BAB IV PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC TROUGH
4.1. Perhitungan Akibat Gerakan Semu Harian Matahari 4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi Untuk mengetahui sudut deklinasi (δ) menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ]: (2.4) δ =23,45 sin
(
)
Dimana n adalah hari ke-n [Wiliam A. Beckman Halaman 14] dalam 1 tahun( 1 untuk tanggal 1 Januari dan 365 untuk 31 Desember,penelitian dilakukan pada tanggal 7 juni maka n = 158 δ = 23,45 sin
(
)
= 22,74 o 4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu Untuk mengetahui persamaan waktu (E) menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.6) E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B 0,04089 sin 2B} Untuk mencari nilai B menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.7)
39
40
Dengan B =
(
B=
(
)
)
=154,85o Maka : E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos (154,85 0) – 0,032077 sin (154,85 0) 0,014615 cos (2 x 154,850) - 0,04089 sin (2 x 154,850) } =1,576 menit
4.1.3 Perhitungan waktu surya Untuk mengetahui waktu surya kita bisa menggunkan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.8) Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E] Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data : penelitan ini mengambil waktu antara jam 09.00 wib – 14.00 wib maka : Standart Time = 12:00:00 AM Solar Time = Standart Time + [4 (255 – 253) + 1,576] =12:09:57
4.1.4 Perhitungan Sudut Jam Untuk mengetahui sudut jam ( ) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.5) = 15° (ST – 12:00:00)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
41
= 15° (12:09:57 – 12:00:00) = 2,48° 4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith Untuk mengetahui sudut zenith ( z) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.9) cos z
cos ∅ cos
= cos
sin ∅
+ sin
= cos 22,74° cos (–6,2°) cos 2,48°) + sin 22,74° sin (–6,2°) z
= 29,04°
4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari Untuk mengetahui sudut altitude matahari (αs) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.10) αs = 90° - z = 90° - 29,04° = 60,96°
4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari Untuk mengetahui sudut azimuth matahari ( [Wiliam A. Beckman ] (2.11) Dengan
= =
( ,
(
°) (
,
, °)
= 4,715 o
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
°)
)bisa menggunakan persmaan
42
4.2. Komponen Radiasi Masukan System 4.2.1. Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial Untuk mengetahui radiasi ekstraterrestrial pada bidang horizontal (G0) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.12) G0 = Gsc (1 + 0.033 cos = 1353 (1 + 0.033 cos
°.
.
° °. °
) . cos (29.04°)
= 1149,12 W/m2
4.2.2 Perhitungan Indeks Keerahan Langit Untuk mengetahui indeks keerahan langit (KT) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.13) KT = =
, ,
= 0,585
4.2.3 Perhitungan Radiasi Hambur (Diffuse) Untuk mengetahui Radiasi hambur (diffuse) (Gd) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.14) Untuk : 0,22 ≤ kT ≥ 0,80 Maka Gd = G (0,9511 – 0,1604 kT + 4,388 kT 2 – 16,638kT3 + 12,336 kT4) Gd = 317,92 W/m2
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
43
4.2.4
Perhitungan Radiasi Langsung (Beam) Gb = G – Gd = (672,480 – 317,92) W/m2 = 354,56 W/m2
4.2.5
Perhitungan Radiasi Masukan GT = Gb.Rb + Gd (
) + G.
= 354,56 x 1 + 317,92(
g(
( °)
= 672,480 W/m2
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
) ) + 672,480 x 0.6 (
( °)
)
44
4.3. Perhitungan Pada System Parabolic Trough 4.3.1. Menetukan Dimensi Parabolic Trough Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = 4px2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbuy,p adalah jarak titik focus dan parabola.posisi titik parabola bisa dilihat pada table 4.1 dan geometri parabola didapat dengan menggambarkan titik-titik koordinat ini seperti terlihat pada gambar 4.1 dibawah ini. Table 3.1 titik-titik parabola pada sumbu-x dan sumbu-y
x (cm)
y(cm)
-500 -437.5 -375 -312 -250 -187 -125 -62.5 0 62.5 125 187.5 250 312.5 375 437.5 500
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
250 191.41 140.63 97.66 62.5 35.16 15.63 3.91 0 3.91 15.63 35.16 62.5 97.66 140.63 191.41 250
45
parabola 300 200 100 0 -600
-400
-200
y(cm) 0
200
400
600
Gambar 4.1 Geometri parabola 4.3.2
Perhitungan Luas Arperture Area (Aa) Untuk mengetahui luas arperture area (Aa) bisa menggunakan persamaan
[Wiliam A. Beckman ] (2.18) Aa = P x L = 1500 x 1000 = 1500000 mm = 1,5 m2
4.3.3
Perhitungan Luas Pipa Absorber (Ar) Untuk mengetahui luas pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan
[Wiliam A. Beckman ] (2.19) Ar = π.d.l = 3,14 x 0,0127 x 1,75 = 0,060 m2
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
46
4.3.4
Rasio Konsentrasi (Cr) Untuk mengetahui Rasio konsentrasi (Cr) bisa menggunakan persamaan
[Wiliam A. Beckman ] (2.20) Cr = =
, ,
= 25
4.3.5
Perhitungan sudut rim (
r)
Untuk mengetahui sudut rim ( r) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.21) r=
2 tan-1
= 2 tan-1
,
= 100 o
4.3.6
Perhitungan Factor Geometri (Af) Untuk mengetahui Factor Geometri (Af) bisa menggunakan persamaan
[Wiliam A. Beckman ] (2.22) (
)
Af = ,
=
,
(
,
)
.
