PEMBUATAN DAN PENGUJIAN SUPLAI PANAS HIBRID MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA DAN RADIATOR PADA ALAT PENGERING IKAN TERI
(Skripsi)
Oleh ANDREASSA HARIANJA
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG 2016
ABSTRAK PEMBUATAN DAN PENGUJIAN SUPLAI PANAS HIBRID MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA DAN RADIATOR PADA ALAT PENGERING IKAN TERI Oleh ANDREASSA HARIANJA
Penelitian dilatarbelakangi oleh permasalahan pada pengeringan ikan teri secara konvensional yaitu melakukan pengeringan ikan teri dengan cara penjemuran langsung di bawah sinar matahari dan dilakukan di ruang terbuka. Pengeringan kovensional memiliki beberapa kelemahan dalam penggunaannya, diantaranya adalah faktor cuaca yang tidak menentu yang menyebabkan pengeringan berlangsung lama serta produk yang dihasilkan kurang higienis karena pengeringan dilakukan di ruang terbuka. Untuk itu perlu dilakukan langkah inovatif dalam mengatasi permasalahan tersebut yaitu pengeringan dilakukan secara mekanik. Secara umum penelitian ini menjelaskan tentang pembuatan dan pengujian suplai panas hibrid menggunakan kolektor surya dan radiator pada alat pengering ikan teri. Sumber panas yang digunakan adalah air panas yang dialirkan kedalam radiator, sedangkan kolektor surya menggunakan sumber panas dari radiasi matahari yang mengenai permukaan kolektor. Sistem hibrid merupakan penggunaan dua suplai panas yang berbeda untuk suatu kebutuhan panas dalam menjaga suhu agar tetap stabil. Untuk mengetahui performansi dari masingmasing suplai panas dalam penelitian menggunakan variasi kecepatan aliran udara yaitu 0,8 m/s, 1,3 m/s, dan 1,8 m/s. Performansi masing-masing suplai panas yang paling baik adalah pada aliran massa udara 1,8 m/s. Untuk radiator menghasilkan efektivitas sebesar 0,58 laju perpindahan panas 5,1 kW dengan temperatur udara 55,2 oC dan kolektor surya menghasilkan efisiensi sebesar 0,20 laju perpindahan panas 5,5 kW dengan temperatur udara 57,5 oC. Masing-masing suplai panas kolektor surya dan radiator, mampu menghasilkan temperatur udara panas yang dibutuhkan ruang pengering diatas 50 oC.
Kata kunci : sistem pengeringan mekanik, kolektor surya, radiator, suplai panas hibrid.
ABSTRACT DESIGNING AND TESTING HEAT SUPPLY HYBRID SOLAR COLLECTORS AND RADIATOR ON THE ANCHOVY DRYER By ANDREASSA HARIANJA
The study was motivated by the problems in the conventional drying. Drying conventional directly in the sun and do in open space. Conventional drying has several disadvantages in their use, including the unpredictable weather factors that cause drying takes longer and is less hygienic products produced since drying is done in the open. For that we need an innovative step in addressing the issue, namely the drying is done mechanically. In general, this study describes the manufacture and testing heat supply hybrid using solar collectors and radiators on the anchovy dryer. The heat source used is hot water that flowed into the radiator, while the solar collector using heat sources from solar radiation on the collector surface. Hybrid system is the use of two different supply heat to a heat requirement in maintaining the temperature to remain stable. To determine the performance of the heat supply in the research uses a variation of the air flow velocity is 0.8 m/s, 1.3 m/s and 1.8 m/s. The performance of each heat supply the most good is the mass air flow of 1.8 m/s. To generate the effectiveness 0,58 radiator heat transfer rate of 5.1 kW to 55.2 °C air temperature and solar collector efficiency heat transfer rate of 0.20 to 5.5 kW with air temperature of 57.5 °C. Each heat supply solar collectors and radiators, capable of producing the required temperature of hot air drying chamber above 50 oC.
Keywords : mechanical drying systems, solar collectors, radiators, heat supply hybrid.
.
PEMBUATAN DAN PENGUJIAN SUPLAI PANAS HIBRID MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA DAN RADIATOR PADA ALAT PENGERING IKAN TERI Oleh
Andreassa Harianja Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2016
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Medan, Sumatera Utara pada tanggal 28 April 1990, sebagai anak kedua dari empat bersaudara dari Dumaria
pasangan
Simatupang.
Brindes
Harianja
dan
Penulis
menyelesaikan
pendidikan Sekolah Dasar di SD Gajah Mada Medan, Sumatera Utara pada tahun 2003, melanjutkan pendidikan Sekolah Menengah Pertama di SMP Gajah Mada Medan selesai pada tahun 2006, menyelesaikan Sekolah Menengah Atas di SMA Methodist-7 Medan pada tahun 2009, dan pada tahun 2009 penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Selama menjadi mahasiswa, penulis juga aktif dalam organisasi baik internal maupun eksternal kampus, yaitu pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) sebagai Ketua Bidang Pendidikan dan Pelatihan pada periode 20112012, pengurus Unit Kegiatan Mahasiswa Kristen Universitas Lampung (UKMK) sebagai Ketua Divisi Hubungan Masyarakat periode 2012-2013, pengurus Gerakan Mahasiswa Kristen Indonesia (GMKI) Cabang Bandar Lampung sebagai Ketua Bidang Organisasi pada periode 2012-2014.
Pada bidang akademik, penulis melaksanakan kerja praktek di PT. Tambang Batu Bara Bukit Asam (PERSERO) yang berlokasi di Jalan Raya Soekarno Hatta KM.15 Tarahan Bandar Lampung yang dilaksanakan pada tanggal 06 Mei s/d 07 Juni 2013 di satuan kerja Perawatan Mesin dengan mengangkat judul “Perhitungan Tegangan dan Daya Belt Pada Conveyor CRT002 / C2” di bawah bimbingan Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T.
PERSEMBAHAN
Dengan penuh rasa syukur kepada Allah Bapa, Putera dan Roh Kudus telah terselesaikannya skripsi ini. Kupersembahkan karya kecil yang sederhana ini untuk : Kedua Orang Tua ku, Bapak dan Mama yang selalu mendoakan ku. Terimakasih telah memberikan semangat, dukungan doa, moril dan materil serta nasihat kapada ku. Semoga ilmu-ilmu yang ku dapat menjadi modal utama menuju masa depan yang cerah. Kepada sahabat-sahabatku Teknik Mesin 09 Serta almamaterku tercinta.
Salam Solidarity Forever
Kata Mutiara “Allah memberikan hikmat, pengetahuan dan kebahagiaan kepada orang
yang menyenangkan hati-Nya.” (Pengkhotbah 2:26)
„„Learn From Yesterday, Live From Today, And Hope For Tommorow” (Albert Eistein)
“ Ia membuat segala sesuatu indah pada waktunya” (Pengkhotbah 3 : 11)
“Kita tahu sekarang, bahwa Allah turut bekerja dalam segala sesuatu untuk mendatangkan kebaikan bagi mereka yang mengasihi Dia” (Roma 8:28)
SANWACANA
Shalom., Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan kasih-Nya skripsi ini dapat diselesaikan. Skripsi dengan judul “Pembuatan dan Pengujian Suplai Panas Hibrid Menggunakan Kolektor Surya dan Radiator Pada Alat Pengering Ikan Teri” adalah salah satu pengaplikasian dalam mempraktekan ilmu-ilmu akademis serta salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.
Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.
Bapak Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung.
2.
Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Teknik.
3.
Bapak Dr. Amrul, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing utama tugas akhir, terima kasih atas waktunya dan perhatiannya yang diberikan untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
4.
Bapak Dr. Amrizal, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing kedua dalam tugas akhir ini, atas arahan dan waktu yang diberikan bagi penulis.
5.
Bapak Agus Sugiri, S.T., M.Eng. selaku dosen pembahas tugas akhir yang telah memberikan masukan, kritik, serta saran yang sangat bermanfaat bagi penulis.
6.
Terima kasih kepada seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung, atas dedikasinya yang telah mengajarkan ilmu-ilmu palajaran semasa perkuliahan, semoga bekal ilmu yang Bapak/Ibu ajarkan menjadi modal utama dimasa depan yang bermanfaat bagi penulis.
7.
Spesial untuk kedua Orang Tua penulis, kepada Bapak dan Mama tercinta terima kasih atas kasih sayang dan nasihat yang diberikan, serta kesabarannya dalam mendidik dan mendoakan atas harapan kesuksesan penulis. Semoga Tuhan Yesus selalu menyertai kita.
8.
Kepada sanak famili dan keluarga besarku, penulis ucapkan terima kasih atas dorongan dan motivasinya dalam menghantarkan penulis sampai pada jenjang sarjana.
9.
Kepada kakakku Rika Magdalena Harianja, adik-adikku Selvi Apriana Haranja, S.Kom. dan juga Yosafat Harianja terima kasih buat doa dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir.
10. Rekan-rekan seperjuangan Rizal Fadhil, S.T., Iqbal Deby, Erick Irham, S.T, Ronal, Lambok, S.T, Anisa Rachman, Dedi Siadari, S.T, seluruh keluarga besar Teknik Mesin 2009 dan Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis ucapkan terima kasih atas kebersamaan dan loyalitasnya selama menjadi mahasiswa. Salam Solidaritas Forever.
11. Kepada rekan-rekan BPC GMKI Bandar Lampung 2012-214 dan juga seluruh keluarga besar GMKI yang telah memberikan kontribusi besar kepada penulis hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir. Tinggi Iman, Tinggi Ilmu, & Tinggi Pengabdian. Ut Omnes Unum Sint. 12. Kepada rekan-rekan di Unit Kegiatan Mahasiswa Kristen (UKM-K) Universitas Lampung dan juga perkumpulan Forum Komunikasi Mahasiswa Kristen Fakultas Teknik terima kasih atas kebersamaan dan persaudaraan yang boleh penulis rasakan. 13. Kepada rekan-rekan penghuni asrama “Mas Ayu”; Mario Nainggolan, S.H., Yehezkiel,S.P, Dimas Pamory, Torfel, dan yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu terima kasih atas kebersamaan yang diberikan.
Akhir kata, Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Segala kritikan dan saran yang bersifat membangun dapat digunakan untuk perbaikan kedepannya. Sedikit harapan semoga skripsi yang sederhana ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampung, Penulis
Andreassa Harianja
April 2016
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI .................................................................................................
i
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... ii DAFTAR TABEL ........................................................................................ iii I.
PENDAHULUAN ................................................................................. 1 A. Latar Belakang ................................................................................... 1 B. Tujuan Penelitian ................................................................................ 3 C. Batasan Masalah ................................................................................. 3 D. Sistematika ......................................................................................... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 5 A. Pengeringan Ikan Teri ........................................................................ 5 B. Kolektor Surya ................................................................................... 7 1. Intensitas Radiasi Matahari pada Kolektor Surya .......................... 8 2. Klasifikasi Kolektor Surya ............................................................. 9 3. Komponen Kolektor Surya ............................................................ 12 C. Jenis-jenis Heat Exchanger ................................................................. 13 D. Modul Perpindahan Panas ................................................................... 15 1. Perpindahan panas konduksi ......................................................... 16 2. Perpindahan panas konveksi ......................................................... 18 3. Perpindahan panas Radiasi ............................................................ 21
E. Efektivitas HE....................................................................................... 22 F. Efesiensi Kolektor Surya ...................................................................... 25 III. METODELOGI PENELITIAN ........................................................... 26 A. Meteri Penelitian ................................................................................. 26 B. Alat Ukur yang Digunakan .................................................................. 29 C. Metode Pengujian ................................................................................ 31 D. Tahap Pelaksanaan .............................................................................. 32 E. Pengujian dan Pengambilan Data ........................................................ 33 F. Diagram Alir Penelitian ....................................................................... 37 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 38 A. Hasil Pengujian ................................................................................... 38 1. Pengujian Pada Radiator ................................................................. 39 2. Pengujian Pada Kolektor Surya ...................................................... 46 B. Pembahasan ......................................................................................... 55 V. SIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 57 A. Simpulan ............................................................................................. 57 B. Saran .................................................................................................... 58 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 59 LAMPIRAN ................................................................................................... 61
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
1. Contoh gambar ikan teri ....................................................................... 6 2. Sudut-sudut yang dibentuk oleh matahari ............................................ 8 3. Kolektor surya sederhana ..................................................................... 10 4. Konsentrator ......................................................................................... 11 5. Evacuated Receiver .............................................................................. 11 6. Radiasi matahari pada kolektor surya .................................................. 12 7. Kolektor surya pelat datar bersirip longitudinal................................... 13 8. Radiator ................................................................................................ 15 9. Aliran konveksi alamiah pada plat datar vertikal ................................. 20 10. Dimensi kolektor surya ........................................................................ 27 11. Kolektor surya setelah terpasang pada alat pengering ......................... 27 12. (a) Radiator yang telah terpasang (b) sketsa alat pengering ................ 28 13. Termokopel .......................................................................................... 29 14. Anemometer ......................................................................................... 30 15. Solar power meter ................................................................................ 29 16. Regulator tegangan (voltage regulator) ............................................... 31 17. Diagram alir penelitian secara global ................................................... 37 18. Pencapaian temperatur udara keluar HE 1,8 m/s ................................ 39 19. Pencapaian temperatur udara keluar HE 1,3 m/s ................................ 43
20. Pencapaian temperatur udara keluar HE 0,8 m/s ................................ 45 21. Pencapaian temperatur udara keluar kolektor surya 1,8 m/s ............... 48 22. Intansitas radiasi matahari terhadap waktu surya hari I ....................... 48 23. Pencapaian temperatur udara keluar kolektor surya 1,3 m/s ............... 50 24. Intansitas radiasi matahari terhadap waktu surya hari II ...................... 51 25. Pencapaian temperatur udara keluar kolektor surya 0,8 m/s............... 53 26. Intansitas radiasi matahari terhadap waktu surya hari III .................... 53
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
1. Komposisi nilai gizi ikan teri per 100 gram ......................................... 7 2. Dimensi kolektor surya bersirip longitudinal ....................................... 26 3. Pengukuran kecepatan udara pada exhaust fan .................................... 32 4. Pengujian radiator pada variasi udara tegangan 160,180, & 220 V ..... 34 5. Pengujian kolektor surya variasi udara tegangan 160,180, & 220 V ... 35 6. Pengambilan data Intensitas Radiasi Matahari aktual .......................... 36 7. Data hasil pengujian HE pada kecepatan udara 1,8 m/s ...................... 40 8. Data hasil pengujian HE pada kecepatan udara 1,3 m/s ...................... 43 9. Data hasil pengujian HE pada kecepatan udara 0,8 m/s ...................... 45
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Proses pengeringan terjadi karena adanya massa yang berpindah dari udara sekitar terhadap permukaan bahan yang ingin dikeringkan. Sebagian dari panas yang ada masuk ke dalam bagian bahan sehingga meningkatkan temperatur dan mengurangi kandungan air didalamnya.
