Analisa Pengaruh Variasi Lapisan Plat Pada Pipa Sejajar
ANALISA PENGARUH VARIASI LAPISAN PLAT PADA PIPA SEJAJAR TERHADAP EFEKTIFITAS PENYERAPAN PANAS KOLEKTOR SURYA UNTUK PEMANAS AIR DENGAN SISTEM EFEK TERMOSIFON Eddy Elfiano1, M. Natsir Darin2, M. Nizar3 ABSTRAK Matahari merupakan sumber energi alternatif yang tidak bersifat polusi dan tidak akan habis serta dapat dimanfaatkan baik secara langsung maupun tidak langsung. Berdasarkan hal tersebut kita dapat memanfaatkan energi sinar matahari untuk memanaskan air dengan efek termosifon, dengan menggunakan suatu alat pengumpul radiasi matahari (kolektor surya) yang menyerap radiasi tersebut dan mengkonversikan menjadi panas melalui plat penyerap dan diteruskan ke pipa yang berisikan air. Lapisan plat penyerap mempengaruhi efektivitas penyerapan panas kolektor surya. Kolektor surya dianalisa dengan menvariasikan lapisan plat penyerap pada pipa sejajar, dengan cara plat penyerap diposisikan diatas dan dibawah pipa sejajar. Pengujian dilakukan mulai pukul 09.00 – 15.00 Wib. Efektivitas penyerapan panas yang diperoleh dengan menggunakan lapisan plat dibawah pipa sejajar mencapai 11,2 % sedangkan untuk lapisan plat diatas dan dibawah pipa sejajar mencapai 17,8 %. Dari perbedaan efesiensi ini diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan lapisan plat penyerap diatas dan dibawah pipa sejajar lebih efektif. Kata kunci : Radiasi matahari, kolektor surya, plat penyerap.
ABSTRACT The sun is a source of alternative energy that is not polluting and can be used either directly or indirectly. Based on that we can use the energy of sunlight to heat water system with thermosiphon effects, by using a means of collecting solar radiation (solar collector) which absorbs the radiation and convert into heat through the absorber plate and forwarded to a pipe containing water. Absorber plate layer affects the effectiveness of the absorption of solar heat collectors. Solar collector is analyzed in the variation of the absorber plate layer on the parallel pipe, absorber plate is positioned above and below the parallel pipeline. Experiment conducted starting at 9:00 am to 15:00 pm. Effectiveness of heat absorption is obtained by using a layer under the parallel pipe plate at 11.2%, while for the layers above and below the plate parallel pipelines reached 17.8%. Differences in the efficiency of the obtained results that the use of layers above and below the absorber plate parallel pipeline more effectively. Key words : Sun Radiation, solar collector, absorber plate 1. PENDAHULUAN Dimuka bumi kita mengenal dua jenis sumber energi, yaitu sumber energi yang dapat diperbaharui dan tidak dapat diperbaharui. Penggunaan energi secara nasional cenderung pada sumber energi berupa minyak bumi dan 1,2,3, Teknik Mesin Universitas Islam Riau
gas alam. Salah satu yang menjadi permasalahan di sini yaitu, persediaan sumber energi tersebut semakin menipis. Untuk mengatasi masalah tersebut dicari sumber energi alternatif seperti panas matahari solar cellector (kolektor surya) untuk merubah Page 121
energi panas. Keunggulan dari energi matahari ini dibandingkan dengan sumber energi alternatif lainnya adalah diperoleh secara cuma-cuma tidak bersifat polusi, bersifat terbarukan. Dalam suatu kolektor surya plat tipe pipa sejajar sebagian besar energi matahari ditranmisikan oleh kaca penutup ke plat penyerap yang dicat hitam, plat ini disinggungkan dengan pipa yang berisi fluida yang akan dipanasi, ada dua konfirgurasi penyusunan pipa sejajar pada plat penyerap yang umum dipakai yaitu pipa ditempelkan dibawah plat penyerap dan pipa ditempelkan diatas plat. Perpindahan panas dari plat penyerap dengan pipa sejajar mempunyai pengaruh yang sangat besar, salah satu permasalahan plat penyerap dengan pipa sejajar dalam mentransmisikan energi panas pada pipa sejajar tidak sebanding dengan panas yang masuk kedalam kolektor surya dan lambannya penyerapan panas pada pipa sejajar yang berisikan fluida air. Dalam penelitian ini penulis akan meneliti variasi lapisan plat penyerap pada pipa sejajar, dengan cara melapisi plat penyerap diatas dan dibawah pipa sejajar. Dengan variasi lapisan plat penyerap dengan pipa sejajar ini diharapkan akan memberikan data atau informasi sehingga didapat hasil penyerapan panas pada pipa sejajar akan lebih efektif dan efesien.
