ini dapat dilihat seperti Gambar (2-1) berikut.

Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic Sumber : lit 9

2.2.2 Kolektor Surya plat Datar Kolektor surya type plat datar adalah type kolektor surya yang dapat menyerap energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada proses penggunaannya dapat lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi panjang seperti pada Gambar (2-2) dibawah ini.


Gambar 2-2. kolektor surya plat datar Sumber : lit 8

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air. Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah.


Gambar 2-3. Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana Sumber: lit 12

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan.

2.2.3. Concentrating Collectors Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperature antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.


Gambar 2-4. Konsentrator Sumber: Lit 12

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 4000C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada Gambar (2-4) diatas.

2.2.4. Evacuated Tube Collectors Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.


Gambar 2-5. Evacuated Receiver Sumber: lit 12

2.3

Aplikasi Energi Matahari Ada bermacam-macam aplikasi teknologi yang telah dikembangkan untuk

mengambil manfaat energi surya. Teknologi tersebut dapat dibaca lebih jauh berikut ini.

2.3.1 Pemanasan Air Penyediaan air panas sangat diperlukan oleh masyarakat, baik untuk mandi maupun untuk alat antiseptik pada rumah sakit dan klinik kesehatan. Penyediaan air panas ini memerlukan biaya yang besar karena harus tersedia sewaktu-waktu dan biasanya untuk memanaskan digunakan energi fosil ataupun energi listrik. Namun dengan menggunakan pemanas air tenaga surya maka hal ini bukan merupakan masalah karena pemanasan air dilakukan dengan menyerap panas matahari dengan menggunakan kolektor sehingga tidak memerlukan biaya bahan bakar.


Gambar 2-6. Sistem Pemanas Air Sumber : lit 11

Prinsip kerjanya adalah panas dari matahari diterima oleh kolektor yang terdapat di dalam terdapat pipa-pipa berisi air. Panas yang diterima kolektor akan diserap oleh air yang berada di dalam pipa sehingga suhu air meningkat. Air dingin dialirkan dari bawah sedangkan air panasnya dialirkan lewat atas karena massa jenis air panas lebih kecil daripada massa jenis air dingin (prinsip thermosipon). Air ini lalu masuk ke dalam penyimpan panas. Pada penyimpan panas, panas dari air ini dipindahkan ke pipa berisi air yang lain yang merupakan persediaan air untuk mandi/antiseptik. Sedangkan air yang berasal dari kolektor akan diputar kembali ke kolektor dengan menggunakan pompa atau hanya menggunakan prinsip thermosipon. Persediaan air panas akan disimpan di dalam tangki penyimpanan yang terbuat dari bahan isolator thermal. Pada sistem ini terdapat pengontrol suhu jika suhu air panas yang dihasilkan kurang dari yang diinginkan maka air akan dimasukkan kembali ke tangki penyimpan panas untuk dipanaskan kembali. Kolektor yang digunakan pada pemanas air tenaga panas matahari ini adalah kolektor surya plat datar yang bagian atasnya terbuat dari kaca yang berwarna hitam redup sedangkan bagian bawahnya terbuat dari bahan isolator yang baik sehingga panas yang terserap kolektor tidak terlepas ke lingkungan. Air


panas di dalam kolektor bisa mencapai 82 C sedangkan air panas yang dihasilkan tergantung keinginan karena sistem dilengkapi pengontrol suhu.

2.3.2 Distilasi Air Salah satu manfaat dari sinar matahari adalah menguapkan air (distilasi). Skema sistem distilasi dapat dilihat pada Gambar (2-7) dibawah ini.

