PEMANAS AIR SURYA Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan
TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
Rahadian Effendi 13101088
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Tugas Sarjana Judul
PEMANAS AIR SURYA
Rahadian Effendi
Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan
Program Studi
Teknik Mesin
13101088
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Perancangan, pembuatan, instalasi dan pengujian dari pemanas air surya telah dilakukan. Pemanas air tersebut dirancang dengan kapasitas 300 liter dan luas total kolektor surya 2,8 m2. Aliran air didalam sistem terjadi secara natural (thermosyphon). Pemanas air tersebut dipasang di rumah tinggal di daerah Bandung dan diuji secara riil selama dua bulan berturut-turut. Pengujian lapangan dilakukan untuk mengetahui sejarah temperatur tangki ketika sistem beroperasi. Selain itu pengujian dilakukan untuk mengetahui efisiensi harian sistem pemanas air surya. Dilakukan juga perhitungan teoritik dan membandingkan hasilnya dengan hasil pengujian. Hasil pengujian menunjukkan air panas dalam tangki dapat melebihi 50 °C pada hari yang cerah dan 40 °C pada hari yang mendung. Efisiensi rata-rata harian sistem adalah 30,64%. Perbandingan hasil perhitungan dan hasil pengukuran menunjukkan adanya perbedaan, akan tetapi secara keseluruhan perbedaan ini tidak signifikan. Prediksi sejarah temperatur tangki pada hari sangat cerah (Intensitas radiasi maximum 1000 W/m2) menunjukkan bahwa sistem dapat mencapai temperatur 55 °C pada pukul 14:36. Secara umum performansi sistem pemanas air surya yang dibuat adalah cukup baik.
Final Project Title Major
SOLAR WATER HEATER Production, Instalation and Field Test Mechanical Engineering
Rahadian Effendi 13101088
Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Institute of Technology Bandung Abstract Design, production, installation and field test of a solar water heater have been done. This water heater is designed with 300 litre capacity and 2.8 m2 total area of solar collector. Water flow inside the system occured naturally (thermosyphon). This water heater is installed on a residence in Bandung area and tested for directly two months. Field test is done to know the history of water temperature inside the tank while the system is operating. Besides that, the purpose of the test is to know the daily mean efficiency of this solar water heater. Theoretical calculation also has been made and the results are compared with test results. Test results show that the hot water inside the tank can surpasses 50 °C in sunny days and reaches 40 °C in cloudy days. Daily mean efficiency of the system is 30.64%. Comparation of theoretical calculation and test results are differ, but overall, this differences is not significant. The prediction of temperature history in very sunny days (maximum intensity of radiation is 1000 W/m2) show that the system can reach temperature of 55 °C at 14:36 in the first day. Overall, the performance of this solar water heater is fairly good.
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap Alhamdulillah, segala puji kepada Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana dengan judul “Pemanas Air Surya; Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan” diajukan sebagai prasyarat kelulusan program sarjana di Program Studi Teknik Mesin, FTI – ITB. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah memberikan sumbangan besar dalam penyelesaian tugas sarjana ini, antara lain: •
Bapak Dr. Ir. Abdurrachim Halim sebagai pembimbing yang telah memberikan ilmu dan nasehat-nasehatnya.
•
Ibu, Ayah, Didit dan sanak keluarga lainnya yang telah mendorong dan mendoakan penulis untuk menyelesaikan tugas sarjana ini.
•
Bapak Oman, Bapak Koswara, Bapak Jimmy, Bapak Endang, Bapak Istiono, Bapak Enjang dan karyawan Laboratorium Surya lainnya atas bantuan dan kerja samanya.
•
Bapak dan Ibu Anom yang telah mengizinkan penulis untuk melakukan pengujian di rumahnya.
•
Bapak dan Ibu Waslim dan karyawan Apotek Mona lainnya, atas kebaikan hati dan keramahannya.
•
Sahabat-sahabat dekat penulis: Arif a.k.a Tatang, Irwan, Andra, Wahid, Ari, Leo, dan alm. Andre yang telah berbagi suka dan duka dengan penulis.
•
Teman-teman asisten Laboratorium Surya antara lain Rexa, Juli, Adrie, Ferdinan, Andra, Iwan, Putro, serta teman-teman M01 yang tidak bisa disebutkan satu per satu, atas bantuan, saran, dan persahabatannya selama ini.
i
Tak lupa penulis mengucapkan pula permintaan maaf apabila ada kesalahan yang dilakukan. Demikian kata akhir dari penulis, semoga tugas akhir ini sungguh bermanfaat bagi masyarakat. Saran dan kritik yang membangun akan selalu ditunggu.