Di daerah Lampung khususnya warga yang tinggal di wilayah Pulau Pasaran Kota Bandar Lampung penduduknya banyak yang bermata pencaharian sebagai nelayan, namun bukan sebagai nelayan tangkap, tetapi sebagai nelayan pengolahan ikan teri basah menjadi ikan teri kering. Dalam pengolahannya, ikan teri basah dikeringkan terlebih dahulu sebelum dipasarkan dengan tujuan memberikan pangawetan secara alami terhadap ikan teri. Pengeringan dilakukan untuk mengurangi kadar air sehingga aktifitas mikroorganisme yang merusak tubuh ikan dapat berkurang.
Mayoritas nelayan di pulau pasaran melakukan pengeringan dengan cara alami yaitu pemanfaatan sinar matahari secara langsung. Pengeringan dengan metode alami dinilai kurang efektif karena cuaca yang tidak menentu dan tidak bisa dikontrol. Pada cuaca yang tidak terkontrol pengeringan akan menjadi kurang baik dan berpengaruh pada waktu pengeringan serta penurunan kualitas dari produk
2
yang dihasilkan. Penurunan kualitas teri disebabkan oleh pengeringan yang kurang higienis karena pengeringan dilakukan pada tempat terbuka dan tempat yang seadanya.
Untuk mengatasi ketidakefektifan pengeringan alami maka dibutuhkan inovasi teknologi pengeringan mekanik yang dapat mengatasi pengeringan tanpa terkendala oleh cuaca dan waktu yang relatif lebih cepat. Salah satu metode pengeringan mekanis yang murah serta ramah lingkungan adalah pengeringan teri dengan menggunakan suplai panas hibrid.
Alat pengering ini menggunakan sistem hibrid yang mempunyai dua suplai panas yaitu dari kolektor surya dan radiator (heat exchanger tipe compact). Masingmasing alat pada suplai panas memiliki kegunaannya sendiri. Pada kolektor surya energi panas didapat dari radiasi matahari yang diserap oleh absorber kemudian dikonveksikan ke udara sehingga udara yang masuk adalah udara panas yang dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan.
Sedangkan pada radiator memanfaatkan sumber panas yang berasal dari air yang dipanaskan, yang pada tugas akhir ini disimulasikan menggunakan kompor gas kemudian air panas dialirkan melewati radiator dengan bantuan pompa air. Air panas yang mengalir berkontak langsung pada dinding-dinding radiator kemudian dikonveksikan ke udara sehingga udara yang masuk adalah udara panas.
Untuk sistem hibrid sendiri merupakan penggabungan dari suplai panas yang berbeda. Seperti saat cuaca mendung atau disaat panas radiasi matahari dirasa kurang optimal, suplai panas dari radiator dapat dikombinasikan dengan suplai
3
panas dari kolektor surya sehingga kombinasi dari suplai panas dapat digunakan secara kontiniu.
B. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Menentukan performansi dari masing-masing suplai panas yaitu kolektor surya dan radiator yang digunakan pada alat pengering. 2. Mengetahui laju perpindahan panas yang terjadi pada masing-masing suplai panas ke ruang pengering. 3. Melihat kemampuan dari sistem hibrid dalam menyuplai panas.
C. Batasan Masalah
Beberapa batasan masalah yang diberikan dalam penelitian ini adalah :
1. Suplai panas berasal dari kolektor surya dan radiator pada alat pengering. 2. Udara yang mengalir merupakan udara paksa akibat adanya exhaust fan. 3. Pengujian performansi dari kolektor surya dan radiator. 4. Ruang lingkup hanya pada pengujian suplai panas yaitu kolektor surya dan radiator.
4
D. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dari penelitian terdiri dari lima bab, yaitu : 1. Bab I Pendahuluan, berisi : Latar Belakang, Tujuan Penelitian, Batasan Masalah dan Sistematika Penulisan. 2. Bab II Tinjauan Pustaka, berisi : Teori-teori dasar yang digunakan dalam penelitian tugas akhir. 3. Bab III Metodelogi Penelitian, berisi : Tentang prosedur pembuatan alat serta diagram alir pelaksanaan penelitian. 4. Bab IV Hasil dan Analisis, berisi : Uraian Hasil pengujian dan pembahasan dalam penelitian tugas akhir. 5. Bab V Kesimpulan dan Saran, berisi : Simpulan hasil penelitian dan saransaran yang dapat diberikan. 6. Daftar Pustaka, berisi : Sumber-sumber yang menjadi referensi penulis dalam penyusunan penelitian.
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Pengeringan Ikan Teri
Pengeringan adalah mengurangi kadar air pada suatu bahan atau produk. Pengeringan ikan teri bertujuan untuk memperpanjang umur simpannya agar tidak ditumbuhi oleh mikroorganisme pembusuk. Dalam proses pengeringan dilakukan pengaturan terhadap suhu, kelembaban (humidity) dan aliran udara.
Menurut Banwatt, proses pengeringan dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme adalah untuk mempertahankan mutu produk terhadap perubahan fisik dan kimiawi yang ditentukan oleh perubahan kadar air, mengurangi biaya penyimpanan, pengemasan dan transportasi. Produk kering dapat digunakan sebagai bahan tambahan dalam pembuatan produk baru (Banwatt, 1981).
Proses pengeringan terjadi karena adanya panas yang berpindah dari udara sekitar terhadap permukaan dari bahan yang ingin dikeringkan. Sebagian dari panas yang ada masuk kedalam bagian bahan sehingga meningkatkan temperatur dan mengurangi kandungan air didalamnya.
Ikan teri adalah sekelompok ikan laut kecil anggota keluarga Engraulidae. Dengan ciri-ciri ikan teri yaitu mempunyai ukuran tubuh kecil dengan panjang sekitar 6-9 cm, gigi-giginya terdapat pada rahang, langit-langit dari pelatin dan
6
mempunyai lidah dan biasanya warna tubuh ikan teri berwarna perak kehijauan atau kebiruan, namun ada pula yang mempunyai ukuran relatif panjang hingga mencapai 17,5 cm.
Gambar 1. Contoh gambar ikan teri
Ciri morfologisnya adalah sebagai berikut umumnya tidak berwarna atau agak kemerahan, bentuk tubuh bulat memanjang, sepanjang tubuhnya terdapat garis putih keperakan, memanjang dari kepala hingga ekor, sisik kecil dan tipis serta mudah lepas, mulut agak tersayat kedalam, mencapai hingga belakang mata rahang bawah lebih pendek dari rahang atas (Hotomo, 1987).