Gambar 2-7. Sistem Distilasi Air Sumber : lit 10

Cara kerjanya adalah sebuah kolam yang dangkal, dengan kedalaman 25mm hingga 50 mm, ditututup oleh kaca. Air yang dipanaskan oleh radiasi matahari, sebagian menguap, sebagian uap itu mengembun pada bagian bawah dari permukaan kaca yang lebih dingin. Kaca tersebut dimiringkan sedikit 10 derajat untuk memungkinkan embunan mengalir karena gaya berat menuju ke saluran penampungan yang selanjutnya dialirkan ke tangki penyimpanan. 2.3.3 Penerangan Ruangan Adalah teknik pemanfaatan energi matahari yang banyak dipakai saat ini. Dengan teknik ini pada siang hari lampu pada bangunan tidak perlu dinyalakan sehingga menghemat penggunaan listrik untuk penerangan. Teknik ini dilaksanakan dengan mendesain bangunan yang memungkinkan cahaya matahari bisa masuk dan menerangi ruangan dalam bangunan. 2.3.4 Kompor Matahari Prinsip kerja dari kompor matahari adalah dengan memfokuskan panas yang diterima dari matahari pada suatu titik menggunakan sebuah cermin cekung


besar sehingga didapatkan panas yang besar yang dapat digunakan untuk menggantikan panas dari kompor minyak atau kayu bakar.

Gambar 2-8. Kompor Matahari Sumber : lit 13 Untuk diameter cermin sebesar1,3 meter kompor ini memberikan daya thermal sebesar 800 watt pada panci. Dengan menggunakan kompor ini maka kebutuhan akan energi fosil dan energi listrik untuk memasak dapat dikurangi.

2.3.5 Pengeringan Hasil Pertanian Hal ini biasanya dilakukan petani di desa-desa daerah tropis dengan menjemur hasil panennya dibawah terik sinar matahari. Cara ini sangat menguntungkan bagi para petani karena mereka tidak perlu mengeluarkan biaya untuk mengeringkan hasil panennya. Berbeda dengan petani di negara-negara empat musim yang harus mengeluarkan biaya untuk mengeringkan hasil panennya dengan menggunakan oven yang menggunakan bahan bakar fosil maupun menggunakan listrik.


2.3.6 Sistem Fotovoltaik Sel surya bekerja dengan mengubah secara langsung sinar matahari menjadi listrik. Elektron-elektron di dalam bahan semikonduktor, bahan yang digunakan untuk menangkap sinar matahari, akan bergerak ketika energi matahari dalam bentuk foton menabraknya. Energi matahari yang memaksa elektron berpindah, terjadi secara terus menerus, dan akibatnya terjadi pula produksi listrik yang kontinyu. Proses tersebut, yang mengubah sinar matahari (foton) menjadi listrik (tegangan), disebut dengan efek fotovoltaik. 2.3.7 Sel Surya Film Tipis Sel surya film tipis menggunakan beberapa lapis bahan semikonduktor dengan ketebalan dalam skala mikrometer. Teknologi tersebut memungkinkan untuk membuat sel surya yang diintegrasikan dengan atap rumah hingga skylight. Bahkan sel surya untuk aplikasi tersebut didesain mempunyai kekuatan yang sama dengan atap rumah sebenarnya.

Gambar 2-9. Sel surya film tipis Sumber: lit 14


2.3.8 Sel Surya Terkonsentrasi Beberapa sel surya juga didesain untuk bekerja dengan sinar matahari yang difokuskan (concentrated sunlight). Sel-sel surya tersebut diintegrasikan ke dalam kolektor sinar matahari yang biasanya menggunakan lensa untuk memfokuskannya ke atas sel surya. Ada beberapa keuntungan dan kerugian dengan menggunakan teknik ini jika dibandingkan dengan panel surya pelat datar. Tujuan utamanya adalah menggunakan sesedikit mungkin bahan semikonduktor yang

mahal

sembari

meningkatkan

efisiensinya

dengan

lebih

banyak

melipatgandakan energi matahari yang mengenai permukaan sel. Tetapi karena lensa harus diarahkan ke matahari, penggunaan kolektor menjadi dibatasi oleh lokasi atau wilayah yang paling banyak mendapatkan sinar matahari. Hampir sama dengan panel surya pelat datar, teknologi ini juga bisa dipasang di atas perangkat penjejak matahari yang sederhana, tetapi sebagian besar menggunakan perangkat yang canggih. Akibatnya, pemakaian teknologi sel surya ini masih terbatas pada perusahaan listrik, industri dan bangunan-bangunan besar.

