Tugas Akhir Konversi Energi
ANALISA PENGARUH VARIASI DIAMETER RECEIVER DAN INTENSITAS CAHAYA TERHADAP EFISIENSI TERMAL MODEL KOLEKTOR SURYA TIPE LINEAR PARABOLIC CONCENTRATING Disusun Oleh : Hendra n y tamba
2109105003
Dosen Pembimbing : Ary Bachtiar KP, ST, MT, PhD. Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2012
Latar Belakang ENERGI FOSIL YANG SEMAKIN TERBATAS
KOLEKTOR SURYA TIPE LINEAR PARABOLIK
POLUSI
KOLEKTOR SURYA
ENERGI ALTERNATIF
ENERGI SURYA
Perumusan Masalah • Bagaimana pengaruh dari perubahan
diameter receiver dan intensitas cahaya terhadap efisiensi kolektor surya • Melakukan pengujian kolektor surya
guna mengetahui beban pemanasan dan efektivitas kolektor surya
Tujuan 1.Mengetahui besarnya energy yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy), di mana energi ini nantinya dapat dimanfaatkan sebagai sumber panas 2.Mengetahui besarnya efisiensi aktual kolektor surya 3.Mengetahui kenaikan temperatur air yang dikeluarkan kolektor surya
Batasan Masalah 1. Analisa performansi kolektor surya dilakukan pada steady-state condition. 2. Pengambilan data dilaksanakan didalam ruangan dengan menggunakan lampu sorot sebagai ganti sinar matahari. 3. Sudut datang radiasi dianggap normal terhadap bidang kolektor 4. Konsentrator atau reflektor dianggap sempurna dalam membentuk image 5. Analisa perpindahan panas satu dimensi 6. Kehilangan panas pada saluran yang menghubungkan antar komponen diabaikan 7. Kehilangan panas pada struktur penopang kolektor diabaikan
Kolektor surya Suatu alat yang digunakan untuk mengumpulkan energi radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang berguna
Jenis konfigurasi kolektor surya
a. b. c. d. e. f.
Tubular absorber with difuse back reflector Tubular absorber with specular cusp reflector Plane receiver with plane reflector Parabolic concentrator Fresnel reflector Array of heliostats with central receiver
Tinjauan pustaka Penelitian Sebelumnya : Oleh : manoon pidhuwan, teekasap, and joseph khedari
sombat
Melakukan penelitian panjang efektif (effective length) untuk kolektor surya tipe linear parabolic concentrating. Sistem dibuat dengan material lokal, antara lain lembaran stainless steel ukuran reguler (1,2 x 2,4 m) sebagai reflektor dan pipa baja karbon sebagai receiver Gambar skematik kolektor surya
Pengujian dilakukan dengan melakukan pengukuran temperatur pada lima titik posisi sepanjang pipa receiver yang dilalui oli dan pengukuran temperatur dua titik posisi di inlet dan outlet air di heat exchanger. Aliran oli diatur oleh globe valve menjadi 5 macam laju aliran massa yaitu, 0.295, 0.345, 0.415, 0.515, dan 0.685 kg/menit. Dari penelitian ini diketahui bahwa panjang kolektor dan pipa receiver pada kolektor surya dapat dipendekkan ¼ dari panjang total dengan konsekuensi adanya penurunan temperatur sekitar rata-rata 3,253 %.
Oleh : Afri argiawan Melakukan penelitian panjang efektif untuk kolektor surya tipe linear parabolic. Sistem di buat dengan material stainless steel ukuran 1 x 2 m sebagai reflektor dan pipa tembaga sebagai receiver dengan ukuran 1/2 inch
Gambar kolektor surya Pengujian dilakukan dengan melakukan pengukuran temperatur pada 2 titik posisi sepanjang pipa receiver yang dilalui fluida (air) dan pengukuran temperatur 2 titik posisi di inlet dan outlet kolektor. Aliran air diatur oleh valve menjadi 3 macam laju aliran massa yaitu, 0.02, 0.03, 0.04 kg/s. Dari penelitian ini diketahui bahwa laju aliran massa untuk hasil temperature maksimum adalah sebesar 0.02 kg/s, Quseful sebesar 345, 57 watt, dengan efisiensi actual rata – rata sebesar 22.81%.