2. METODOLOGI PENELITIAN Kolektor Surya Kolektor surya adalah suatu alat yang berfungsi sebagai perangkap dan pengumpul energi panas radiasi matahari dan panasnya diteruskan pada pipa yang berisi air. Syarat penting yang perlu dipertimbangkan pada kolektor surya adalah meminimalkan kehilangan (kerugian) panas pada kolektor, selain itu juga dalam penyerapan radiasi matahari memerlukan peralatan khusus untuk mengumpulkan energi Page 122
radiasi matahari, sistem penyerapan energi matahari ini dikenal dengan dua macam peralatan pengumpul panas yaitu, pengumpul panas plat datar dan pengumpul kosentrator. Media energi pembawa panas yang digunakan dapat dibedakan atas tiga macam kolektor yaitu: a. Kolektor air b. Kolektor minyak c. Kolektor udara Komponen utama dalam mendisain kolektor surya yaitu: plat penyerap, plat penutup, saluran pembawa energi panas fluida (pipa), isolasi (serbuk kayu), dari empat komponen tersebut yaitu 1. Plat penyerap Plat penyerap adalah komponen yang berfungsi mengkonversikan radiasi matahari yang diserap sebagai panas yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang dilewati. Agar dapat dikonversikan panas sebanyak mungkin, maka plat penyerap harus mempunyai sifat-sifat absorbsivitas yang tinggi, konduktivitas (k) yang besar dan tahan korosi. Jenis plat penyerap yang biasa digunakan untuk kolektor surya plat datar yaitu tembaga, alumunium, stainless steel. 2. Plat penutup Cover plat penutup (bagian atas) terbuat dari bahan transparan dengan tujuan untuk menghindari sebesar mungkin kerugian panas secara konveksi dan radiasi. pada umumnya plat penutup dibagian atas menggunakan kaca. 3. Saluran pembawa panas fluida atau pipa, Fluida biasanya dialirkan melalui sistem perpipaan yang mempunyai nilai penghantar panas (thermal conductivity) yang tinggi biasanya dipilih material tembaga yang sudah diheat treatment untuk menghindari korosi. Sebagai altermnatif lain bisa dipilih material alumunium. 4. Isolasi Berfungsi untuk mengurangi panas yang hilang dari samping dan dari bawah secara konduksi. Radiasi matahari merupakan radiasi gelombang pendek, jika terperangkap dalam JURNAL APTEK Vol. 5 No. 2 Juli 2013
Analisa Pengaruh Variasi Lapisan Plat Pada Pipa Sejajar
kolektor yang berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari maka akan meningkatkan energi atau panas yang akan dipindahkan ke sistem perpipaan. Radiasi ini selanjutnya ke plat penyerap yang dicat hitam, sehingga akan menyerap kira-kira 66% radiasi surya, kemudian mengemisikan sebagian radiasi gelombang panjang ke cover dan memantulkannya, demikian seterusnya sehingga panas akan terus bertambah. Hal ini karena kaca tidak akan melewatkan radiasi gelombang panjang, jika tidak ada fluida yang dilewatkan, maka panas kolektor akan bertambah sampai kira-kira 1500C. Seandainya ada fluida yang dilewatkan didalam kolektor, maka panas ini akan dipindahkan ke fluida kerja. Gambar 1. alat uji kolektor surya untuk pemanas air dengan sistem efek termosifon.