2.3.9. Pembangkit Listrik Tenaga Matahari Sebagian besar pembangkit listrik yang ada saat ini menggunakan bahan bakar fosil sebagai sumber panas untuk mendidihkan air. Uap air yang dihasilkan kemudian memutar turbin, yang pada akhirnya menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik. Tetapi kini mulai banyak pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya, menggunakan matahari sebagai sumber panas. Ada tiga tipe utama sistem konsentrator surya, yaitu : parabolic, dish/engine, menara pembangkit Sistem parabolik memusatkan energi sinar matahari dengan menggunakan cermin panjang berbentuk U. Cermin-cermin tersebut diatur mengarah sinar matahari dan memusatkan sinar matahari ke sebuah pipa berisi minyak yang memanjang di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Minyak panas tersebut digunakan untuk mendidihkan air di generator uap konvensional dan menghasilkan listrik.


Gambar 2-10. Kolektor surya parabolik Sumber: lit 14

Sistem dish/engine menggunakan piringan cermin untuk mengumpulkan sinar matahari pada sebuah penerima yang berfungsi untuk menerima sinar matahari dan memindahkan panasnya ke cairan yang berada di dalam mesin. Panas yang terjadi mengakibatkan cairan di dalam mengembang dan menekan piston atau turbin dan menghasilkan energi mekanis. Energi mekanis tersebut kemudian digunakan untuk memutar generator ataupun alternator untuk menghasilkan listrik. Sementara itu, menara pembangkit menggunakan cermin dalam jumlah yang besar dan ditempatkan di suatu lokasi yang luas untuk mengumpulkan sinar mataharidan memusatkannya ke bagian atas sebuah menara dimana sebuah penerima ditempatkan. Panas yang dihasilkan mencairkan garam yang kemudian mengalir untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan dari air panas digunakan untuk memutar generator uap konvensional. Garam cair bisa menyimpan panas


dalam waktu yang lama. Artinya listrik bisa dihasilkan pada saat matahari telah terbenam atau pada saat langit sangat berawan.

2.4. Jenis-Jenis Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah – daerah tersebut. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda: radiasi (radiation), konduksi (conduction ; juga dikenal dengan istilah hantaran), dan konveksi (convection; juga dikenal dengan istilah ilian).

2.4.1 Radiasi Jika suatu benda ditempatkan di dalam sebuah ruangan, dan suhu dinding – dinding ruangan lebih rendah dari pada suhu benda maka suhu benda tersebut akan turun sekalipun ruangan tersebut ruang hampa. Proses dengan perpindahan panas dari suatu benda terjadi berdasarkan suhunya tanpa bantuan dari suatu zat antara (medium) disebut radiasi termal. Defenisi lain dari radiasi termal ialah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. Apa pun jenis radiasi itu, ia akan selalu merambat dengan cm/s. Kecepatan ini sama dengan hasil perkalian

kecepatan cahaya,

panjang gelombang dengan frekuensi radiasi, .................................................................... 2-1 (lit 3 hal 341) Dimana: c = kecepatan cahaya (cm/s) = panjang gelombang (cm) = frekuensi (Hz) Satuan

boleh centimeter, angstrom (

cm), atau mikrometer (1µm =

. Radiasi termal terletak dalam rentang antara 0,1 – 100 µm, sedangkan bahagian cahaya tampak dalam spektrum itu sangat sempit, yaitu terletak antara kira – kira 0,35 – 0,75 µm.


2.4.1.1 Sifat – Sifat Radiasi Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian radiasi itu dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi).

Radisi datang

Refleksi

Absorpsi

Transmisi Gambar 2-11. Bagan menunjukkan pengaruh radiasi datang.

Jika

disebut refleksifitas,

disebut absorptivitas,

disebut transmitivitas, maka

hubungan ketiganya adalah

Karena benda padat tidak meneruskan radiasi termal, maka transmisivitas dianggap nol. Sehingga,

Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu permukaan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dapat dikatakan refleksi itu spekular (specular). Di lain pihak, apabila berkas yang jatuh itu tersebar merata ke segala arah sesudah refleksi maka refleksi itu disebut baur (diffuse).