Dasar Teori
Geometri kolektor surya •Sudut Rim
• Jari – jari mirror (rr)
• Panjang focal ( f )
f =
r + r.cos Φ 2
• Diameter Receiver ( D )
• Diameter Semi lingkaran receiver ( W )
• Perpindahan panas Radiasi
• Perpindahan Panas Konduksi pada Silinder qr =
2.π .L.k .(Ts ,1 − Ts ,2 ) ln( r2 / r1 )
• Perpindahan Panas Konveksi = q h. A.(Ts − T ∞ )
• Konveksi Paksa Aliran dalam Pipa f 8 ) (Re d − 1000) Pr ( Nud = 12 1 + 12, 7 ( f 8 ) ( Pr 2 3 − 1)
= f (0, 79 ln Re− 1, 64) −2
• Koefisien Radiasi Linear, hr,c-a hr ,c − a =
4 σε (Tr4 − Tsky )
(Tr − Ta )
= Tsky 0, 052(Ta + 273)1,5
• Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Udara ρ .V .D Luar Re = D
µ
• Untuk forced convection (Gr/Re2<1), persamaan Nusselt antara lain untuk 0,1 < Re < 1000 Nu = 0, 4 + 0,54 Re0,52
Nu = 0,3Re0,6
untuk 1000 < Re < 50000
• faktor efisiensi kolektor F’ 1/ U L F = D D D 1 + o + o ln o U L h fi Di 2k Di '
• faktor aliran kolektor F” ' F mC A U F '' R P 1 − exp r L = = F • F ' ArU L F ' m C P •
• Heat removal faktor kolektor FR = F ' .F ''
• Quseful teoritis Ar Qu =FR Aa S − U L (T fi − Ta ) Aa
• Quseful aktual •
= Qu m .CP T f
out
− T f in
• Efisiensi Kolektor Qu η= Ac .IT
Flowchart Tugas Akhir
Skema pengujian kolektor surya Keterangan gambar : A. Reflektor B. Kran bypass C. Rotameter D. Pompa centrifugal E. Pipa receiver F. Bak penampung air dingin G. Bak penampung air panas H. Lampu Sorot (6)
Diagram alir pengambilan data
START
Diagram Alir Perhitungan Data
Temperatur fluida kerja masuk kolektor (Tf,i). Temperatur fluida kerja keluar kolektor (Tf,o). Temperatur udara ambient (Ta). Temperatur pipa absorber (Tr) Kecepatan angin (vw) Intensitas radiasi (IT) Debit fluida kerja (Qf)
m dot = 0,02 kg/detik
S = Ib.ρ .γα Perpindahan panas antara pipa receiver dengan udara sekitar
ρ .V.D Re = ϖ
GR =
Ra =
g.β '.(Ts − T∞ ).D 3 υ.α
Ya
Nu = 0,4 + 0,54 Re 0,52
0,387.Ra 1 / 6 Nu = 0,6 + 1 + (0,559 / Pr)9 / 16
[
8 / 27
hr ,r −a =
σ .ε .(Tr4 − Tsky4 ) Tr − Ta
•
4. m Re = π .µ.Di
g.β '.∆T .D υ2
GR <1 Re 2
Tidak
Perpindahan panas di dalam pipa receiver dengan air
2
]
A
Ya
Re < 1000
Tidak
B
Nu = 0,3 Re 0,6
C
A
hw =
B
C
Nu.k f
Ya
Re >2500
D Nu =
Tidak
UL =
1 1 1 + hw hr ,r − a
d Nu = 1,86(Re . Pr)1 / 3 L
1/ 3
µ µw
h fi =
Faktor efisiensi kolektor F’
F'=
1/ U L D Do D 1 + + o ln o U L h fi .Di 2.k .Di
Faktor aliran kolektor F”
1 − exp Ar .U L .F ' . Ar .U L .F ' m .C p .