Bandung, 3 Februari 2008
Penulis
ii
DAFTAR ISI
Hal Halaman Judul Lembaran Pengesahan Abstrak Abstract Kata Pengantar
i
Daftar Isi
iii
Daftar Tabel
vi
Daftar Gambar
vii
BAB I
1
Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Tujuan
2
1.3 Batasan Masalah
2
1.4 Metode Penyelesaian
2
1.5 Sistematika Penulisan
3
BAB II Teori Dasar
4
2.1 Pemanas Air Surya Pelat Datar
4
2.1.1 Kolektor Pelat Datar
5
2.1.2 Tangki Penyimpan Air
6
2.1.3 Pelat Penutup
8
2.1.4 Permukaan Pelat Absorber
9
2.2 Teori Kolektor Pelat Datar
9
2.2.1 Persamaan Kesetimbangan Energi pada Kolektor Pelat Datar
9
2.2.2 Koefisien Kehilangan Panas Kolektor Keseluruhan
11
2.2.3 Faktor Efisiensi Kolektor
15
2.2.4 Heat Removal Factor
17
2.2.5 Performansi Kolektor
18
BAB III Proses Produksi
20
iii
3.1 Perancangan Komponen Utama
20
3.1.1 Kolektor
21
3.1.2 Tangki Air Panas
23
3.2 Pemilihan Material
24
3.2.1 Tangki Air Panas
24
3.2.2 Kolektor
24
3.2.3 Pipa Penghubung Kolektor dan Tangki Air Panas
25
3.3 Proses Produksi 3.3.1 Kolektor
26 26
3.3.1.1 Absorber
26
3.3.1.2 Rumah Kolektor
30
3.3.2 Tangki air panas
33
3.3.2.1 Tangki dan Pemipaan
33
3.3.2.2 Rumah Tangki
35
3.3.3 Penyambungan Kolektor dengan Tangki Air Panas
38
3.4 Instalasi
39
BAB IV Pengujian
42
4.1 Pengujian
42
4.1.1 Sistematika Pengujian
42
4.1.2 Data Hasil Pengujian
45
4.2 Perbandingan Hasil Pengujian terhadap Teoritik
69
4.2.1 Formulasi Matematika dan Diagram Alir Perhitungan
69
4.2.2 Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Perhitungan
77
4.3 Analisis
90
4.3.1 Sejarah Temperatur
90
4.3.2 Efisiensi Harian Sistem
91
4.3.3 Perbandingan Hasil Pengujian dengan Teoritik
94
4.3.4 Prediksi Sejarah Temperatur Tangki pada Hari Cerah
95
BAB V Penutup
98
5.1
Kesimpulan
98
5.2
Saran
98
iv
DAFTAR PUSTAKA
99
LAMPIRAN A LAMPIRAN B
v
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Sifat-sifat kaca
8
Tabel 4.1
Data pengujian 12 November 2007
45
Tabel 4.2
Data pengujian 13 November 2007
45
Tabel 4.3
Data pengujian 14 November 2007
46
Tabel 4.4
Data pengujian 15 November 2007
46
Tabel 4.5
Data pengujian 16 November 2007
47
Tabel 4.6
Data pengujian 17 November 2007
47
Tabel 4.7
Data pengujian 19 November 2007
48
Tabel 4.8
Data pengujian 20 November 2007
48
Tabel 4.9
Data pengujian 21 November 2007
49
Tabel 4.10
Data pengujian 22 November 2007
49
Tabel 4.11
Data pengujian 23 November 2007
50
Tabel 4.12
Data pengujian 26 November 2007
50
Tabel 4.13
Data pengujian 27 November 2007
51
Tabel 4.14
Data pengujian 28 November 2007
51
Tabel 4.15
Data pengujian 3 Desember 2007
52
Tabel 4.16
Data pengujian 4 Desember 2007
52
Tabel 4.17
Data pengujian 5 Desember 2007
53
Tabel 4.18
Data pengujian 6 Desember 2007
53
Tabel 4.19
Data pengujian 7 Desember 2007
54
Tabel 4.20
Data pengujian 8 Desember 2007
54
Tabel 4.21
Data pengujian 12 Desember 2007
55
Tabel 4.22
Data pengujian 13 Desember 2007
55
Tabel 4.23
Data pengujian 14 Desember 2007
56
Tabel 4.24
Data pengujian 15 Desember 2007
56
Tabel 4.25
Efisiensi harian sistem pemanas air surya
93
Tabel B.1
Perhitungan teoritik tanggal 12 Desember 2007
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Pemanas air surya pelat datar
4
Gambar 2.2
Sirkulasi alami pemanas air surya
5
Gambar 2.3
Kolektor pelat datar untuk air
6
Gambar 2.4
Tipikal tangki penyimpan air panas
7
Gambar 2.5
Rangkaian thermal kolektor dengan satu pelat penutup
11
Gambar 2.6
Rangkaian thermal ekivalen kolektor pelat datar
12
Gambar 2.7
Konfigurasi pipa dan absorber
15
Gambar 2.8
Efisiensi sirip untuk pipa dan absorber kolektor matahari
16
Gambar 2.9
Efisiensi kolektor sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk
19
Gambar 3.1
Denah penempatan pemanas air pada rumah
21
Gambar 3.2
Diagram alir perancangan pemanas air tenaga surya
23
Gambar 3.3
Pipa kuningan dan tembaga setelah dipotong sesuai ukuran
26
Gambar 3.4
Penyambungan pipa tembaga dengan menggunakan proses brazing 27
Gambar 3.5
Pipa kuningan dilubangi dengan mata bor 16 mm
27
Gambar 3.6
Ujung pipa tembaga digerinda
27
Gambar 3.7
Proses brazing untuk penyambungan pipa
28
Gambar 3.8
Proses brazing untuk penyambungan sirp dan pipa
28
Gambar 3.9
Absorber
30
Gambar 3.10 Bagian alas, samping dan penguat rumah kolektor
31
Gambar 3.11 Bagian samping kolektor ditekuk dan dipotong
31
Gambar 3.12 Bagian samping kolektor dilubangi
32
Gambar 3.13 Rumah Kolektor
32
Gambar 3.14 Tangki
33
Gambar 3.15 Pipa-pipa pada tangki
34
Gambar 3.16 Tangki setelah pengelasan
35
Gambar 3.17 Rangka rumah tangki
36
Gambar 3.18 Bentuk akhir rumah tangki air panas (tampak luar)
37
vii
Gambar 3.19 Sistem pemanas air surya
39
Gambar 3.20 Kawat penyangga tangki
40
Gambar 3.21 Kawat penyangga kolektor
40
Gambar 3.22 Skema instalasi Sistem pemanas air surya
41
Gambar 3.23 Sistem pemanas air surya yang telah terinstalasi
41
Gambar 4.1
Pipa untuk mengukur temperatur air panas tangki
42
Gambar 4.2
Pengeluaran air untuk pengukuran temperatur air panas tangki
43
Gambar 4.3