(a)


(b) Gambar 2-12. Refleksi cahaya (a) Spekular, (b) Baur

Releksi spekular memberikan bayangan cermin dari sumber itu kepada pengamat. Tetapi tidak ada permukaan yang sebenarnya yang hanya spekular atau baur. Sebuah cermin biasa tentu bersifat spekular untuk cahaya tampak tetapi belum tentu bersifat spekular untuk keseluruhan rentang panjang gelombang radisi termal. Biasanya, permukaan kasar lebih menunjukkan sifat baur dari pada permukaan yang mengkilap.

2.4.1.2 Daya Emisi dan Emisivitas Benda Daya emisi (emissive power) E suatu benda ialah energi yang dipancarkan benda itu persatuan luas per satuan waktu. Dalam suatu ruangan tertutup terbuat dari benda hitam sempurna yaitu yang menyerap seluruh radisi yang menimpanya, ruang itu juga akan memancarkan radiasi. Besarnya fluks radiasi yang diterima ruangan itu ialah

W/m2. Jika suatu benda ditempatkan di ruangan tersebut dan

dibiarkan mencapai kesetimbangan, maka energi yang diserap benda itu mesti sama dengan energi yang dipancarkan; sebab, jika tidak, tentu ada energi yang mengalir masuk atau keluar benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun atau yang disebut dengan hukum kesetimbangan energi. Pada kesetimbangan dapat ditulis ............................................................... 2-2 (lit 3 hal 344) Dimana: E = Daya emisi (W/m2) A = Luas permukaan (m2)


= Fluks radiasi (W/m2) = Emisivitas

Jika dalam ruangan itu diganti dengan benda hitam sempurna yang bentuk dan ukurannya sama, dan benda hitam itu di biarkan mencapai kesetimbangan dengan ruang itu pada suhu yang sama, maka ......................................................... 2-3 (lit 3 hal 344)

Dimana: = Daya emisi benda hitam (W/m2)

Jika persamaan (2-2) dibagi dengan persamaan (2-3), diperoleh

Perbandingan daya emisi suatu benda dengan benda hitam pada suhu yang sama ialah sama dengan absorptivitas benda itu. Perbandingan ini yang disebut dengan emisivitas benda. Maka, ....................................................................... 2-4 (lit 3 hal 345) Sehingga:

........................................................................ 2-5 (lit 3 hal 345)

Dimana: = Emisivitas benda

2.4.1.3 Stefan-Boltzmann Law Bilangan Stefan-Boltzmann diperoleh dari pengembangan hukum Planck, dimana daya emisi total yang diberikan benda hitam merupakan integrasi dari emisi monokromatik benda hitam pada perubahan panjang gelombang.

............................. 2-6 (lit 8 hal 530) Dimana: = Panjang gelombang (µm) C1 = 3,743 x 108 (W µm4/m2)` C2 = 1,4387 x 104 (µm.K)


= daya emisi monokromatik (W/m2) = daya emisi monokromatik benda hitam (W/m2)

Jika

, maka

saat

= ∞, maka

saat

= 0, maka

, atau

dx

Karena maka


Daya emisi benda hitam per satuan luas: Dimana: = konstanta stefan-Boltzmann (W/m2 K4)

W/m2K4

Benda hitam (black body) memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding lurus dengan luas permukaan. ...................................................... 2-7 (lit 3 hal 13)

Pertukaran radiasi dalam ruang kurung antara dua permukaan dengan luas A dan emisivitas benda

berbanding lurus dengan

perbedaan suhu absolut

pangkat empat. .............................. 2-8 (lit 3 hal 14)