Ikan teri yang dikeringkan adalah ikan teri yang direbus terlebih dahulu menggunakan air garam. Selama pengeringan kadar air akan diturunkan menjadi kurang dari 40% yang merupakan kadar air maksimum untuk ikan kering yang disyaratkan Standar Nasional Indonesia (SNI) 01-2721-1992.
7
Tabel 1. Komposisi nilai gizi ikan teri (Stolephorus sp.) per 100 gram.
Sumber : Direktorat Bina Gizi Masyarakat dan Pusat Penelitian dan pengembangan Gizi, DEPKES (1990).
B. Kolektor Surya
Kolektor surya merupakan suatu alat yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian kecil cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan pada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.
8
1. Intensitas Radiasi Matahari pada Kolektor Surya Untuk mendapatkan panas yang maksimal pada kolektor surya, intensitas radiasi matahari pada permukaan kolektor surya di setiap waktu surya ditentukan oleh sudut-sudut yang dibentuk antara matahari dan permukaan kolektor surya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Sudut-sudut yang dibentuk oleh matahari terhadap permukaan kolektor surya.
Energi thermal dari cahaya matahari adalah jenis energi yang terbarukan. Panjang gelombang radiasi matahari yang diterima di permukaan bumi berada pada daerah 0,29 sampai 2,5 µm. Emisi radiasi dari matahari ke bumi menghasilkan intensitas radiasi surya yang hampir tetap diluar atsmosfer bumi. Solar Constant (konstanta surya) Gsc = 1367 W/m2 (World Radiation Center) merupakan energi dari matahari setiap satuan waktu yang diterima suatu satuan area permukaan tegak lurus dengan arah perambatan radiasi pada jarak ratarata bumi-matahari, di luar atmosfer.
Setiap hari matahari terbit di timur dan ketika semakin meninggi di langit, maka volume energinya meningkat hingga mencapai puncaknya pada tengah hari (setengah rotasi antara terbit dan terbenam). Setelah itu (pada saat matahari bergerak ke arah barat), energi yang tersedia berkurang. Efek lain
9
yang kita perlu ingat adalah bahwa bumi mengitari matahari sepanjang tahun. Hal ini berada di belahan bumi selatan (dan tidak berada di garis kathulistiwa), maka anda akan mengalami musim dingin, oleh karena jalur matahari akan rendah di ufuk utara. Sebaliknya pada saat musim panas, matahari akan berada pada jalur tinggi di ufuk utara. Anda yang berada di belahan bumi utara akan menyaksikan matahari mengikuti jalur yang sama tetapi di ufuk selatan. Hal ini terjadi karena bumi mengitari matahari, maka dampaknya pada bumi adalah matahari mengikuti jalurnya (Vries DKK, 2011).
2. Klasifikasi Kolektor Surya Kolektor Surya memilki 3 klasifikasi yang termasuk ke dalam thermal collector system dan juga memilki korelasi berdasarkan dimensi dan geometrinya yaitu :
a. Flat-plate collectors yaitu kolektor surya yang digunakan untuk memanaskan
fluida
kerja
yang
mengalir
kedalamnya
dengan
mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan, minyak dan udara. Kolektor surya plat datar (flatplate collector) mempunyai temperatur keluaran dibawah 950C dan dalam pengaplikasiannya kolektor surya 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
10
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara dan proses-proses pemanasan dalam industri (Duffie,1991).
Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang berupa plat datar dan juga bersirip, terbuat dari material dengan konduktivitas thermal tinggi dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor surya dengan plat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar (beam dan diffuse ), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanasan air, pengkondisian udara ruangan, dan proses panas industri.
Gambar 3. Kolektor surya sederhana (Duffie,1991). b. Concentrating collectors merupakan jenis yang dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100-400 0C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Berdasarkan komponen absorbernya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu dan point focus.
11
Gambar 4. Konsentrator Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 4000C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar 4.
c. Evacuated tube collector yaitu jenis yang dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efesiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya 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 (Alpha, Ismanto. 2009).
Gambar 5. Evacuated Receiver
12
3. Komponen Kolektor Surya Kolektor surya mempunyai tiga komponen penting yaitu : a. Penutup transparan (kaca bening), dimana panas matahari dapat masuk dan akan tertahan di dalam seperti halnya efek rumah kaca. Seperti pada gambar 6, panas radiasi matahari diserap oleh absorber yang merupakan plat almunium berwarna hitam, sebagian panas akan di pancarkan kesegala arah, karena itu untuk mengurangi daya pancar tersebut ke lingkungan perlu penutup transparan pada kolektor.
Gambar 6. Radiasi matahari pada kolektor surya.
b. Absorber adalah bagian kolektor ycang berfungsi untuk menyerap dan panas matahari. Absorber ini diberi warna hitam agar memaksimalkan penyerapan panas. Absorber kolektor surya di pilih material yang memiliki konduktifitas yang tinggi agar menghasilkan panas yang baik. c. Isolator atau penyekat panas digunakan untuk menyekat panas agar panas tidak menyebar keluar kolektor. Penyekat panas (isolator) harus terbuat dari bahan yang dengan nilai konduktivitas termal yang rendah. Bentuk dan bagian-bagian dalam kolektor surya digambarkan pada gambar 7 (Sukhatme, 1996).
13
Gambar 7. Kolektor surya pelat datar bersirip longitudinal (Sukhatme, 1996).
Pada gambar 7, kolektor surya yang ditambahkan pelat datar bersirip longitudinal akan meningkatkan perpindahan panas dan efisiensi. Luas permukaan kolektor surya antara satu sampai dua meter persegi dan kontruksi serta ukuran yang digunakan hampir menyerupai kolektor surya plat datar aliran liquid. Dalam menganlisis kolektor surya dengan pelat datar bersirip longitudinal, harus memperhatikan tinggi sirip (Lf), Tebal sirip (δf), jarak titik pusat antara sirip (W), dan juga jarak antara pelat penyerap atas dan pelat penyerap bagian bawah (L) serta celah antara sirip dan pelat penyerap bagian bawah (L – Lf) (Sukhatme, 1996). C. Jenis-jenis Heat Exchanger
Penukar panas (heat exchanger) adalah terapan dari perpindahan panas dimana alat yang digunakan untuk menukarkan panas secara kontiniu dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Suatu heat exchanger terdiri dari elemen penukar panas yang disebut sebagai inti atau matrix yang berisikan di dinding penukar panas, dan elemen distribusi fluida seperti tangki, nozzle masukan, nozle keluaran, pipa-pipa, dan lain-lain. Biasanya, tidak ada pergerakan
14
pada bagian-bagian dalam heat exchanger. Namun, ada perkecualian untuk regenerator rotary dimana matriksnya digerakan berputar dengan kecepatan yang dirancang. Dinding permukaan heat exchanger adalah bagian yang bersinggungan langsung dengan fluida yang mentransfer panasnya secara konduksi.
Suatu heat exchanger terdiri dari elemen punukar kalor yang disebut sebagai inti atau matriks yang berisikan di dinding penukar panas, dan elemen distribusi fluida seperti tangki, nozzle masukan, nozzle keluaran, pipa-pipa, dan lain-lain. Dinding permukaan heat exchanger adalah bagian yang bersinggungan langsung dengan fluida yang mentransfer panasnya secara konduksi (T, Kuppan, 2000).
Hampir disemua heat exchanger perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt, dan bilangan Prandtl fluida (Cengel,1992).
Dilihat dari kontak antar fluida ada dua tipe penukar panas, yaitu :
1. Direct heat exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain. Yang tergolong Direct heat exchanger adalah cooling tower dimana operasi perpindahan panasnya terjadi akibat adanya kontak langsung antara air dan udara.
2. Indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar dipisahkan oleh sekat/dinding dan panas yang berpindah juga melewatinya. Yang tergolong
15
indirect heat exchanger adalah penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan compact heat exchanger.
Secara umum prinsip kerja dari heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan
panas, dimana terjadi perpindahan panas dari fluida yang
temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. Ada suatu dinding metal yang menyekat antara kedua fluida yang berlaku sebagai konduktor.
Banyak sekali alat penukar panas yang dapat ditemui dipasaran. Salah satunya adalah radiator jenis compact heat exchanger. Alat penukar panas ini merupakan alat penukar panas yang permukaannya diperluas oleh sirip-sirip. Heat exchanger tipe compact dapat dilihat pada gambar 8 berikut ini.
Gambar 8. Radiator (heat exchanger tipe compact )
D. Modul perpindahan panas
Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dari termodinamika telah kita ketahui bahwa energi yang pindah itu dinamakan kalor atau panas (heat). Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, tetapi juga
16
dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Kenyataan di sini yang menjadi sasaran analisis ialah masalah laju perpindahan, inilah yang membedakan ilmu perpindahan kalor dari ilmu termodinamika. Termodinamika membahas sistem dalam keseimbangan, ilmu ini dapat digunakan untuk meramal energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari suatu keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan itu.
Hal ini disebabkan karena pada waktu proses perpindahan panas berlangsung, sistem tidak berada dalam keadaan seimbang. Ilmu perpindahan panas melengkapi hukum pertama dan kedua termodinamika, yaitu dengan memberikan beberapa kaidah
percobaan yang dapat dimanfaatkan untuk menentukan perpindahan
energi. Sebagaimana juga dalam ilmu termodinamika, kaidah-kaidah percobaan yang digunakan dalam masalah perpindahan kalor cukup sederhana, dan dapat dengan mudah dikembangkan sehingga mencakup berbagai ragam situasi praktis. Beberapa jenis perpindahan panas yang terjadi seperti :
1. Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi oleh karena adanya gradien temperatur didalam media yang diam, misalnya perpindahan panas yang terjadi dalam benda padat dengan media penghantar panas tetap. Di dalam benda-benda padat, perpindahan panas timbul karena atom-atom pada temperatur yang lebih tinggi bergetar dengan lebih bergairah, sehingga atom-atom tersebut dapat memindahkan tenaga kepada atom-atom yang lebih lesu yang berada di dekatnya dengan kerja mikroskopik yakni kalor.
17
Di dalam logam-logam, elektron-elektron bebas juga membuat kontribusi kepada proses hantaran kalor. Di dalam sebuah cairan atau gas, molekulmolekul juga giat (mudah bergerak), dan tenaga juga dihantar oleh tumbukantumbukan molekul (Reynold dan Perkins, 1983).
Besarnya energi konduksi disebut juga laju konduksi ditentukan oleh persamaan (2.1) berikut:
atau …………..……………………...……………………..(2.1) Keterangan: q = Laju perpindahan panas (W) T =Temperatur benda ( o K ) l = Ketebalan dinding ( m ) k = Koefisien konduski ( ⁄
)
A = Luas penampang (m2) Dimana q adalah laju perpindahan panas, A adalah penampang luas untuk aliran panas,
adalah gradien suhu ke arah perpindahan panas dan k
merupakan konduktivitas termal. Tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa panas mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu (Bejan dan Kraus, 1948).
18
Energi termal dihantarkan dalam zat padat menurut salah satu dari dua modus berikut: melalui getaran kisi (lattice vibration) atau dengan angkutan melalui elektron bebas. Dalam konduktor listrik yang baik, dimana terdapat elektron bebas yang bergerak di dalam struktur kisi bahan-bahan, maka electron di samping dapat mengangkut muatan listrik, dan dapat pula membawa energi termal dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah sebagaimana halnya dalam gas. Energi dapat pula berpindah sebagai energi getaran dalam struktur kisi bahan. Namun, pada umumnya perpindahan energi melalui getaran ini tidaklah sebanyak dengan cara angkutan elektron. Karena itu penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik pula, seperti halnya tembaga, aluminium dan perak. Sebaliknya isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor (Holman,1997).
2. Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi merupakan proses perpindahan panas yang terjadi karena adanya gradien temperatur dan memerlukan media yang bergerak atau mengalir seperti fluida. Konveksi juga merupakan mekanisme perpindahan panas antara permukaan benda padat dan fluida ( cairan atau gas ) yang bergerak. Perpindahan panas konveksi dapat dihitung menggunakan persamaan (2.2) yaitu : q
= h ∙A ∙
………………..………………………………..……... (2.2)
Dimana : q
= Laju perpindahan panas (W)
h
= Koefisien perpindahan panas konveksi ( W/ m2∙K )
19
= Luas penampang (m2)
A
= Perbedaan temperatur (K)
Banyak parameter yang mempengaruhi perpindahan kalor konveksi didalam sebuah geometri khusus. Fluks kalor dari permukaan padat akan bergantung juga pada temperatur permukaan (Ts) dan temperatur fluida (Tf), tetapi biasanya dianggap bahwa (ΔT = Ts - Tf) yang penting. Akan tetapi, jika sifatsifat fluida berubah dengan nyata pada daerah pengkonveksi (convection region), maka temperatur-temperatur absolute Ts dan Tf dapat juga merupakan faktor-faktor penting didalam korelasi. Jelaslah bahwa dengan sedemikian banyak variable-variabel penting maka korelasi spesifik akan sulit dipakai, dan sebagai konsekuensinya maka korelasi-korelasi biasanya disajikan dalam pengelompokkan-pengelompokkan tak berdimensi (dimension less groupings) yang mengizinkan representas-representasi yang jauh lebih sederhana. Juga faktor-faktor dengan pengaruh yang kurang penting, seperti variasi sifat fluida dan
distribusi
temperatur
dinding,
seringkali
diabaikan
untuk
menyederhanakan korelasi-korelasi tersebut (Stoecker dan Jones, 1982).
Aliran udara disebabkan oleh adanya kipas (exhaust fan) maka disebut aliran paksa, dan apabila disebabkan oleh gardien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.
a. Konveksi alamiah (Natural Convection) Konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection), terjadi karena fluida yang karena proses pemanasan berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Radiator panas yang
20
digunakan untuk memanaskan ruang merupakan suatu contoh piranti praktis yang memindahkan kalor dengan konveksi bebas. Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida itu gas maupun zat cair terjadi karena gaya apung (bouyancy force) yang dialaminya apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan. Gaya apung itu tidak akan terjadi apabila fluida itu tidak mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi (gaya berat), walaupun gravitasi bukanlah satu-satunya medan gaya luar yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas. Fluida yang terkurung dalam mesin rotasi mengalami medan gaya sentrifugal, dan karena itu mengalami arus konveksi bebas bila salah satu atau beberapa permukaannya yang dalam kontak dengan fluida itu dipanaskan (Holman, 1997).
Gambar 9. Aliran konveksi alamiah pada plat datar vertikal
b. Konveksi Paksa (Force Convection) Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang mana dialirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa
21
dalam saluran udara merupakan konveksi untuk aliran dalam. Adapun aliran yang terjadi dalam saluran udara atau pipa adalah fluida yang dibatasi oleh suatu permukaan. Sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada aliran luar. Fenomena perpindahan panas aliran di dalam saluran yang dinyatakan dengan persamaan (2.3): ̇
…………………...…………….…………………….….(2.3)
Dengan laju aliran massa udara didapat dengan persamaan (2.4) yaitu : ̇
………………………………………………………..…(2.4)
Keterangan : q
= laju perpindahan panas (W) ̇
= laju aliran massa udara (kg/s)
cp
= panas spesifik (kJ/kg ∙K)
ρ
= massa jenis (kg/m3)
V
= kecepatan udara (m/s)
A
= Luas penampang (m2)
3. Perpindahan Panas Radiasi Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh penjalaran (rambatan) foton yang tak terorganisir. Setiap benda yang terus memancarkan foton-foton secara serampangan di dalam arah dan waktu, dan tenaga netto yang dipindahkan oleh foton-foton ini diperhitungkan sebagai kalor. Bila foton-foton ini berada di dalam jangkauan panjang gelombang 0,38 sampai 0,76 µm, maka foton-foton tersebut mempengaruhi mata kita sebagai sinar cahaya yang tampak (dapat dilihat). Bertentangan dengan itu, maka setiap tenaga foton yang terorganisir, seperti transmissi radio, dapat diidentifikasikan
22
secara mikroskopik dan tak dipandang sebagai kalor (Reynold dan Perkins,1983).
Pembahasan termodinamika menunjukkan bahwa radiator (penyinaran) ideal, atau benda hitam (blackbody) memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolute benda itu dan berbanding langsung dengan luas permukaan. Dengan menggunakan persamaan (2.5) berikut : …………………………………………………….… (2.5)
Di mana
adalah konstanta Stefan Boltzmann, .
merupakan emisivitas , A luas dari
permukaan ( m2 ) dan T adalah temperatur suhu ( o K ). Oleh karena itu benda nyata tidak berwarna “hitam” memancarkan energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan suatu benda hitam pada suhu yang sama. Ciri khas pertukaran energi radiasi yang penting lagi adalah sifatnya yang menyebar secara merata ke segala arah. Karena itu hubungan geometric antara kedua permukaan akan mempengaruhi pertukaran energi radiasinya (Reynold dan Perkins, 1983).
E. Efektivitas HE
Secara umum, efektivitas didefenisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan kalor yang sebenarnya dengan laju perpindahan kalor maksimum yang mungkin.
23
Sehingga nilai efektivitas panas dapat dihitung menggunakan persamaan : ..……………………………...……….....…………………........(2.6) Dimana : q
= Perpindahan panas aktual (W) = Perpindahan panas maksimum yang mungkin (W)
Untuk menghitung efektivitas penukar panas, perlu dihitung terlebih dahulu besaran laju perpindahan panas aktual (q) dan besaran laju perpindahan panas maksimum yang mungkin secara hipotesis (qmax) pada penukar panas. Nilai besaran qmax menunjukkan besarnya panas maksimum yang dapat ditransfer atau dipindahkan di antara kedua fluida pendingin. Nilai qmax pada penukar panas dapat dicapai apabila panjang penukar panas tak hingga. Pada penukar panas yang panjangnya tak hingga, akan dicapai beda temperatur fluida pendingin maksimum sebesar Th,i - Tc,i ( perbedaan antara temperatur inlet pada sisi panas dan temperatur inlet pada sisi dingin ). Selain itu, nilai qmax juga dipengaruhi oleh nilai laju alir massa pendingin dikalikan dengan panas spesifik yang minimum. Nilai perkalian laju alir massa pendingin dengan panas spesifik sering disebut sebagai laju kapasitansi panas (Ch dan Cc). Nilai Ch dan Cc masing-masing menunjukkan nilai laju kapasitansi panas untuk fluida panas dan fluida dingin. Nilai terkecil diantara nilai Ch dan nilai Cc disebut sebagai laju kapasitansi panas minimum (Cmin). Alasan pemilihan laju kapasitansi panas minimum adalah untuk mencakup perpindahan panas maksimum yang mungkin di antara kedua fluida kerja (Incropera, Frank P. 1996).
24
Dengan demikian nilai laju perpindahan panas maksimum (qmax) dapat dihitung dengan persamaan. : (
)……………………..……….………………….(2.7)
Kapasitas panas setiap fluida dapat dicari melalui persamaan : ̇
……………………………………………………………….......(2.8)
Keterangan : ̇ Cp
= Laju aliran fluida (kg/s) = Panas spesifik fluida (kJ/kg K)
Untuk menentukan perpindahan panas maksimum bagi penukar panas itu harus dipahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan temperatur sebesar beda temperatur maksimum yang terdapat dalam penukar panas itu, yaitu selisih temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin perpindahan panas maksimum yang mungkin dinyatakan dalam persamaan (2.7). Dimana,
merupakan kapasitas panas yang terkecil antara fluida dingin dan
fluida panas. Jika
maka nilai efektifitas dapat dicari dengan persamaan
berikut : (
) (
)
( (
Sedangkan untuk
) )
…………………….......………....(2.9)
, nilai efektifitas dapat dicari dengan persamaan
berikut : (
) (
)
(
)
(
)
…………………….……….….....(2.10)
25
F. Efisiensi Kolektor Surya
Prinsip dasar untuk menghitung efisiensi kolektor adalah dengan membandingkan besar kenaikan temperatur fluida yang mengalir di dalam kolektor dengan intensitas cahaya matahari yang diterima kolektor (Sukhatme,1996). Unjuk kerja suatu kolektor surya biasanya dinyatakan dalam efisiensi yang didefinisikan sebagai: ………………………………………..…………………………...(2.11)
̇
…….............................................................................(2.12)
Keterangan :
ᶯ
= Efesiensi (%)
̇
= Laju massa fluida (kg/s)
Tfo
= Temperatur fluida masuk (OC)
Tfi
= Temperatur fluida keluar (OC)
Ac
= Luas permukaan kolektor (m2)
IT
= Iradiasi surya ( W/m2)
III. METODELOGI PENELITIAN
A. Materi Penelitian
Pelaksanaan waktu penelitian dilakukan pada bulan Agustus 2015 dan berdasarkan dimensi suplai panas pada alat pengering yang telah dibuat yaitu sebagai berikut :
1.
Dimensi kolektor surya. Kolektor surya dengan rangka kolektor dibuat di mebel dengan ukuran 80 cm x 150 cm x 8 cm, sebanyak 3 buah. Dengan isolator bagian bawah kolektor menggunakan serbuk gergaji dan absorber menggunakan pelat datar bersirip ke atas dan ditempatkan diatas ruang pengering agar dapat dengan mudah menerima radiasi matahari saat digunakan. Dengan dimensi adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Dimensi kolektor surya bersirip longitudinalp. No.
Dimensi
Rasio W/Lf = 3
1
Panjang plat penyerap (w)
150 cm
2
Lebar plat penyerap (b)
80 cm
Jarak antara plat penyerap atas dan 3 penyerap bawah (L)
4 cm
27
4
Tebal plat penyerap (δ)
0.5 mm
5
Tinggi sirip (Lf)
2 cm
6
Tebal sirip (δf)
1 mm
7
Jarak anatara titik pusat ke sirip (w)
6 cm
Celah antara sirip dan pelat penyerap 8
2 cm
bawah (L-Lf) 9
Jumlah sirip (N)
16 buah
(c)
Gambar 10. Dimensi kolektor surya.
Gambar 11. Kolektor surya setelah terpasang pada alat pengering.
28
2.
Dimensi saluran udara dan Radiator ( Heat Exchanger ). Untuk heat exchanger yang digunakan adalah radiator mobil. Saluran udara berdimensi 30 cm x 40 cm yang menyesuaikan dengan dimensi radiator, jenis radiator yang digunakan adalah
radiator mobil kijang kapsul yang
banyak tersedia dipasaran serta lebih ekonomis. Pada saluran udara radiator menggunakan isolator gabus (styrofoam) dengan konduktivitas termal 0,038 W/m.C. Fungsi dari saluran udara sebagai penghubung untuk menghisap atau mengalirkan udara panas dari kolektor surya dan radiator ke ruang pengering dengan bantuan exchause fan. Exchause fan menggunakan penggerak listrik 45 watt dengan diameter 10 inci yang dipasang di dalam saluran udara.
(a)
(b)
Gambar 12. (a) Radiator yang telah terpasang (Heat Exchanger) dengan air yang dipanaskan menggunakan tungku biomassa yang disimulasikan menggunakan kompor gas. (b) Sketsa alat pengering setelah terpasang semua.
29
B. Alat Ukur yang Digunakan
Alat ukur adalah alat bantu pengambilan data pada saat melakukan pengujian. Data yang diambil merupakan data temperatur, kecepatan udara, dan tegangan listrik. Beberapa alat ukur yang akan digunakan dalam penelitian ini antara lain :
a)
Termokopel Digunakan untuk mengetahui temperatur udara yang masuk maupun keluar di setiap titik yang telah ditentukan pada suplai panas. Alat ini dipilih karena paling fleksibel dan memilki tingkat keakuratan tinggi dalam mengukur temperature udara.
Gambar 13. Termokopel b)
Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengetahui kecepatan dari aliran udara. Pada penelitian ini digunakan untuk mengukur kecepatan udara ruang pengering yang dihasilkan oleh exhaust fan yang terpasang didalam saluran udara.
30
Gambar 14. Anemometer c)
Solar Power Meter
Solar Power Meter adalah alat untuk mengukur intensitas radiasi matahari yang akan diterima oleh kolektor surya pada penelitian dengan cara menghadapkan sensor pada Solar Power Meter ke arah matahari.
Gambar 15. Solar Power Meter
d)
Regulator Tegangan (voltage Regulator)
Digunakan untuk mengatur tegangan listrik pada exchause fanyang berpengaruh untuk memvariasikan kecepatan udara.
31
Gambar 16. Regulator Tegangan (voltage Regulator)
C. Metode Pengujian
Dalam proses pengujiannya alat pengering
menggunakan sistem hibrid yang
menggunakan dua jenis suplai panas berbeda yaitu kolektor surya serta radiator. Suplai panas yang bersumber dari kolektor surya dan radiator kemudian diuji untuk mengetahui besar panas udara yang dihasilkan serta karakteristiknya. Adapun persiapan awal yang dilakukan yaitu :
1.
Meletakan suplai panas yaitu kolektor surya yang telah terpasangpada ala pengering dengan posisi menghadap kearah utara dengan letak lintang 5,27
LS supaya permukaan kolektor surya tegak lurus terhadap lintasan
matahari, dengan tujuan agar kolektor surya mendapatkan intensitas cahaya matahari lebih maksimal. 2.
Pada radiator air dipanaskan disimulasikan menggunakan
menggunakan tungku biomasa yang
kompor gas kemudian air panas
dialirkan
menggunakan pompa air yang berfungsi sebagai pemasok fluida panas ke radiator.
32
3.
Selanjutnya pengukuran laju aliran udara dari exchause fandilaksanakan sebelum pengujian dimulai. Untuk mengukur kecepatan udara menggunakan anemometer dengan satuan kecepatan udara ialah m/s. Besarnya tegangan pada exchause fan divariasikan menggunakan voltage regulator guna mendapatkan kecepatan udara. Berikut adalah hasil pengukuran kecepatan udara dari exchause fan . Tabel 3. Pengukuran kecepatan udara pada exchause fan.
1.
Beda Potensial exchause fan( V ) 160
Kecepatan Aliran Udara (m/s) 0,8
2.
180
1,3
3.
220
1,8
No.
Metode pengukurannya cukup sederhana hanya dengan meletakan anemometer tersebut pada saluran udara yang menghembuskan udara maka LCD (Liquid Crystal Display) dari anemometer tersebut akan menunjukan kecepatan udara yang terukur seperti yang di tunjukan pada table 3.
D. Tahap Pelaksanaan
Adapun Tahap pelaksanaan yang dilakukan dalam penelitian
dapat dilihat
dibawah ini :
1.
Melakukan studi literatur Studi literatur dilakukan untuk memahami teori dasar serta perhitungan yang akan digunakan berkaitan dengan pelaksanaan Tugas Akhir dan digunakan sebagai tinjauan pustaka.
33
2.
Pengujian pada suplai panas Melakukan pengujian terhadap Radiator dan
Kolektor Surya untuk
mengetahui karekteristik dari alat. Pengujian meliputi mengukur temperatur udara keluaran dari suplai panas, apakah sesuai dengan temperatur yang dibutuhkan untuk mengeringkan ikan teri.
3.
Pembahasan dan kesimpulan Membahas hasil dari penelitian yang telah diuji serta memberikan kesimpulan terhadap tujuan penelitian dalam mencari karakteristik dari suplai panas.
E. Pengujian dan Pengambilan Data
Pengujian dilakukan terhadap masing-masing suplai panas yaitu Kolektor Surya dan Radiator (Heat Exchanger). Urutan pengambilan data dengan variasi tegangan pada exchause fan adalah sebagai berikut : 1.
Pengujian pada radiator .
Pengujian ini dilakukan untuk mendapatkan data temperatur udara sehingga dapat diketahui besar energi panas yang dihasilkan oleh radiator serta pencapaian waktu hingga temperatur udara stabil. Waktu tersebut akan digunakan sebagai acuan dimulainya pengambilan data pada pengujianpengujian berikutnya. Prosedur yang akan dilakukan dalam pengambilan data pada pengujian ini adalah sebagai berikut :
Mengeset pengapian untuk proses pemanasan air yang nantinya akan dialirkan ke radiator dengan bantuan dari pompa air.
34
Menghidupkan exchause fan yang berada di dalam saluran udara dengan variasi tagangan yang telah ditentukan (160V, 180V, dan 220V) kemudian ditunggu sampai aliran udara stabil.
Mengukur kecepatan aliran udara paksa V ( m/s ).
Mencatat temperatur air masuk ( Th,in ) ke radiator dengan memasang termokopel pada saluran air masuk menuju radiator.
Mencatat temperatur air keluar (Th,out) dari radiator dengan memasang termokopel pada saluran air keluar radiator.
Mengukur
temperatur
udara
masuk ( Tc,in) dan temperatur udara
keluar ( Tc,out) radiator. Tabel 4. Pengujian pada radiator dengan variasi aliran udara pada tegangan 160, 180, dan 220 Volt. Variasi Tegangan Pada exchause fan (V)
Kecepatan Udara (m/s)
Waktu (menit)
10 160
0,8
20 30 ….. 10
180
1,3
20 30 ….
220
1,8
10
( Th,in )
(Th,out) (Tc,in)
( Tc,out)
35
20 30 …. 2.
Pengujian pada Kolektor Surya
Beberapa tahap yang dilakukan dalam pengujian suplai panas dari kolektor surya yaitu :
Kolektor surya yang telah terpasangpada alat pengering berada pada posisi menghadap kearah utara dengan letak lintang
5,27
LS. Hal
tersebut dimaksudkan untuk memaksimalkan penyerapan radiasi matahari.
Mencatat intensitas dari radiasi matahari (IT) yang diterima oleh kolektor surya yang terbaca pada Solar Power Meter tepat di atas kolektor surya .
Mencatattemperatur udara masuk kedalam kolektor
Mencatat temperatur udara keluar dari kolektor
Mencatat temperatur permukaan plat penyerap kolektor (absorber )
(oC) (oC)
(oC).
Tabel 5. Pengujian pada kolektor suryadengan variasi laju aliran udara pada tegangan 160, 180, dan 220 Volt. Variasi Tegangan Pada exchause fan (V)
Kecepatan Udara (m/s)
160
0,8
Waktu Surya 09:00 09:30
(oC)
(oC)
2 (oC) IT (w/m )
36
…. 16:00 09:00 180
1,3
09:30 …. 16:00 09:00
220
1,8
09:30 …. 16:00
Tabel 6. Pengambilan data Intensitas Radiasi Matahari Aktual Waktu Surya 09:00 09:30 …… 16:00
Intensitas Radiasi Matahari Aktual IT ( w/m2 ) Berdasarkan Solar Power Meter Hari I Hari II Hari III
37
F. Diagram Alir Penelitian
Secara garis besar, alur pelaksanaan penelitian ini dijelaskan pada diagram alir penelitian secara global dibawah : Mulai
Mengukur dimensi penukar panas dan mengukur kecepatan udara
Menyiapkan alat ukur (Anemometer, termokopel, solar power meter dan voltage regulator)
Menyiapkan bahan (air yang akan dipanaskan, bahan bakar gas)
Set Up alat Uji ( menghidupkan pompa air, exchause fan, digital termokopel, solar power meter)
Pengujian Radiator pada tegangan listrik exchause fan (160V,180V,220V) untuk mendapatkan (Th,in),(Th,out), (Tc,in) dan (Tc,out)
Pengujian Kolektor Surya pada tegangan listrik exchause fan (160V,180V,220V) untuk mendapatkan (Tfi),(Tfo), (Tpm) dan (IT)
Pengolahan data (menghitung perpindahan panas yang terjadi)
Selesai
Gambar 17. Diagram alir penelitian secara global.
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Berdasarkan hasil pengujian terhadap keseluruhan suplai panas yang telah dilaksanakan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1.
Performansi masing-masing suplai panas paling baik pada aliran massa udara 1,8 m/s dengan efektivitas pada radiator sebesar 0,58 dan pada kolektor surya efisiensi sebesar 0,20.
2.
Dalam perbedaan variasi kecepatan udara dapat disimpulkan bahwa laju perpindahan panas yang paling baik terdapat pada kecepatan udara 1,8 m/s. Sehingga didapat besar energi laju perpindahan panas dari kolektor surya 5,5 kW dan pada radiator didapat 5,1 kW.
3.
Suplai panas sistem hibrid dapat diterapkan pada alat pengering ikan teri ini karena masing-masing suplai panas yaitu kolektor surya dan radiator mampu menghasilkan temperatur udara panas yang dibutukan ruang pengering di 50oC
58
B. Saran Berdasarkan berbagai pembahasan yang telah dilakukan, maka saran-saran yang dapat diberikan adalah sebagai berikut :
1.
Dalam penyambungan pipa ke radiator sebaiknya dilakukan lebih teliti agar tidak terjadi kebocoran.
2.
Perlunya pengoptimalan untuk suplai panas agar pengeringan dapat lebih efesien dalam waktu.
3.
Disarankan agar pengambilan data temperatur menggunakan data logger untuk penyimpan data, karena pengujian dilakukan selama 6-8 jam nonstop sehingga akan memudahkan pengujian dan data yang diambil lebih akurat.
DAFTAR PUSTAKA
Alpha,
Ismanto.
2009.
http://Ismantoalpha.blogspot.com/Macam-Macam
Kolektor Surya. Diakses 25 Oktober 2015
Banwatt, George. 1981. Basic Food Microbiology. Connecticut: The Avi Publishing Company, Inc
Bejan, Adrian dan Kraus, Alan D. 1948. Heat Transfer Hadbook. John Wiley & Sons. Newyork. Budi, Nugroho,S.T.2005.“Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Kolektor Pemanas
Udara
Pelat
Datar
Aliran
Alamiah”.Teknik
Mesin
Universitas Lampung. Lampung.
Cengel, Yunus A., Boles, Michael A. 1992. Thermodynamic: An Engineering Approach Second Edition. Mc Graw Hill, Inc. New York City.
Duffie John A., and William A. Beckam. 1991."Solar Engineering Of Thermal Process".2nd ed. John Willey & Sons,Inc.USA.
Hutomo M, Burhanuddin, A. Djamali, S. Martosewojo. 1987. Sumberdaya Ikan Teri di Indonesia. Jakarta : Proyek Studi Sumberdaya Laut. Pusat Penelitian
dan
Pengembangan
Oseanologi-LIPI.
Holman, J.P. 1997. Perpindahan Kalor Edisi Keenam Alih Bahasa Jasjfi. Erlangga Jakarta.
Incropera, Frank P dan De Witt, Davit P. 1996. Fundaamental Of Heat And Mass Transfer Fourth Edition. Jhon Wiley & Sons, Inc. Newyork. Stoecker, Wilbert F and Jones, Jerold W. 1982. Refrigeration and Air ConditioningI. New York. Sukadana, I Gst.Ketut ., DKK. 2010. “Analisa Performa Kolektor Surya Pelat Datar Bersirip dengan Aliran di Atas Pelat Penyerap”. Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. Bali. Sukhatme, Suhas P. 1996. “Solar Energy, Prinsiples Of Thermal Collection and Storage”, 2nd ed. Tata Mc Grow-Hill. New Delhi.
Kuppan, T. 2000. Heat Exchanger Design Handbook. Maercel Deker Inc. New York.
Reynolds, William C dan Perkins, Henry C. 1983. Engineering Thermodinamics. McGraw Hill. New York.
Vries DKK. 2011. Energi yang Terbarukan. Jakarta
www.slideshare.net/aneuk1/kajian–sstem–kolektor–panas–mathri–utk–pengeringedited.(diakses tanggal 20 Oktober 2015)