= 0,34
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
47
4.3.7
Perhitungan efisiensi optic ( 0) Untuk mengetahui efisiensi optic ( 0) kita bisa menggunakan persamaan
[Wiliam A. Beckman ] (2.23) 0=
ρm
c
[(1-Af tan ( )) cos ( ))]
a
Asumsi – asumsi : ρm = 0,89 sputtered alumunium optical reflector c
=1
a=
tidak menggunakan cover
0,93 untuk tembaga dalam alumunium
= 0,81 dari table = 0o tepat mengarah ke matahari Karena efisiensi optic concentrator dipengaruhi oleh variable sudut incident ( ) yang berubah-ubah tiap waktu maka efisiensi optic pun bisa berubah-ubah setiap saat. Dengan sudut incident 0o berarti efisiensi pada perhitungan ini adalah efisiensi maksimum yang dapaat dicapai concentrator. Maka di dapat efisiensi optic : 0=
0,89 x 1 x 0,93 x 0,81[(1- 0,34 tan (0o)) cos (0o))]
= 0,67 Sedangkan untuk radiasi yang terserap pipa receiver sebesar : S = GT ρ. .
a
= 672,480 x 0,89 x 0,81 x 0,93 = 450,855 W
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
48
4.4. Desain thermal/ heat transfer collector 4.4.1. Perhitungan overall heat loss coefficient (UL) Untuk melakukan perhitungan overall heat loss coefficient (UL) kita diharuskan mencari bilangan Re Re = =
.
, ,
= 22935 Untuk aliran udara melewati pipa tunggal dengan 1000
50000 bilangan Nuselt sekitar 25% lebih besar dari pada persamaan Nu. Nu = 0,3 (Re)0,6 = 0,3 (22935) 0,6 = 124 Untuk mengetahui hw kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.26) h w =Nu = 124
, ,
= 24,8 w/m2 oC Untuk mengetahui h r kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.27) hr = 4
T3
= 4 x 5,67 x 10-8 x 0,72 x 303 3 = 4,54
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
49
Untuk mengetahui UL kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.25) UL = hw x h r = 24,8 x 4,54 = 29.34 w/m2 oC
4.4.2 Perhitungan overall heat transfer coefficient (U0) Untuk melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U0) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.28) U0 = (
+
)-1
+
Sebelum melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U0) terlebih dahulu kita harus mencari koefisien perpindahan panas dalam pipa yang mengaliri air (ℎ ) ℎ = Nu =
ṁ
=
, /
=
,
= 2474 aliran turbulen
,
Untuk aliran turbulen Nu = 0,0158Re0,8 = 0,0158 x 24740,8 = 8,19 ℎ = Nu = 8,19
, ,
= 420,98 w/m2 oC Maka U0 = (
.
+
, ,
,
+
, ,
,
= 25,72 w/m2 oC Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
,
)-1
50
4.4.3 Perhitungan efisiensi collector (F’) Untuk melakukan perhitungan efisiensi collector (F’) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.30) F’ = ,
=
,
= 0,87 Fr =
ṁ
[1 – e-(
,
=
, ,
′
[1 – e-(
,
/ṁ
,
)] ,
,
,
)]
,
= 0,842 Berdasarkan pada standard ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan (2.31) q u = Fr Aa [I
0
(
−
(
)] = ṁ
−
)
Dari persamaan ini,ruas kiri adalah rumus teoritis. Dengan asumsi-asumsi dan perhitungan yang telah dilakukan diatas didapat energy berguna dari kolektor concentrating adalah : q u = 0,842 x 1,5 [672,480 x 0,67
,
(35 − 27)]
= 369,70 watt Energy berguna ini digunakan untuk memanaskan air/fluida yang mengalir dengan laju aliran tertentu sehingga menghasilkan perbedaan temperature masuk dan temperature keluar fluida sebesar (
−
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
).
51
Untuk mencari perbedaan temperature kita bisa menggunakan persamaan (2.32) : (
qu = ṁ
,
557,20= (
−
)
x 4473,1 x (
−
)
) = 9,92 oC
−
Jadi secara teoritis solar concentrator ini dapat menghasilkan perbedaan temperature masuk dan keluar sebesar 9,92oC dengan asumsi-asumsi dan perhitungan parameter diatas. Efisiensi
termal
dari
concentrating
collector
&Beckman,1982),bisa menggunakan persamaan (2.32) = Fr [
0−
(
−
)] =
ṁ
(
= =
, ,
,
= 0,367 Maka energy yang terpakai qu adalah 369,70 watt Dan efisiensinya
adalah 0,367 x 100% = 36,7%
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
)
menurut
93
(Duffie