2.4.1.4 Radiasi surya Radiasi surya (solar radiation) merupakan suatu bentuk radiasi thermal yang mempunyai distribusi panjang gelombang khusus. Intensitasnya sangat bergantung dari kondisi atmosfer, saat dalam tahun, dan sudut timpa (angle of incidence) sinar matahari dipermukaan bumi. Pada batas luar atmosfer, iradiasi surya total ialah 1395 W/m2 bilamana bumi berada pada jarak rata-ratanya dari matahari. Angka ini disebut konstanta surya (solar constant). Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer. Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung


dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimum akan mencapai permukaan bumi bilamana berkas sinar itu langsung menimpa permukaan bumi, karena terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang dan berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer, sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit daripada jika sudut timpanya miring terhadap normal. Matahari mempunyai diameter kira – kira 1,39 x 109 m dan massa 2 x 1030 kg dan, berjarak 1,5 x 1011 dari bumi. Untuk menghitung suhu matahari maka dapat di gunakan Persamaan 2-9 dibawah ini. ..................................................... 2-9 (lit 8 hal 571) Dimana: L

= jarak antara matahari dan bumi

Gs

= konstanta surya

r

= jari – jari matahari

sehingga:

2.4.2 Konduksi Konduksi adalah proses dengan panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah didakam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatandan posisi relatif molekul – molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat molekul – molekul bergerak, semakin tinggi suhu meupun energi dalam elemen zat. Bila molekul – molekul di satu daerah memperoleh energi kinetik rata – rata yang lebih besar dari pada yang dimiliki oleh molekul –


molekul di suatu daerah yang berdekatan, sebagaimana diujudkan oleh adanya beda suhu, maka molekul –molekul yang memiliki energi yang lebih besar itu akan memindahkan sebagian energinya kepada molekul – molekul di daerah yang bersuhu lebih rendah. Konduksi adalah satu – satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak dapat tembus cahaya. Konduksi penting dalam fluida, tetapi di dalam medium yang bukan padat biasanya tergabung dengan konveksi, dan radiasi. Energi berpindah secara konduksi (conduction ) atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradien suhu normal:

Jika dimasukkan konstanta proporsionaliltis atau tetapan kesebandingan, maka ............................................... 2-10 (lit 3 hal 2) Dimana: q

= Laju perpindahan panas ( W )

k

= Konduktifitas Termal yang searah dengan perpindahan kalor ( W / m.oC)

A

= Luas Penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

dT/dx

= Gradien temperatur dalam arah aliran panas ( oC/m )

Tanda minus diselipkan untuk memenuhi hukum kesua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Persamaan 2-10 disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor. Persamaan (2-10) merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal. Berdasarkan rumusan itu maka dapat dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas berbagai bahan. Nilai konduktivitas berbagai bahan dapat dilihat pada tabel dan grafik dibawah ini.


Daftar 2-1. Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 oC

Sumber: lit 3 hal 7


Gambar 2-13. Konduktivitas termal beberapa gas (1 W/m. oC = 0,5779 Btu/h.ft oF) Sumber: lit 3 hal 8

Gambar 2-14. Konduktivitas termal beberapa zat zair Sumber: lit 3 hal 9


Gambar 2-15. Konduktivitas termal beberapa zat padat Sumber: lit 3 hal 9

2.4.3 Konveksi Konveksi adalah proses transver energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel – partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel fluida ini. Kemudian partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam fluida dimana partikel tersebut akan bercamp\ur dan memindahkan sebaian energinya pada partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi. Energi disimpan didalam partikel – partikel fluida dan diangkut sebagai akibat gerakan massa partikel tersebut.


Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas ( free convection)dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan cara alirannya. Bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu, maka proses ini yang disebut dengan konveksi bebas atau alamiah (natural). Bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa.

Aliran

Arus bebas T∞

u q Tw dinding

Gambar 2-16. Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat

Pada Gambar (2-16) suhu plat ialah Tw dan suhu fluida T∞. Kecepatan aliran seperti Gambar (2-16) yaitu nol pada permukaan plat sebagai akibat aksi kental viskos (viscous action). Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding fluida adalah nol maka disini kalor hanya dapat berpindah dengan cara konduksi saja. Jadi, dapat dihitung perpindahan kalornya dengan menggunakan rumus konduksi Persamaan (2-10),dengan menggunakan konduktivitas termal fluida dan gradien suhu pada dinding. Gradien suhu bergantung pada laju fluida membawa kalor dari permukaan-dalam plat tersebut. Kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar, demikian juga sebaliknya. Gradien suhu pada dinding bergantung dari medan aliran. Pengaruh konduksi secara menyeluruh pada fluida disebut dengan perpindahan kalor secara konveksi. Rumus empiris perpindahan kalor konveksi digunakan hukum Newton tentang pendinginan:


................................. 2-11 (lit 3 hal 11) Dimana: h

= Koefisien perpindahan kalor konveksi ( W / m2 oC)

A

= Luas permukaan (m2)

Tw

= Temperatur dinding (oC )

T∞

= Temperatur fluida (oC )

Q

= Laju perpindahan panas konveksi ( Watt )

Disebut pendinginan karena fluida yang dialirkan melalui plat tersebut digunakan untuk mendinginkan plat itu juga. Laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. Perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida disamping ketergantungannya pada sifat – sifat termal fluida ( kondukt ivitas termal, kalor spesifik, densitas). Hal ini dapat dimengerti karena viskositas mempengaruhi profil kecepatan, dan karena itu mempengaruhi laju perpindahan energi didaerah dinding.

2.5

Perpindahan kalor di sepanjang pipa Uraian perhitungan perpindahan kalor disepanjang pipa seperti Gambar

(2-17) adalah sebagai berikut.

Gambar 2-17. Volume kendali untuk analisis energi dalam tabung

Suhu dinding ialah Tw, jari – jari tabung ro, dan kecepatan pada pusat tabung uo. Distribusi kecepatan diturunkan dengan memperhatikan unsur unsur fluida seperti Gambar 2-18 dibawah ini.


Gambar 2-18 Neraca gaya pada unsur fluida dalam aliran tabung

Gaya tekan

:

Gaya geser viskos

:

Gaya tekanan diimbangi oleh gaya geser viskos, sehingga

Atau

dan ........................................................... 2-12 Dengan kondisi batas

Kecepatan pada pusat tabung .......................................................................... 2-13

Sehingga distribusi kecepatan dapat ditulis sebagai


........................................................................ 2-14 Dimana:

= kecepatan aliran fluida pada jari – jari tabung = r = kecepatan aliran aliran fluida di pusat tabung ,r = 0

Fluks kalor pada dinding tabung konstan

Aliran kalor yang dikonduksikan kedalam unsure anulus adalah

Dan kalor yang dihantar keluar

Kalor yang dikonveksi keluar unsur

Neraca energi adalah energi neto yang dikonveksi keluar = kalor neto yang dikonduksi kedalam atau dengan mengabaikan diferensial orde kedua, maka

Yang dapat ditulis kembali sebagai

...................................................................... 2-15


Karena fluks kalor tetap sehingga suhu fluida rata – rata bertambah secara linear dengan x, sehingga

Hal ini berarti bahwa profil suhu pada berbagai posisi x sepanjang tabung itu akan serupa. Kondisi batas untuk Persamaan 2-15 adalah =0

pada r = 0

Dengan menganggap bahwa sifat – sifat fluida dalam aliran tetap maka Persamaan 2-14 disubstitusikan kedalam Persamaan 2-15

Integrasi menghasilkan

Dan integrasi kedua memberikan

Dengan menerapkan kondisi batas (r = 0), maka diperoleh temperatur pada pusat tabung ( ):


Distribusi temperatur (T) saat laju aliran fluida di r adalah ............................................................ 2-16

Dalam aliran tabung koefisien perpindahan kalor konveksi didefenisikan: ) Dimana: Tw

= Suhu dinding (oC)

Tb

= Suhu limbak (oC)

Suhu limbak (bulk temperature) adalah suhu fluida yang dirata – ratakan energinya diseluruh penampang tabung yang dapat dihitung dari: .......................................................... 2-17

Jika diketahui temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar pipa maka suhu limbak menjadi, .......................................................................... 2-18