dalam kolektor dan terjadi sirkulasi perbedaan temperatur fluida secara terus menerus. Gambar 2 memperlihatkan susunan Plat Pada Pipa
Gambar 2. Susunan plat dalam kolektor Keterangan gambar : 1. Pipa sejajar 2. Lapisan plat 3. Kaca 4. Isolasi 5. Plat absorber
Gambar 3. Kolektor surya
Gambar 1. Pemanas Air Surya Cara kerja kolektor surya tipe pipa sejajar ini berdasarkan perbedaan temperatur air di dalam pipa sejajar, akibat peningkatan energi di dalam kolektor maka densitas air akan naik keatas di dalam tabung pemanas, hal ini mengakibatkan densitas atau massa jenis molekul air akan bergerak secara konveksi ke dalam tangki pemans air, dan massa jenis air yang dingin di dalam tangki akan turun ke
1,2,3, Teknik Mesin Universitas Islam Riau
Keterangan gambar: 1. Dinding kolektor/kotak kolektor. 2. Pipa sejajar (pengalir fluida). 3. Plat Absorber. 4. Kaca penutup kolektor (Caver). 5. Pipa saluran air keluar (air panas). 6. Pipa saluran air masuk (air dingin). Energi Kolektor Surya Ditinjau dari keseimbangan energi pada kolektor, energi yang berguna pada kolektor adalah besar energi yang diterima plat penyerap (absorber). Panas yang diserap kolektor dipengaruhi oleh harga transmisivitas Page 123
(τ) kaca penutup, harga absorbsivitas (α) dari plat absorber, serta intensitas matahari yang diterima kolektor. Maka panas yang masuk kolektor dapat dicari dengan persamaan :
perubahan temperatur yang terjadi dan catat hasil pengamatan. Lakukan pengujian untuk beberapa kali agar didapat hasil yang benar-benar akurat.
Qin = Iglob . Ak . 𝜏 . 𝛼 (Watt)
3. Hasil Pengujian dan Analisa Pengujian kolektor surya dengan menvariasikan lapisan plat pada pipa sejajar sebagai penyerap panas diperoleh data–data yaitu temperatur pipa, temperatur input, temperatur output, temperatur absorber, temperatur kaca, temperatur lingkungan, temperatur hasil efek termosifon, temperature dalam satuan 0C, dan dilakukan dengan sudut kemiringan 10. Tabel 1. Hasil pengujian kolektor surya dengan lapisan plat penyerap dibawah pipa sejajar
Dimana : Iglob : Panas radiasi matahari (W/m2) Ak : Luas penampang kolektor (m2) Energi yang digunakan atau panas yang diberikan ke fluida air sebesar : Quse = m cp (∆T), W m : Laju aliran massa fluida (kg/s) cp : Panas spesifik air (J/kg K) ∆T : Selisih Tair masuk dengan Tair keluar, K Laju aliran massa dapat dicari dengan persamaan berikut: m=Qx𝜌 Q : debit air yang masuk (m3/s) 𝜌 : massa jenis fluida (kg/m3) Efesiensi kolektor surya adalah :
C
Qu x100% Qin
Prosedur Pengujian Adapu prosedur pengujian kolektor surya dengan variasi lapisan plat penyerap diatas dan dibawah pipa sejajar dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: Letakkan kolektor surya tersebut pada daerah yang tidak terlindungi oleh pepohonan atau bangunan. Air yang dimasukkan dalam tabung pemanas maupun air untuk kolektor 0 bertemperatur 26 C Lakukan pengamatan kolektor surya dengan sudut 100 selama 60 menit amati Page 124
waktu
Iglop W/m2
Tsur
Tkaca
Tabs
Tpipa
Tin
Tout
10.00
908.739
31.6
50.7
60.3
43.4
38.9
42.5
11.00
1036.69
32.3
52.3
62.7
47.3
42.9
46.7
12.00
1079.44
32.6
52.9
63.1
55.1
49.4
54.1
13.00
1036.69
32.4
52.6
62.5
59.7
52.6
57.6
14.00
908.739
31.9
52.1
61.2
58.3
53.4
56.1
15.00
705.532
30.8
51.2
59.6
57.0
54.1
56.3
Ratarata
954.97
31.9
51.9
61.5
53.4
48.5
52.2
Tabel 2. Hasil pengujian kolektor surya dengan lapisan plat penyerap dibawah dan diatas pipa sejajar Waktu
Iglop W/m2
Tsur
Tkaca
Tabs
Tpipa
Tin
Tout
10.00
891.564
30.4
46.7
58.2
45.6
41.5
45.2
11.00
1023.49
31.5
55.3
70.5
50.7
45.3
49.8
12.00
1072.79
32.9
58.2
76.9
57.4
52.3
59.1
13.00
1023.49
32.6
57.5
81.3
63.8
56.6
63.5
14.00
891.564
32.0
56.3
78.7
62.5
55.1
60.9
15.00
692.307
31.3
55.1
76.2
60.1
54.7
59.8