Termokopel tipe K
44
Gambar 4.4
Alat ukur intensitas radiasi global, pyranometer
45
Gambar 4.5
Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian
Gambar 4.6
tanggal 12 November 2007
57
Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian
57
tanggal 13 November 2007 Gambar 4.7
Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian
58
tanggal 14 November 2007 Gambar 4.8
Gambar 4.9
Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 15 November 2007
58
Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian
59
tanggal 16 November 2007 Gambar 4.10 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian
59
tanggal 17 November 2007 Gambar 4.11 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 19 November 2007
60
Gambar 4.12 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 20 November 2007
60
Gambar 4.13 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 21 November 2007
61
Gambar 4.14 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 22 November 2007
61
viii
Gambar 4.15 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 23 November 2007
62
Gambar 4.16 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 26 November 2007
62
Gambar 4.17 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 27 November 2007
63
Gambar 4.18 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 28 November 2007
63
Gambar 4.19 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 3 Desember 2007
64
Gambar 4.20 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 4 Desember 2007
64
Gambar 4.21 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 5 Desember 2007
65
Gambar 4.22 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 6 Desember 2007
65
Gambar 4.23 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 7 Desember 2007
66
Gambar 4.24 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 8 Desember 2007
66
Gambar 4.25 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 12 Desember 2007
67
Gambar 4.26 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 13 Desember 2007
67
Gambar 4.27 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 14 Desember 2007
68
Gambar 4.28 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 15 Desember 2007
68
Gambar 4.29 Kesetimbangan energi pada kolektor
69
Gambar 4.30 Efisiensi kolektor sebagai fungsi temperatur inlet
70
ix
Gambar 4.31 Efisiensi kolektor sebagai fungsi temperatur inlet
73
Gambar 4.32 Kesetimbangan energi di tangki penyimpan
74
Gambar 4.33 Diagram alir perhitungan
76
Gambar 4.34 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 12 November 2007
77
Gambar 4.35 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 13 November 2007
78
Gambar 4.36 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 14 November 2007
78
Gambar 4.37 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 15 November 2007
79
Gambar 4.38 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 16 November 2007
79
Gambar 4.39 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 17 November 2007
80
Gambar 4.40 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 19 November 2007
80
Gambar 4.41 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 20 November 2007
81
Gambar 4.42 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 21 November 2007
81
Gambar 4.43 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 22 November 2007
82
Gambar 4.44 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 23 November 2007
82
Gambar 4.45 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 26 November 2007
83
Gambar 4.46 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 27 November 2007
83
Gambar 4.47 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 28 November 2007
84
x
Gambar 4.48 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 3 Desember 2007
84
Gambar 4.49 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 4 Desember 2007
85
Gambar 4.50 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 5 Desember 2007
85
Gambar 4.51 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 6 Desember 2007
86
Gambar 4.52 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 7 Desember 2007
86
Gambar 4.53 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 8 Desember 2007
87
Gambar 4.54 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 12 Desember 2007
87
Gambar 4.55 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 13 Desember 2007
88
Gambar 4.56 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 14 Desember 2007
88
Gambar 4.57 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 15 Desember 2007 Gambar 4.58 Efisiensi harian sistem pemanas air surya
89 94
Gambar 4.59 Radiasi matahari vs waktu untuk hari cerah dan hari sangat mendung 95 Gambar 4.60 Perbandingan hasil model radiasi dengan data pengukuran tanggal 19 November 2007
96
Gambar 4.61 Prediksi temperatur tangki pada hari cerah pertama
97
Gambar 4.62 Prediksi temperatur tangki pada hari cerah kedua
97
xi