F"=
m .C p
Faktor heat removal FR
FR = F '.F " Panas berguna teoritis Qu,teo
A Qu ,teo = FR . Aa . S − r .U L .(T fi − Ta ) A a Panas berguna aktual Qu,akt •
Qu ,akt = m .C p .(T fo − T fi )
A1
0 ,14
Nu.k f Di
( f / 8)(Re − 1000) Pr 1 + 12,7( f / 8)1 / 2 (Pr 2 / 3 − 1)
A1 Kehilangan panas kolektor
Qloss = U L . Ar .(Tr − U a )
Efisiensi kolektor
η=
Qu Aa .I T
Plot grafik : à Tfo = f(intensitas,diameter pipa) à UL = f(intensitas, diameter pipa) à Quseful,teo = f(intensitas,diameter pipa) à Quseful,act =f(intensitas,diameter pipa) à ηteo = f(intensitas,diameter pipa) à ηact = f(intensitas,diameter pipa) à F’ = f(intensitas,diameter pipa) à Qloss = f(intensitas,diameter pipa)
END
Grafik hasil Grafik Pengaruh Intensitas dan diameter pipa terhadap Temperatur Air Keluar Kolektor (Tfo) Tfo fungsi intensitas radiasi
100 90 80
T fluida out( ͦC)
70 60
3/8 inch
50
1/2 inch 5/8 inch
40 30 20 10 0 0
100
200 Intensitas Radiasi ( W/m2)
300
400
Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter pipa terhadap Koefisien Kehilangan Panas Kolektor (UL) UL fungsi intensitas radiasi 10 9 8
UL ( W/m2.C )
7 6 3/8 inch
5
1/2 inch
4
5/8 inch
3 2 1 0 0
50
100
150
200
250
Intensitas Radiasi (W/m2)
300
350
400
Grafik Pengaruh Intensitas dan diameter pipa terhadap Kalor Berguna (Qu) Qu,teo fungsi intensitas radiasi
600 Qu teo ( Watt)
500 400
3/8 inch
300
1/2 inch
200
5/8 inch
100 0 0
100 200 300 Intensitas Radiasi (W/m2)
400
Grafik pengaruh intensitas radiasi dan diameter pipa terhadap energi kalor berguna teoritis (Qu,teo)
Qu Akt (Watt)
Qu,act fungsi intensitas radiasi 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
3/8 Inch 1/2 inch 5/8 inch
0
100
200
300
400
Intensitas Radiasi (W/m2)
Grafik pengaruh intensitas radiasi dan diameter pipa terhadap energi kalor berguna aktual (Qu,akt)
Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter pipa terhadap Efisiensi Kolektor (η) η fungsi intensitas radiasi teo
75 Efisiensi (%)
70
3/8 inch
65
1/2 inch
60
5/8 inch
55 50 0
100 200 300 Intensitas Radiasi ( W/m2)
400
Grafik pengaruh intensitas radiasi dan laju aliran massa terhadap efisiensi teoritis kolektor (ηteo)
Efisiensi (%)
ηact fungsi intensitas radiasi 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch
0
100
200
Intensitas Radiasi (
300
400
W/m2)
Grafik pengaruh intensitas radiasi dan laju aliran massa terhadap efisiensi aktual kolektor (ηakt)
Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter Pipa terhadap Faktor Efisiensi Kolektor (F’) F' fungsi intensitas radiasi
1 0.998
Faktor efisiensi
0.996 0.994
3/8 inch 1/2 inch
0.992
5/8 inch
0.99 0.988 0.986 0.984 0
100
200 Intensitas Radiasi ( W/m2)
300
400
Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter Pipa terhadap Heat Loss (Qloss) Qloss fungsi intensitas radiasi 20 18 16
Q Loss (Watt)
14 12 3/8 Inch
10
1/2 Inch
8
5/8 Inch
6 4 2 0 0
50
100
150
200
250
Intensita s Radiasi (W/m2)
300
350
400
Kesimpulan Setelah melakukan pengolahan data, dan analisa maka dapat ditarik kesimpulan sebagi berikut : • Untuk hasil temperatur maksimum fluida out adalah sebesar dengan pipa 5/8 inch dan intensitas lampu 130,719 watt/m2 • Energi dari sinar lampu yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy) rata-rata sebesar 835,6 watt pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas sebesar 130,718 watt/m2 • Efisiensi aktual rata-rata kolektor surya ini didapatkan sebesar 27,33%
Sekian terima kasih Mohon saran dan kritik guna kesempurnaan Tugas Akhir