Rata – rata
932.534
31.7
54.8
73.6
56.6
50.7
56.3
Perhitungan efesiensi kolektor surya dengan satu lapisan plat penyerap dibawah pipa sejajar JURNAL APTEK Vol. 5 No. 2 Juli 2013
Analisa Pengaruh Variasi Lapisan Plat Pada Pipa Sejajar
Energi yang masuk kolektor Qin = Iglob . Ak . 𝜏 . 𝛼 954.97 W/m2 x 0.54 m2 x 0.95 x 0.90 = 440.90 Watt Energi Yang Digunakan pada Kolektor Quse = m cp (Tout – Tin) 0,00328 kg/s x 4.175 kJ/kg x (48,5C – 52,2C) = 50,6 Watt Efesiensinya adalah:
50.6 Watt 100% 440.90 Watt
= 11.4 % Perhitungan efesiensi kolektor surya dengan lapisan plat penyerap dibawah dan atas pipa sejajar. Energi yang masuk kolektor Qin = Iglob . Ak . 𝜏 . 𝛼 932.543W/m2 x 0.54 m2 x 0.95 x 0.90 = 430.55 Watt Energi Yang Digunakan pada Kolektor Quse = m cp (Tout – Tin) 0,00328 kg/s x 4.175 kJ/kg x (56,3C – 50,7C) = 76,68 Watt
76.68 Watt x100% 430.55 Watt
= 17,8% Dari hasil perhitungan diketahui bahwa efesiensi kolektor surya () dengan menggunakan dua lapis plat pada pipa sejajar lebih tinggi dari pada efesiensi kolektor surya yang hanya menggunakan satu lapis plat di bawah pipa sejajar, Artinya jika semakin besar nilai (Quse) maka semakin besar efesiensi kolektor surya. Perbandingan efesiensi satu 1,2,3, Teknik Mesin Universitas Islam Riau
lapis plat penyerap pengujian efesiensi 11,4 % untuk pengujian kolektor surya dengan dua lapis plat penyerapefesiensi pada pengujian sebesar 17,8 %. Untuk besar panas yang digunakan kolektor (Quse) dipengaruhi oleh kenaikan Tin dan Tout. Penyerapan kolektor surya sangat berpengaruh dengan intensitas matahari karna dari pembahasan diketahui bahwa intensitas matahari berbeda tiap jamnya, dikarnakan sifat matahari berputar seperti jarum jam serta penurunan beda temperatur dipengaruhi oleh fluktansi cuaca yang tidak konstan. 4. Kesimpulan Faktor–faktor yang mempengaruhi besarnya efesiensi kolektor surya () adalah Kenaikan temperatur surya dan tingginya penyerapan panas pada pipa sejajar. Kolektor surya dengan variasi dua lapisan plat diatas dan bawah pipa sejajar menghasilkan temperatur air keluar yang lebih tinggi yang menyebabkan besarnya efesiensi, jika dibandingkan dengan kolektor surya menggunakan satu lapis plat penyerap yang posisinya dibawah pipa sejajar, perbandingan ini terjadi karena perbedaan penyerapan panas pada plat penyerap dengan pipa sejajar, jika semakin besar nilai energi yang digunakan (Quse) maka semakin besar efesiensi kolektor surya yang diperoleh. Dari hasil perhitungan panas yang dapat dimanfaatkan (Quse) pada kolektor surya dengan satu lapis plat dibawah pipa sejajar didapatkan : Pada pengujian panas yang dapat dimanfaatkan (Quse) = 50,6 Watt Dari hasil perhitungan panas yang dapat dimanfaatkan (Quse) pada kolektor surya dengan variasi lapisan plat diatas dan dibawah pipi sejajar didapatkan pada pengujian panas yang dapat dimanfaatkan (Quse) = 76,6 Watt Page 125
Daftar Pustaka Andi Arianto, 2010, Pengujian Model Water Haiter Flow Boiling Dengan Variasi Gelembung Udara. SI Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. Bayazitoglu Yildiz and Ozisik M. Necati, 1988, Element of Heat Transfer, Mc Grow Hill. Singapore. Holman,J.P and E.Jasjfi, 1997, Perpindahan Kalo, .Erlangga.Jakarta. Jansen,Ted.J, 1995, Teknologi Rekayasa Surya, Pradya Paramita. Jakarta. Jhon A Duffie & Wiliam A.Becman,1980, Solar Engineering Of Thermal Processes, New York. Muchlis, 2007, Analisa Pengaruh Lapisan Kaca Pada Kolektor Surya Plat Datar Terhadap Efektifitas Penyerapan Panas Matahari. S1 Teknik Mesin Universitas Islam Riau. Puji Astuti, 2010, Desain Sistem Pemanas Air Menggunakan Radiasi Matahari. SI Fisika Sains Dan Teknologi Universitas Maulana Malik Ibrahim Malang.
Page 126
JURNAL APTEK Vol. 5 No. 2 Juli 2013