Suhu limbak digunakan dalam merumuskan koefisien perpindahan kalor dalam aliran tabung. Dalam aliran tabung tidak dapat kondisi aliran bebas. Pada setiap posisi x, suhu yang menunjukkan energi total yang mengalir ialah suhu rata – rata massa-energi yang terintegrasi keseluruh bidang aliran. Pembilang pada Persamaan(2-17) menunjukkan energi total yang mengalir melalui tabung. Penyebut adalah hasil perkalian aliran massa dan kalor spesifik, yang diintegrasikan di seluruh bidang aliran. Jadi suhu limbak menunjukkan keseluruhan energi yang mengalir pada suatu lokasi tertentu. Suhu limbak sering disebut suhu ”mangkuk pencampur” (”mixing cup” temperature) karena suhu itu yang akan dicapai fluida kalau ditempatkan di dalam ruang pencampur dan


dibiarkan mencapai kesetimbangan. Suhu limbak merupakan fungsi linear x karena flux kalor pada dinding tabung itu konstan.

Dari Persamaan (2-17) diperoleh Suhu limbak: ............................................................ 2-19

Suhu dinding: .................................... 2-20 (lit 3 hal 231)

Kalor yang diterima oleh fluida secara konveksi sama dengan kalor yang dilepas pipa secara konduksi saat laju aliran fluida nol (r = ro) sehingga hubungan perpindahan kalor konveksi dan konduksi adalah:

................................................ 2-21

gradien suhu diberikan oleh

............................................................... 2-22


Dengan mensubstitusikan Persamaan (2-19),(2-20), (2-22) kedalam Persamaan (2-21) maka diperoleh

atau dengan menggunakan bilangan nusselt, maka: ...................................................................... 2-23

Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran laminar dalam tabung: ....................................... 2-24

Persamaan (2-24) berlaku jika:

Dimana: = Bilangan Nusslet = Bilangan Reynolds = Bilangan Prandtl = Viskositas dinamik suhu fluida(kg/m.s) = Viskositas dinamik pada suhu dinding pipa (kg/m.s) = Massa jenis fluida (kg/m3) = diameter pipa (m) = Panjang pipa (m)


Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran turbulen dalam tabung: ................................................................. 2-25

Nilai eksponen n adalah: n = 0,4 untuk pemanasan n = 0,3 untuk pendinginan Persamaan (2-25) berlaku untuk aliran turbulen dengan angka Prandtl-nya berkisar antara 0,6 sampai 100.

2.6

Efisiensi Termal Jika ditinjau dari laju aliran massa fluida, banyaknya kalor yang

dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah ................................................................. 2-26

Jika ditinjau dari perpindahan kalor secara konveksi, banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah ............................................................. 2-27

Karena nilai temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar (Tb2) pipa yang diperoleh dari penelitian ini maka, formula perpindahan kalor dari pipa ke fluida menggunakan Persamaan (2-26), Jika ditinjau sumber kalor pipa (berasal dari intensitas cahaya) maka Fluks kalor pada dinding pipa adalah ....................................................................................... 2-28 Dimana: I = Intensitas cahaya (W/m2) A = luas penampang (m2)

Dengan memperhitungkan faktor – faktor atau penyebab hilangnya kalor, dimana nilainya dimasukkan dalam suatu konstanta efisiensi ( ) maka hubungan fluks kalor dengan perubahan temperatur fluida di dalam pipa adalah:


.................................................................................. 2-29

Sehingga efisiensi termal, ......................................................... 2-30

Fluks kalor berpindah secara konduksi di sepanjang penampang pipa maka, .......................................................................... 2-31

Jika Persamaan(2-32) disubstitusikan ke Persamaan (2-30) diperoleh,

Dimana k, A, cp merupakan konstanta sehingga, ............................................................................ 2-32

Dari Persamaan (2-33) dapat dilihat bahwa efisiensi termal dan perubahan temperatur disepanjang pipa ekuivalen dengan laju aliran massa dan perubahan temperatur fluida. Karena fluks kalor konstan maka,

Apabila laju aliran massa fluida dinaikkan di ikuti dengan meningkatnya nilai efisiensi termal dan perubahan temperatur fluida maka, dapat disimpulkan bahwa kemampuan fluida untuk menyerap kalor dari dinding pipa juga semakin besar sehingga dapat mengurangi kalor yang hilang.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents