RANCANG BANGUN SISTEM PENYIMPANAN PANAS LATEN UNTUK PENGERINGAN GABAH DENGAN KOLEKTOR SURYA
YUSNITA ONI NAPITU
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah Dengan Kolektor Surya adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Agustus 2014 Yusnita Oni Napitu NIM F14100045
ABSTRAK YUSNITA ONI NAPITU. Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten untuk Pengeringan Gabah dengan Kolektor Surya. Dibimbing oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN. Sistem penyimpanan panas laten yang terintegrasi dengan kolektor surya yang dirancang pada penelitian ini terdiri dari kolektor surya plat datar, tangki penyimpanan panas laten, penukar panas, radiator, blower dan ruang pengering. Material untuk menyimpan panas laten adalah lilin parafin. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian titik leleh parafin, efisiensi kolektor surya, dan energi berguna dari parafin selama proses pengisian panas dan pelepasan panas. Dari hasil pengujian efisiensi kolektor, nilai efisiensi terbesar adalah 28% dengan total energi berguna 4956.582 kJ pada pengujian pertama dan 4868.17 kJ pada pengujian kedua dan dengan laju aliran massa 0.0374 kg/s. Total energi selama proses pengisian panas ke parafin adalah 1532.59 kJ dalam waktu 4 jam pada pengujian-1 dan 1539.23 kJ dalam waktu 6 jam 15 menit pada pengujian-2. Total energi pelepasan panas oleh parafin pada pengujian-1 adalah 1368.82 kJ dalam waktu 10 jam 45 menit dan 1411.39 kJ dalam waktu 10 jam 30 menit pada pengujian-2. Perbedaan suhu ruang pengering dengan suhu lingkungan pada pengujian-1 adalah 5-7oC dan 7-9oC dari awal sampai akhir proses pelepasan panas. Kata kunci: kolektor surya, lilin parafin, penyimpanan panas laten, pengisian dan pelepasan panas, pengeringan.
ABSTRACT YUSNITA ONI NAPITU. Design of Latent Heat Storage Systems in Paddy Drying Process with Solar Collector. Supervised by LEOPOLD OSCAR NELWAN. The latent heat storage system integrated with solar collector that was designed in this study consists of a flat plate solar collector, latent heat storage tank, heat exchanger, radiator, blower, and drying chamber. Paraffin wax was the material used in latent heat storage. Performance tests were paraffin melting point, efficiency of solar collectors, and useful energy from paraffin during the charging and discharging process. The results showed that the maximum collector efficiency was 28% and total maximum useful energy on first test was 4956.582 kJ and 4868.17 kJ on second test with the mass flow rate of water was 0.0374 kg/s. Total heat energy during the charging process was 1532.59 kJ within 4 hours on first test and 1539.23 kJ within 6 hours and 15 minutes on the second test. The total heat energy released by the paraffin on the first test was 1368.82 kJ within 10 hours and 45 minutes and 1411.39 kJ within 10 hours and 30 minutes on the second test. The temperature difference between drying chamber with the ambient temperature at the first test was 5-7°C and 7-9° C from the beginning to the end of the heat releasing process. Keywords: solar collector, parafin wax, latent heat storage, chargin and discharging process, drying process
RANCANG BANGUN SISTEM PENYIMPANAN PANAS LATEN UNTUK PENGERINGAN GABAH DENGAN KOLEKTOR SURYA
YUSNITA ONI NAPITU
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten untuk Pengeringan Gabah dengan Kolektor Surya Nama : Yusnita Oni Napitu NIM : F14100045
Disetujui oleh
Dr Leopold Oscar Nelwan STp MSi Pembimbing I
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial MEng Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah penyimpanan panas laten, dengan judul Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah Dengan Kolektor Surya. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Leopold Oscar Nelwan selaku pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, arahan, dan motivasi kepada penulis. Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Ir Sri Endah Agustina, Msi dan Ibu Dr. Nanik Purwanti sebagai dosen penguji. Ungkapan terimakasih juga disampaikan kepada ayah (Donni Napitu), ibu (Rosita Pardede), dan adik tersayang (Lena, Leni dan Roy) serta seluruh keluarga atas segala doa, dukungan dan kasih sayangnya. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada Abdullah Taufiq Kharisma untuk bantuan dan motivasi yang telah banyak membantu selama penelitian, teman teman yang telah membantu selama penelitian (Biti, Candra Viki, Deni,dll), para teknisi Departemen TMB (Pak Harto dan Mas Firman) serta segenap teman teman Antares TMB 47 yang telah menjadi keluarga dan rekan seperjuangan penulis hingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2014 Yusnita Oni Napitu
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA METODE
2 12
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
12
Alat dan Bahan
12
Tahapan Penelitian
13
HASIL DAN PEMBAHASAN
28
Perancangan dan Pembuatan Alat Pengering dengan Kolektor Surya
28
Laju aliran massa udara
29
Uji verifikasi termofisik parafin
31
Pengujian Efisiensi Kolektor Surya
32
Energi Aktual Proses Charging dan Discharging
35
SIMPULAN DAN SARAN
39
Simpulan
39
Saran
40
DAFTAR PUSTAKA
39
LAMPIRAN
43
RIWAYAT HIDUP
69
DAFTAR TABEL 1
Sifat fisik dari beberapa jenis parafin
10
2
Perbedaan konstruksi sebelum dan sesudah modifikasi
15
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Tipe pengering surya Prinsip kerja kolektor surya plat datar Jenis konsentrator Kolektor surya tabung hampa tipe-1 Kolektor surya tabung hampa tipe-2 Kolektor surya tabung hampa tipe-3 Klasifikasi PCM Lilin parafin Diagram alir tahapan penelitian Skema rancangan alat pada siang hari Skema rancangan alat pada malam hari Diagram alir penentuan laju aliran massa udara dalam proses pengeringan Diagram alir efisiensi kolektor surya Aliran air pada proses pengujian kolektor surya Posisi termokopel pada pengujian efisiensi kolektor Posisi termokopel saat proses pengujian Posisi termokopel pengujian titik leleh parafin Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sebelum modifikasi Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sesudah modifikasi Hasil pengujian titik leleh parafin Perubahan suhu selama proses pemanasan ulangan-1 Perubahan suhu selama proses pemanasan ulangan-2 Efisiensi kolektor surya sebelum dan sesudah modifikasi Energi berguna dari kolektor setelah modifikasi Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan iradiasi matahari selama proses charging (6 Juni 2014) Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan iradiasi matahari selama proses charging (7 Juni 2014) Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara di dalam tangki selama proses discharging (6 Juni 2014) Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara di dalam tangki selama proses discharging (7 Juni 2014) Energi aktual selama proses charging dan discharging oleh parafin Energi pada proses charging dengan Metode Simpson Contoh perhitungan total energi setelah modifikasi dengan metode Simpson
3 4 5 6 6 7 10 10 14 16 17 21 23 26 26 27 28 29 30 31 32 33 33 35 36 36 37 38 38 59 60
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Data pengukuran titik leleh parafin Perhitungan laju aliran massa udara Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya 21 Mei Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya 25 Mei Contoh perhitungan efisiensi kolektor surya Data hasil pengukuran seluruh sistem 6 Juni Data hasil pengukuran seluruh sistem 7 Juni Perhitungan total energi selama proses charging dan Discharging lilin parafin Total energi proses charging dengan Metode Simpson Contoh perhitungan total energi kolektor setelah modifikasi dengan metode Simpson Gambar teknik seluruh sistem Gambar teknik kolektor surya Gambar teknik tangki parafin Gambar teknik tangki air Gambar teknik penukar panas tipe koil Gambar teknik radiator Gambar teknik ruang pengering Gambar teknik blower
43 44 45 46 47 49 53 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68
DAFTAR SIMBOL A
Ab Ak Ap As B C Cb Cp Cpair Cpl Cppcm Cps Cpudara D Di E F f F’ FR h hb hfi hw ΔH H2 H3 I k KAo KA1 kB kb KEPS ks Lpcm
Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada K 2 s.m kolektor, 2 s m2 Luas kolektor bagian bawah, m2 Luas kolektor, m2 Luas permukaan, m2 Luas insulasi di bagian tepi, m2 Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada kolektor, m/s Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada kolektor, ⁰ Konduktansi perekat, W/mK Panas jenis fluida, J/kgK Panas jenis air, J/kgK Panas jenis parafin fase cair, kJ/kgK Panas jenis parafin, J/kgK Panas jenis parafin fase padat, kJ/kgK Panas jenis udara, kJ/kgK Diameter luar pipa, m Diameter dalam pipa, m Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada kolektor, 1/K Efisiensi sirip, % Koefisien Faktor efisiensi Faktor pelepasan panas Koefisien pindah panas konveksi fluida, W/m2K Koefisien konveksi bagian bawah kolektor , W/m2K Koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja, W/m2K Koefisien pindah panas karena angin, m/s Perubahan humidity ratio 2 ke 3, kg air/kg udara kering Humidity ratio pada saat T2, kg air/kg udara kering Humidity ratio pada saat T3, kg air/kg udara kering Radiasi surya, W/m2 Konduktivitas, W/mK Kadar air awal, %bb Kadar air akhir, %bb Konduktivitas panas insulasi bawah, W/Mk Konduktifitas perekat, W/mK Konsumsi energi panas spesifik, J/kg air yang diuapkan Konduktivitas panas samping, W/mK Panas laten parafin, kJ/kg.K
m
Laju aliran massa, kg/s
m air ma mg mo mPCM ms
Laju aliran massa air, kg/s Massa akhir bahan, kg Massa gabah, kg Massa awal bahan, kg Massa lilin parafin, kg Massa padatan, kg
Laju aliran massa udara, kg/s Massa air pada keadaan akhir, kg Massa air pada keadaan awal, kg Massa air yang diuapkan, kg Jumlah penutup transparan Debit fluida, m3/s Energi total pengeringan, kW Energi berguna pada kolektor, kW Energi untuk pemanasan udara di ruang plenumm, J Energi selama proses penyimpanan panas, kJ Energi selama proses pelepasan panas, kJ Beda suhu antara suhu ruang plenum dengan suhu lingkungan pada saat pengeringan Ta Suhu udara lingkungan, K Tbawahcover Suhu udara di bawah cover kolektor, K Tbawahkolektor Suhu udara di bawah kolektor, K Tfi Suhu air fluida masuk kolektor, K Tfin_ch,PCM Suhu akhir selama proses penerimaan panas, K Tfin_dis,PCM Suhu akhir selama proses pelepasan panas, K Tin Suhu air masuk, K Tin_ch,PCM Suhu awal selama proses penerimaan panas, K Tin_dis,PCM Suhu akhir selama proses penerimaan panas, K Tlingkungan Suhu lingkungan, K Tm Suhu titik leleh parafin, K To Suhu awal, K Tout Suhu air keluar, K t Waktu, s ts Tebal insulasi samping, m Tsampingkolektor Suhu udara di samping kolektor, K ΔT Beda suhu, K UB Koefisien kehilangan panas bagian bawah, W/m2K UE Koefisien kehilangan panas bagian samping, W/m2K UL Total koefisien kehilangan panas, W/m2K UT Koefisien kehilangan panas bagian atas, W/m2K v Kecepatan angin, m/s W Jarak antar pipa, m m udara mwa mwo mwv N Q Qdry Qu Qudara Qch Qdis ΔT
Huruf Yunani (τα)c
Sifat optik kolektor Emisivitas plat
g β π
Emisivitas penutup transparan
p
Sudut kemiringan kolektor, ⁰ Konstanta, 3.14 Efisiensi Tebal sirip, m
PENDAHULUAN Latar Belakang Pengeringan merupakan cara pengawetan yang penting karena hasil pertanian yang telah dikeringkan memberikan banyak keuntungan dibandingkan bahan segarnya. Metode pengeringan secara umum menjadi pengeringan dengan penjemuran dan pengering buatan. Di Indonesia pada umumnya, pengeringan komoditas hasil pertanian terutama biji bijian dilakukan dengan pengeringan penjemuran. Masalah yang tinbul pada tipe pengeringan ini adalah proses pengeringan tergantung terhadap lama penyinaran matahari dan keadaan cuaca sehingga proses pengeringan tidak selalu dapat berlangsung. Selain itu, metode pengeringan penjemuran, bahan akan lebih mudah terkontaminasi dengan debu atau kotoran. Metode pengering buatan mampu mengatasi kekurangan dari metode pengeringan penjemuran. Salah satu tipe pengeringan buatan adalah pengering suya. Keuntungan dari pengering surya adalah memanfaatkan sumber energi terbarukan. Pada umumnya pengering surya menggunakan kolektor surya plat datar. Prinsip kerja kolektor adalah mengumpulkan panas dari radiasi matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Cara kerja kolektor surya plat datar adalah ketika radiasi matahari masih tinggi, fluida akan dipanaskan oleh sinar matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Namun, pada waktu tertentu radiasi matahari akan berkurang karena terhalang oleh awan sehingga menurunkan suhu fluida yang keluar dari kolektor. Kolektor tidak dapat menghasilkan fluida panas bila radiasi surya mulai berkurang. Kekurangan dari kolektor surya adalah sistem ini tergantung terhadap lama penyinaran matahari. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, maka kolektor surya ditambahkan unit penyimpan panas. Penyimpanan panas dapat dibedakan menjadi dua yaitu penyimpanan panas sensibel dan panas laten. Penyimpanan panas sensibel, energi disimpan atau diekstrak dengan pemanasan atau pendinginan cairan atau padatan dimana material penyimpan panas tidak berubah fasa selama proses penyimpan panas. Bahan yang biasa digunakan antara lain air, batu kerikil, etanol, propanol, dll. Pemilihan bahan yang digunakan tergantung pada tingkat suhu yang akan disimpan. Selain itu, pemilihan kriteria bahan tergantung dari panas jenis dari material. Kekurangan sistem penyimpanan panas sensibel ini adalah penyimpan panas rendah per satuan volume. Kelebihan sistem ini adalah harga material penyimpan panas yang terjangkau dan mudah ditemui (Ataer 2006). Pengeringan dengan memanfaatkan penyimpanan panas sensibel dan laten sudah banyak dikembangkan. Nitipraja (2008) melakukan percobaan dengan penyimpanan panas sensibel yang terdiri dari lima sistem utama yaitu kolektor surya, penukar panas, kotak pengering, bak penampungan air dan tangki pemanas tambahan. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh bahwa, pemanasan air menggunakan kolektor diperoleh kenaikan suhu air di bak
2 setelah pemanasan selama 330 menit adalah 20⁰C dari suhu air 30⁰C menjadi 50⁰C dengan radiasi rata-rata sebesar 527.29 W/m2. Pada proses pengeringan gabah dengan penyimpanan panas sensibel dengan menggunakan air, diperoleh penurunan kadar air gabah sebesar 8.14% dari kadar air awal gabah sebesar 21.70% menjadi 13.56 % selama 285 menit pengeringan. Konsumsi energi panas spesifik untuk menguapkan 0.4708 kg air selama proses pengeringan adalah 11.4756 MJ/kg air yang diuapkan. Penyimpanan panas laten menggunakan material yang berubah fasa (Phase Change Material/PCM). Dalam penyimpanan panas laten prinsipnya adalah bila panas diterapkan pada material maka terjadi perubahan fasa dari padat menjadi cair. Material yang digunakan adalah lilin parafin. Ketika panas yang tersimpan diekstraksi dengan beban, maka material akan berubah fase dari cair ke padat. Kelebihan sistem ini adalah karena material penyimpan panas mampu memberikan kepadatan penyimpanan energi yang besar dan mampu menyimpan panas pada suhu yang konstan sesuai dengan suhu transisi dari tiap fasa. Pada penelitian ini akan dirancang sistem pengering surya yang dilengkapi sistem penyimpanan panas laten untuk proses pengeringan bahan pertanian. Tujuan Penelitian 1. Memodifikasi kolektor surya plat datar pada bagian jarak antar pipa aliran fluida, sirip pada pipa, dan penambahan insulasi bagian samping kolektor. 2. Menguji kinerja kolektor surya plat datar hasil modifikasi. 3. Merancang sistem penyimpanan panas laten dengan media lilin parafin untuk proses pengeringan gabah. 4. Menguji kinerja sistem penyimpanan panas laten dengan media lilin parafin.
TINJAUAN PUSTAKA Pengeringan Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat air tertentu sehingga dapat memperlambat laju kerusakan produk akibat dari serangan jamur, enzim, dan aktivitas serangga (Handerson dan Perry 1976). Proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan oleh media pengering yang biasanya adalah udara. Kandungan air dari material akan menguap dan terbawa oleh aliran udara keluar. Proses penguapan yang berlangsung secara kontinyu menyebabkan material semakin kering. Menurut Ekechukwu dan Norton (1999) klasifikasi pengering surya secara umum adalah : 1. Pengeringan surya pasif dan aktif tipe langsung
3 Pada pengering tipe langsung ini, panas dihasilkan karena adanya penyerapan energi matahari oleh bagian dalam ruang pengering. Selain memanaskan udara, radiasi matahari juga memanaskan produk yang dikeringkan. Sirkulasi udara pada pengering surya pasif tipe langsung mengalir secara konveksi bebas, sedangkan pada pengering surya aktif tipe langsung udara mengalir karena adanya fan atau blower (konveksi paksa). 2. Pengering surya pasif dan aktif tipe tidak langsung Sistem pengering tipe ini terdiri dari kolektor dan ruang pengering yang terpisah. Udara dari luar masuk diantara kaca dan absorber. Udara menjadi panas karena terjadi perpindahan panas antara absorber ke udara. Udara panas ini kemudian dialirkan ke dalam ruang pengering tempat produk berada dan dikeluarkan melalui cerobong. Udara panas yang dihasilkan di kolektor dapat dialirkan dengan dua cara yaitu konveksi bebas (pasif) dan konveksi paksa (aktif) dengan menggunakan blower. 3. Pengering surya pasif dan aktif tipe gabungan Sistem pengering tipe ini merupakan kombinasi dari tipe langsung dan tidak langsung. Prinsip kerjanya hampir sama, radiasi matahari selain digunakan untuk memanaskan udara yang berada di kolektor juga digunakan untuk memanaskan produk yang berada di ruang pengering. Masing-masing tipe dan bentuk pengering yang telah disebutkan diatas dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Tipe-tipe pengering surya (sumber : http:// thermopedia.com)
4 Pada proses pengeringan dibutuhkan energi untuk proses pengeringan yang biasa disebut energi panas spesifik. Energi panas spesifik pada proses pengeringan merupakan perbandingan antara energi yang diperlukan untuk kebutuhan pemanasan udara ruang plenum selama pengeringan dengan jumlah air yang diuapkan dari bahan (Nitipraja 2008). Untuk menghitung massa air yang diuapkan dicari dengan mengurangi massa air awal bahan sebelum pengeringan dengan massa air bahan setelah pengeringan yaitu dengan persamaan : (1) mWo mo .KAo (2) mS mo mWo mWa (3) KAa .100% mWa m s (4) ma mS mWa (5) mWv mWo mWa Menghitung besarnya energi untuk kebutuhan pemanasan udara di ruang plenum selama proses pengeringan :
Qudara m udara .Cp udara.(T .t )
(6)
Menghitung besarnya konsumsi energi panas spesifik menggunakan rumus : Q (7) KEPS udara mWv Kolektor Surya Kolektor merupakan seperangkat alat untuk menangkap radiasi matahari. Prinsip kerja kolektor surya adalah dengan mengumpulkan panas dengan menyerap sinar matahari (Gambar 2). Gambar 2 menjelaskan bahwa matahari mengenai permukaan kolektor sehingga terjadi pemerangkapan panas. Panas diserap oleh plat hitam yang akan mengkonduksikan ke pipa berisi fluida penyimpan panas.
Gambar 2 Prinsip kerja kolektor surya plat datar (sumber : http://volker-quaschning.de)
5 Menurut Duffie dan Beckmen (1991), tipe kolektor surya dapat dibedakan menjadi : 1. Kolektor surya plat datar : Sistem ini berupa kotak terinsulasi dan tahan air, terdiri dari plat absorber berwarna hitam pekat yang terletak di bawah penutup transparan (bisa 1 atau 2 lapis penutup transparan). Air atau fluida pengkonduksi dialirkan di dalam pipa yang berada di bawah plat absorber, untuk dipanaskan dan hasilnya bisa dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Kolektor surya plat datar dapat dilihat pada Gambar 2. 2. Konsentrator : Berupa logam parabola (cermin parabola) untuk mengkonsentrasikan radiasi surya ke dalam absorber yang berada di pusatnya. Konsentrator dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Jenis konsentrator (sumber: http://intechopen.com) 3. Kolektor surya tabung hampa : Untuk pemanas air yang terdiri dari jajaran tabung kaca (seperti tabung lampu neon). Ada 3 tipe, yaitu : a. Tipe 1 yaitu tabung kaca : Terdiri dari dua tabung kaca yang disatukan pada bagian ujung ujungnya. Di dalam tabung dilapisi dengan lapisan tertentu berwarna hitam berfungsi sebagi absorber sekaligus dapat menahan kehilangan energi radiasi. Tabung dibuat vakum untuk mengurangi kehilangan panas akibat konduksi dan konveksi. Tidak seefisien tipe 2, tapi sangat kuat terhadap kebocoran. Kolektor surya tabung hampa tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.
6
Gambar 4 Kolektor surya tabung hampa tipe 1 (sumber : http://intermasolar.com) b. Tipe 2 yaitu tabung kaca-logam : Terdiri dari tabung tunggal. Di dalam tabung terdapat aluminium berbentuk pelat atau lengkung yang berhubungan dengan pipa berisi air untuk dipanaskan. Plat aluminium biasanya dilapisi dengan lapisan tertentu. Tipe ini sangat efisien tetapi rawan dengan kebocoran akibat sambungan antara kaca dan logam karena tingkat pemuaian kaca dan logam tidak sama. Setelah beberapa lama terkena panas dan dingin akan terjadi penyusutan dan pengembangan material yang menyebabkan kebocoran. Kolektor surya tabung hampa tipe 2 dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Kolektor surya tabung hampa tipe 2 (sumber : http://machinehistory.com) c. Tipe 3 yaitu air yang terdapat dalam tabung kaca : Air berada di dalam tabung. Permasalahan muncul jika tabung pecah, maka air panas tumpah ke mana mana. Kolektor surya tabung hampa tipe 3 dapat dilihat pada Gambar 6.
7
Gambar 6 Kolektor surya tabung hampa tipe 3 (sumber : http://machine-history.com) Energi yang berguna dari kolektor surya plat datar merupakan energi yang bisa dimanfaatkan untuk suatu proses dalan hal ini adalah proses pengeringan. Energi berguna dari kolektor surya dapat dihitung dengan persamaan : Qu FR . Ak . c ULTfi Ta (8)
Faktor pelepasan kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang dapat dikumpulkan terhadap energi yang mungkin dikumpulkan, apabila temperatur fluida sepanjang pipa adalah sama dengan temperatur masuk (lebih dingin). Faktor pelepasan panas (FR) dapat dihitung dengan persamaan : m air .Cp Ak ; 1 exp Ak .UL.F (9) FR . UL m air Cp
Dalam percangan kolektor surya plat datar juga memperhatikan faktor koefisien kehilangan panas. Kehilangan panas pada kolektor surya plat datar terjadi pada bagian bawah (U B ), bagian samping (US) dan bagian atas (UT). Rugi kalor kolektor bagian atas terjadi secara konveksi dan radiasi, sedangkan rugi kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover kecil sehingga perbedaan temperatur tidak begitu signifikan. Total kehilangan panas pada bagian atas kolektor dapat dihitung dengan persamaan (16). Rugi kalor pada bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel bawah, sedangkan rugi kalor secara konveksi dan radiasi diabikan sebab nilainya lebih kecil dibandingkan rugi kalor secara konduksi. Total kehilangan panas pada bagian bawah kolektor dapat dihitung dengan persamaan (13). Rugi kalor pada bagian samping dibaikan jika melihat dari tipe perambatan panas (konduksi, konveksi dan radiasi) karena luasan kontak perpindahan kalor dari
8 absorber ke samping sangat kecil jika dibandingkan dengan luasan absorber pada bagian atas atau bawah. Namun kehilangan panas samping tetap dapat diperhitungkan dengan persamaan (14). Total dari kehilangan panas disimbolkan dengan UL yang merupakan penjumlahan dari kehilangan panas bagian atas, bawah dan samping. Koefisien kehilangan panas dapat dihitung dengan persamaan : UL = UB + US + UT (10) k (11) UB b b k A (12) Us S S t S Ak Tingkat energi yang berguna merupakan energi yang langsung bisa dimanfaatkan. Tingkat energi berguna dapat dihitung dengan persamaan :
Qu m .Cp.T fi Ta
(13)
Koefisien kehilangan panas pada bagian atas diharapkan memiliki nilai yang kecil. Koefisien kehilangan panas pada bagian atas dipengaruhi oleh jumlah penutup kolektor surya plat datar, suhu fluida masuk kolektor, suhu lingkungan, koefisien pindah panas karena angin, emisivitas, dan sudut kemiringan kolektor, Koefisien kehilangan panas bagian atas (UT) dapat dihitung dengan persamaan: 1
N 1 UT A E hw T T C fi a T fi N f 2 (T fi Ta )(T fi Ta ) A ( p 0.00591.N .hw) 1 B N
(14)
(15)
Dimana : f = (1+ 0.089hw – 0.1166hw p) (1+0.07866N) C = 520(1-0.000051 2) jika 0o < < 70o Jika 70o < < 90o maka C = 390.052o E = 0.43(1-100/Tfi) hw = 5.7 + 3.8 v Dalam perhitungan efisiensi kolektor surya perlu juga memperhatikan faktor efisiensi. Faktor efisiensi sebaiknya memiliki nilai yang besar. Faktor efisiensi (F’) merupakan dapat dihitung dengan persamaan :
9
F'
1 UL 1 1 1 W UL.W D F D Cb h Di fi
(16)
Efisiensi sirip (F) merupakan perbandingan panas yang dipindahkan ke dalam sirip dibagi dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip itu ada pada temperatur awal (To). Efisiensi sirip (F) dapat dihitung dengan persamaan : UL W D tanh k 2 b (17) F UL W D k 2 b Penyimpanan Panas Laten Panas laten atau energi termal dapat disimpan melalui perubahan tingkat keadaan (perubahan fasa). Perubahan tersebut terjadi dari padat ke gas atau dari fase cair ke gas dan yang biasa digunakan adalah perubahan dari fase padat ke cair. Setiap sistem penyimpanan energi panas laten harus memiliki setidaknya tiga komponen yaitu material perubahan fasa yang sesuai (PCM) dalam kisaran suhu yang diinginkan, alat penahan untuk material penyimpanan panas, dan cairan panas yang cocok untuk mentransfer panas secara efektif dari sumber panas ke penyimpanan panas. Transfer energi panas terjadi ketika bahan perubahan dari padat ke cair, atau cair ke padat. Ini disebut perubahan fase. Awalnya PCM berubah dari fase padat ke cair dengan melakukan penyimpanan panas sensibel yaitu suhu bahan akan naik karena menyerap panas yang ada lalu dilanjutkan dengan perubahan fase yaitu melepaskan suhu dengan suhu yang konstan (Rosa 2008). Penyimpanan panas laten mampu menyimpan panas 5-14 kali lebih besar per satuan volume dari material penyimpanan panas sensibel seperti batu, air, dll. PCM yang akan digunakan dalam desain penyimpan panas harus memperhatikan aspek termofisik yang diinginkan, kinetika dan sifat kimia material penyimpan panas (Ataer 2006). Klasifikasi dari PCM dapat dilihat pada Gambar 7.
10 Material yang berubah fase
In Organik
Organik
Senyawa Parafin
Senyawa non Parafin
Metalik
Hidrat Garam
Eutektik
OrganikOrganik
InorganikInorganik
Gambar 7 Klasifikasi PCM Pada penelitian kali ini, material yang digunakan adalah lilin parafin (Gambar 3). Lilin parafin terdiri dari campuran rantai lurus alkana yaitu CH3(CH2)n-CH3. Kristalisasi dari rantai (CH3)- melepaskan sejumlah besar panas laten. Parafin memenuhi syarat sebagai panas bahan penyimpanan fusi karena memiliki ketersediaan dalam berbagai suhu yang besar. Parafin secara kimiawi memiliki sifat inert dan stabil di bawah 500oC, menunjukkan perubahan volume yang sedikit pada saat mencair dan memiliki tekanan uap yang rendah dalam bentuk lelehan. Pada Tabel 1 terdapat daftar sifat termal dari beberapa jenis parafin.
Gambar 8 Lilin parafin Tabel 1 Sifat fisik dari beberapa jenis parafin (Sukahatme 2001) Parafin 6106 P116 5838 6035 6403 6499
Freezing point/range (oC) 42-44 45-48 48-50 58-60 62-64 66-68
Heat of fusion (kJ/kg) 189 210 189 189 189 189
OrganikInorganik
11 Proses yang terjadi pada bahan PCM ada dua yaitu proses pengisian (charging) dan proses pelepasan panas (discharging). Proses pengisian (charging) yaitu proses penerimaan panas dari sumber panas ke bahan PCM sebelum berubah fasa. Proses pelepasan panas (discharging) yaitu proses pelepasan panas dari bahan PCM ke objek yang akan menerima panas. Efisiensi selama proses charging dan discharging dapat dihitung dengan persamaan: Qch mPCM .Cps Tm Tin _ ch , PCM mPCM LPCM mPCM Cpl T fin, ch , PCM Tm (18)
Qdis mPCM .Cpl Tm Tfin _ dis, PCM mPCM LPCM mPCM Cpl Tin _ dis, PCM Tm (19) Hasil Penelitian Tentang Penyimpanan Panas Laten Rosa dan Zuhendry (2007) merancang kolektor surya plat datar untuk pengeringan pasca panen dengan lilin sebagai material penyimpan panas laten. Hasil pengujian yang diperoleh yaitu kapasitas penyimpan parafin ini adalah 2525 kJ dengan lama pencairan pada saat temperatur bahan sama dengan temperatur pencairannya adalah 3 jam 8 menit. Bouadila et al (2013) melakukan pengujian terhadap pemanas udara dengan bantuan energi surya dengan penyimpanan panas laten. Material penyimpan panas yang digunakan adalah parafin yang dikemas dengan wadah seperti kapsul. Pemanas udara menunjukkan nilai yang tidak seragam selama proses discharging. Panas yang dihasilkan adalah 200 W/m2 selama 11 jam pada waktu malam hari. Panas yang berguna dari penyimpanan panas ini tidak terpengaruh oleh radiasi global selama proses charging. Efisiensi dari penyimpanan panas yang dihasilkan adalah sekitar 32% sampai 45%. C Thirugnanam dan Marimuthu (2013) melakukan analisis terhadap penyimpanan panas laten menggunakan lilin parafin. Metode pengujian adalah dengan membandingkan laju aliran massa dan suhu inlet fluida dianggap konstan selama proses charging. Hasil pengujian adalah ketika laju aliran massa diperbesar maka efisiensi yang dihasilkan semakin naik. Energi yang diberikan air panas selama proses charging pada debit aliran 20 lph (liter per hour) adalah 1276.3 kJ dan pada saat 15 lph adalah 737.7 kJ. Jesumathy (2011) melakukan pengujian karakteristik pindah panas pada penyimpanan panas laten dengan lilin parafin. Hal yang diperhatikan dalam metode ini adalah distribusi suhu di tabung parafin selama proses charging dan karakteristik dari lilin parafin yang digunakan. Hasil yang diperoleh adalah lilin parafin merupakan material penyimpan panas laten yang baik karena memiliki nilai panas laten yang tinggi yaitu 210 kJ/kg. Zulfri dan Hamdani (2014) melakukan kaji eksperimental pemanfaatan material penyimpan panas pada kolektor pemanas air surya. Material penyimpan panas yang digunakan adalah lilin parafin. Hasil penelitian adalah sitem pemanas yang dirancang mampu menaikkan suhu air sampai 60oC pada kondisi cerah. Parafin dapat mempertahankan suhu air pada 40-45oC sampai pukul 20:00 WIB.
12
METODE Waktu dan Tempat Pelaksanaan Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Februari 2014 sampai dengan bulan Juni 2014. Tempat pelaksanaan penelitian ini adalah Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo Leuwikopo dan Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian. Alat dan Bahan Rincian alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Pembuatan kolektor surya plat datar Alat : Las listrik, gergaji besi, gerinda tangan, gunting besi, tang rifet, bor tangan. Bahan : 1. Plat absober berupa plat aluminium lembaran tebal 0.5 mm, berukuran 1000 x 1500 mm. 2. Insulasi berupa glasswool jenis gulungan dengan tebal 10 mm dan afmaflex (busa insulasi) jenis lembaran dengan tebal 25.4 mm. Bagian kolektor yang diinsulasi dengan glasswool yaitu pada keliling kolektor dengan tebal 20 mm, dan pada bagian bawah plat absorber yaitu dengan tebal 50 mm. Bagian kolektor yang diinsulasi dengan afmaflex adalah pada pengubung perekat cover dengan dinding kolektor. 3. Cover terbuat dari kaca es merk Indofigur tipe mislite FM5. Kaca yang digunakan memiliki tebal 5 mm. Ukuran cover adalah 1000 x 1500 mm. 4. Rangka kolektor memiliki ukuran 1000 x 1500 x 1000 mm dengan bahan berupa besi siku 40 x 40 mm. 5. Pipa tembaga dengan diameter 12.7 mm. Panjang total pipa tembaga adalah 18000 mm. 2. Pembuatan tangki penyimpan panas Alat : Seperangkat alat las karbit dan bor tangan. Bahan : 1. Tangki terbuat dari kaleng aluminium dengan tinggi 300 mm dan diameter 250 mm. 2. Penukar panas tipe koil terbuat dari pipa tembaga dengan diameter 12.7 mm. Diameter koil adalah 190 mm dengan tinggi koil adalah 200 mm. 3. Insulasi tangki terbuat dari afmaflex (busa insulasi) jenis lembaran dengan tebal 25.4 mm. 4. Saluran inlet dan outlet kolektor terbuat dari napple plastik dengan diameter adalah 110 mm. Di keliling saluran inlet dan outlet dari tangki penyimpan panas dilapisi oleh lem kaca dan lem besi dextone agar kehilangan panas diharapkan kecil. 5. Massa lilin parafin adalah 6 kg dan disusun mengitari penukar panas tipe koil.
13 3. Pengujian Alat Alat : 1. Perangkat komputer merk Sony Vaio tipe VPCEA25FG (windows os 7 dan microsoft office 2010) untuk proses pengolahan data. 2. Thermorecorder hybrid merk Yokogawa dan Autonics untuk pembacaan data pada saat pengukuran suhu. 3. Themocouple tipe Chromel-Constantan (CC) merupakan sensor untuk pengukuran suhu yang dihubungkan ke recorder. 4. Anemometer merk Kanomax untuk melakukan pengukuran kecepatan angin. 5. Pyranometer model EKO tipe MS-401 untuk pengukuran iradiasi matahari. 6. Multimeter digital model YEW tipe 2506A untuk pembacaan iradiasi matahari yang dihubungkan ke pyranometer. Tahapan Penelitian 1.
2.
3. 4.
5. 6.
7.
Tahapan penelitian dilakukan meliputi 7 tahapan yaitu : Perumusan kriteria perancangan yang merupakan perancangan prinsip kerja alat yang akan dirancang dengan penentuan kriteria dasar alat. Pada penelitian dilakukan modifikasi pada bagian kolektor surya plat datar pada penelitian sebelumnya yaitu Nitipraja 2008. Perancangan terdiri dari perancangan fungsional dan struktural alat. Rancangan fungsional untuk menentukan fungsi dari komponen utama alat pengering dan rancangan struktural untuk menentukan bentuk dan tata letak dari komponen utama. Analisis teknik alat merupakan cara untuk penentuan dimensi dari setiap komponen yang akan dirancang. Gambar teknik diperlukan agar dapat memudahkan dalam proses pabrikasi. Dalam gambar teknik harus memperhatikan dimensi dari alat yang akan dirancang dan skala yang digunakan. Pembuatan alat (pabrikasi) yaitu pembuatan model fisik dari hasil penetuan kriteria perancangan, analisis teknik dan gambar teknik. Uji kinerja alat bertujuan untuk mengetahui kinerja alat yang sudah dirancang apakah sudah berfungsi sebagaimana yang diharapkan dan untuk mengetahui efisiensi alat yang dirancang dan membandingkannya dengan alat sebelum dimodifikasi. Pengujian alat terbagi menjadi dua tahap yaitu uji pendahuluan untuk mengetahui apakah alat bisa berfungsi dengan baik dan bisa digunakan. Jika pada pengujian pendahuluan terdapat kerusakan pada alat maka dilakukan modifikasi tetapi jika alat berfungsi dengan baik maka tidak perlu dilakukan modifikasi. Pengolahan data bertujuan untuk mengetahui secara analisis kinerja alat dan membandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya. Diagram alir prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 9.
14
Mulai
Data dan informasi penunjang
Perumusan kriteria perancangan
Perancangan fungsional dan struktural alat
Analisis/perhitungan gambar teknik dan gambar kerja
Gambar teknik
Pembuatan alat
Uji fungsional dan uji pendahuluan Tidak Modifikasi
Berhasil ?
Ya Uji kinerja fungsional dan struktural alat
Pengolahan data
Selesai Gambar 9 Diagram alir tahapan penelitian Tahapan penelitian secara lengkap akan dijelaskan pada bagian dibawah ini: 1. Perumusan Kriteria Perancangan Metode penelitian yang digunakan adalah metode rekayasa (suatu kegiatan rancang bangun) yang tidak rutin, sehingga di dalamnya terdapat kontribusi baru, baik dalam bentuk proses maupun produk. Penelitian ini merupakan modifikasi alat dari yang sudah diteliti sebelumnya yaitu penelitian Nitipraja, 2008 dengan judul Rancangan Alat Pengering Dengan Kolektor Surya Plat Datar Yang Menggunakan Air Sebagai Media
15 Penyimpanan Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah. Alat yang dimodifikasi pada penelitian ini adalah pada bagian kolektor surya plat datar dan selebihnya menggunakan rancangan baru. Perbedaan konstruksi rancangan sebelum dan sesudah modifikasi dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Perbedaan konstruksi kolektor surya sebelum dan sesudah modifikasi Rancangan Awal (mm)
Rancangan Modifikasi (mm)
1500 x 1000 aluminium 0.5 Glasswool
1500 x 1000 aluminium 0.5 glasswool
50
50
-
20
Bahan sirip Tebal sirip
stainless steel 0.5
aluminium 0.25
Insulasi pipa
Armaflex
isolasi pipa ac
12.7 22500 100
12.7 27000 40
Komponen Ukuran kolektor Bahan plat absober Tebal plat absorber Bahan insulasi Tebal insulasi bawah kolektor Tebal insulasi samping kolektor
Diameter pipa Panjang pipa tembaga Jarak antar pipa tembaga
Modifikasi dilakukan pada bagian insulasi samping kolektor, bahan sirip, tebal sirip, insulasi pipa yang digunakan, jarak antar pipa tembaga tempat aliran fluida. Proses modifikasi dilakukan diharapkan dapat meningkatkan efisiensi. Penjelasan modifikasi alat akan dijelakan dibawah ini. 1. Penambahan insulasi pada bagian samping kolektor diharapkan kehilangan panas bagian samping kecil karena dari persamaan (12) dilihat bahwa hubungan antara konduktifitas insulator dengan kehilangan panas samping berbanding lurus. Jika insulasi yang digunakan memiliki nilai konduktifitas panas yang kecil maka tebal insulasi diperbesar agar kehilangan panas semakin kecil. Pada rancangan modifikasi, insulator yang digunakan adalah glasswool yang memiliki nilai konduktifitas termal 0.048 W/mC dan tebal insulasi 0.02 m. 2. Modifikasi sirip adalah pada pemilihan bahan, tebal sirip. Pada pemilihan bahan untuk sirip, bahan yang digunakan adalah aluminium dengan tebal 0.00025 m sementara pada penelitian sebelumnya menggunakan stainless steel. Pemilihan ini berdasarkan nilai konduktifitas panas dari bahan. Nilai konduktifitas panas aluminium lebih tinggi daripada stainless steel yaitu 205 W/mK
16 untuk aluminium dan 16 W/mK untuk stainless steel pada suhu yang sama yaitu 25⁰C (sumber: http://www.engineeringtoolbox.com/). Semakin besar nilai konduktifitas panas suatu bahan maka energi yang dihasilkan akan semakin besar berdasarkan persamaan : Q k. Ap.T . 3. Tebal sirip berpengaruh terhadap besarnya energi yang disalurkan ke pipa tembaga. Berdasarkan persamaan pada persamaan (17) semakin besar konduktifitas sirip, semakin tipis tebal sirip dan semakin kecil jarak antar pipa tembaga makan nilai efisiensi sirip yang dihasilkan semakin kecil. Rancangan sebelum modifikasi, tebal sirip adalah 0.1 m dan jarak antar pipa tembaga adalah 0.1 m dan pada rancangan setelah modifikasi adalah tebal sirip adalah 0.00025 m dan jarak antar pipa tembaga adalah 0.04 m. 4. Insulasi pipa yang digunakan sebelum modifikasi adalah armaflex dengan nilai konduktifitas 0.0369 W/mK pada 37⁰C (sumber: http://www.armacell.com/) dan nilai konduktifitas insolasi pipa AC adalah 0.034 W/mK pada 40⁰C (sumber: http://www.toilon.co.id/). Dalam pemilihan insulasi sebaiknya memilih pipa dengan nilai konduktiftas panas yang besar agar kehilangan panas bisa lebih kecil. Penentuan kriteria perancangan ditentukan berdasarkan prinsip kerja alat yang akan dibuat, dilakukan dengan menentukan kriteria dasar alat pengering. Skema dari alat pengering yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 10 dan Gambar 11.
Gambar 10 Skema rancangan alat pada siang hari (proses charging)
17
Gambar 11 Skema rancangan pada malam hari (proses discharging) Keterangan gambar : A : Pompa air B : Kolektor surya plat datar C : Tangki penyimpanan lilin parafin
F : Tangki air G : Blower H : Radiator
D : Lilin parafin
I : Ruang pengering
E : Penukar panas
J : Saluran bypass
Gambar 10 memperlihatkan cara kerja dari sistem pengering dengan kolektor surya plat datar. Cara kerja alat tersebut adalah ketika sinar matahari mengenai kolektor surya plat datar maka air yang berada di dalam tangki plat absorber akan dipanaskan oleh panas matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Fluida akan bersirkulasi dari bak penampungan air ke kolektor dan tangki penyimpanan lilin parafin dan penukar panas dengan bantuan dari pompa. Fluida yang sudah dipanaskan oleh sinar matahari akan dialirkan ke dalam tangki penyimpanan yang berisi parafin dengan pipa keluaran dari kolektor masuk ke tangki melalui heat exchanger tipe koil. Dengan bantuan penukar panas tersebut, maka fluida panas akan melepaskan panas ke parafin. Parafin yang menerima panas dari penukar tersebut akan mencair dan panas dari parafin akan dimanfaatkan sewaktu malam hari. Setelah melewati tangki penyimpanan, air akan dialirkan ke radiator dan kemudian akan mengalirkan panas ke ruang plenum dibantu dengan blower. Panas yang berada di ruang plenum akan dialirkan ke ruang pengering yang berisi gabah.
18 Pada Gambar 11 memperlihatkan sistem ketika proses discharging. Pada percobaan ini, indikator proses discharging adalah ketika radiasi matahari sudah menurun sehingga kolektor tidak menerima panas dari lingkungan melainkan melepaskan panas ke lingkungan dan ketika suhu parafin menurun setelah mencapai suhu maksimal. Pada bagian bawah kolektor terdapat saluran bypass yaitu saluran yang menghubungkan pompa langsung ke tangki penyimpan parafin agar panas sensibel yang dikandung air bisa langsung ditransfer ke parafin sehingga kehilangan energi yang terjadi bisa diperkecil. Cara kerjanya adalah ketika waktu discharging dimulai, keran saluran dari pompa ke inlet kolektor ditutup dan saluran dari pompa langsung ke tangki parafin dibuka (saluran bypass). Dari saluran bypass, air akan masuk ke tangki parafin. Dari tangki parafin, air masuk ke dalam radiator dan dengan bantuan dari blower maka udara panas dari air akan dihembuskan ke dalam ruang pengering. 2. Perancangan Perancangan meliputi rancangan fungsional untuk menentukan fungsi dari komponen utama alat pengering dan rancangan struktural untuk menentukan bentuk dan tata letak dari komponen utama. 1) Rancangan Fungsional Alat Setiap alat pasti mempunyai banyak komponen yang menyusunnya. Komponen utama yang dimaksud adalah komponen yang jika tidak ada maka fungsi alat menjadi terganggu secara keseluruhan. Komponen utama ini merupakan dasar dari tujuan dibuatnya alat atau mesin tersebut. Dalam hal ini, rancangan fungsional alat terdiri dari : a. Kolektor Surya Kolektor surya berfungsi untuk memerangkap panas dari sinar matahari. Kolektor surya dilengkapi dengan absorber dan tembaga untuk menyerap panas dan mengkondisikan ke tabung penyimpanan panas. b. Radiator dan Heat Exchanger Radiator dan heat exchanger digunakan sebagai penukar panas. Radiator diletakkan di samping ruang plenum sementara heat exchanger diletakkan di dalam tangki parafin. c. Ruang Pengering Ruang pengering berfungsi sebagai tempat pengeringan proses pengeringan komoditas. d. Tangki penyimpanan lilin parafin Tangki penyimpanan panas laten berfungsi sebagai tempat lilin parafin dan heat exchanger yang akan menghasilkan dan menyimpan panas yang kemudian akan dialirkan ke dalam ruang pengering. e. Tangki penampungan air Tangki penampungan air berfungsi untuk menyimpan air yang akan disalurkan ke kolektor surya dan ke tangki penyimpanan lilin parafin.
19 2) Rancangan Struktural Alat Rancangan struktural merupakan hal yang penting dalam perancangan. Rancangan struktural merupakan perwujudan dari sketsa yang telah dipilih untuk melaksanakan fungsi yang dimaksud pada rancangan fungsional. Rancangan struktural pada penelitian ini adalah : a. Kolektor Surya Kolektor surya terletak pada bagian atas ruang pengering dengan sudut yang bisa diubah ubah sesuai arah datang radiasi matahari. Prinsip kerjanya adalah radiasi matahari mengenai permukaan kolektor, terjadi pemerangkapan panas. Plat hitam (absorber) menyerap panas dan mengkondisikan ke pipa tembaga yang berisi air kemudian air akan dialirkan ke dalam radiator dengan bantuan pompa air. Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen penyusun antara lain penutup transparan yang akan digunakan untuk menahan panas yang sudah ditangkap oleh plat absorber agar tidak keluar ke lingkungan, insulasi digunakan agar panas yang sudah diserap tidak menghilang dengan cepat ke lingkungan, dan terdapat juga pipa sebagi tempat mengalirnya fluida. b. Radiator dan Heat Exhanger Penukar panas pada sistem ini terdapat dua buah yaitu pada tangki penyimpanan panas dan pada bagian luar tangki penyimpanan panas yang akan terhubung ke ruang plenum pada ruang pengering. Penukar panas pada tangki penyimpanan merupakan penukar panas tipe koil. Penukar panas tipe koil ini digunakan untuk mengalirkan panas dari air yang telah dipanaskan oleh kolektor surya untuk melelehkan parafin (pada siang hari) dan mengambil panas dari tangki penyimpanan untuk dialirkan ke radiator (pada malam hari). Penukar panas yang berada di samping ruang pengering adalah tipe radiator yang dilengkapi dengan kipas. Kipas ditempelkan pada salah satu sisi radiator, dengan harapan panas yang berpindah dari air ke radiator bisa terhisap semua oleh blower. c. Ruang Pengering Ruang pengering merupakan tempat meletakkan komoditi yang akan dikeringkan dan ruang plenum. Bahan yang akan dikeringkan dimasukkan secara curah. Posisi dari kotak pengering berada di samping radiator, panas yang diperoleh dari penukar panas dihisap oleh blower dan dialirkan ke dalam ruang plenum pada bagian bawah kotak pengering untuk selanjutnya digunakan untuk proses pengeringan. d. Tangki Penyimpanan Panas Tangki penyimpanan panas merupakan tempat yang berisi lilin parafin. dan penukar panas tipe koil yang terbuat dari pipa tembaga.
20 e. Tangki Penampungan Air Bak penampungan terbuat dari kaleng lalu diletakkan di dalam tempat plastik dan disekeliling kaleng diisi glasswool sebagai insulasi. 3. Analisis Teknik Pada setiap rancangan diperlukan adanya analisis teknik. Analisis teknik pada penelitian ini merupakan metode yang akan digunakan dalam penentuan dimensi dari setiap komponen yang akan dirancang. Dengan adanya analisis teknik maka memperkuat argumen dalam menentukan dimensi yang akan digunakan. Pada rancangan kali ini analisis teknik diperlukan dalam hal penentuan dimensi kolektor surya plat datar, energi berguna dari kolektor, laju aliran massa udara, efisiensi kolektor surya dan energi berguna pada lilin parafin selam proses penerimaan (charge) dan pelepasan (discharge) panas. Penentuan dimensi kolektor surya sama seperti diagram alir pada Gambar 13 tetapi nilai US menggunakan persamaan (12) dan UB menggunakan persamaan (11) dan rumus selain US dan UB sama seperti yang disajikan pada Gambar 13. Energi berguna dari kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (13). Laju aliran massa udara diperlukan dalam proses pengeringan karena dengan mengetahui laju aliran udara maka dapat menentukan kecepatan kipas yang akan digunakan dalam proses pengeringan. Laju aliran udara dapat ditentukan dengan mengikuti diagram alir yang terdapat pada Gambar 12. Efisiensi kolektor surya dapat dihitung dengan mengikuti tahapan pada diagram alir yang terdapat pada Gambar 13. Proses transfer panas yang terjadi pada parafin dibagi menjadi dua proses yaitu proses penerimaan dan pelepasan panas. Untuk menghitung total energi yang dihasilkan parafin selama proses pengisian dan pelepasan panas dapat menggunakan persamaan (18) dan (19).
21
Kadar air awal (KAo) dan Kadar air akhir (KA1) gabah
Massa air akhir (gr air) = massa air KA1.
Penentuan suhu dan humidity ratio (H) dari suhu udara pengering, suhu udara lingkungan dan suhu outlet
ΔH (kg/kg udara kering) = H suhu keluaran ruang pengering – H suhu lingkungan
Kehilangan air (kg air) = massa air KAo – massa air KA1
Gambar 12 Diagram alir penentuan laju aliran massa udara dalam proses pengeringan
22
Efisiensi kolektor surya
hw = 5.7 + 3.8 v
UB
Tbawahcov er Tbawahkolektor Ak 1 1 Tbawahcov er Tlingkungan k b t1 k1 hb
As 1 Tbawahcov er Tbawahkolektor Us . . 1 Tbawahcov er Tlingkungan AK t s k hw
f = (1+ 0.089hw – 0.1166hw p) (1+0.07866N)
B
A
2 N f 0.133 p
g
(T fi Ta )(T fi Ta ) 2 ( p 0.00591.N .hw) 1 B N
C = 520(1-0.000051 2)
E = 0.43(1-100/Tfi)
UT A C T fi
N T fi Ta N f
a
E
1 hw
1
23
a
UL = UB + US + UT
F'
1 UL 1 1 1 W ULD W D F C h fi Di b UL W D tanh k 2 F UL W D k 2
m air .Cp Ak ; 1 exp Ak .UL.F FR . UL m air Cp
Qu FR . Ak . c UL.T fi Ta
FR .UL.T fi Ta I
FR .
Gambar 13 Diagram alir perhitungan efisiensi kolektor surya 4. Gambar Teknik Gambar teknik diperlukan agar dapat memudahkan dalam proses pabrikasi. Dalam gambar teknik harus memperhatikan dimensi dari mesin dan skala. Gambar teknik dilakukan dengan bantuan software CATIA. Gambar teknik hasil rancangan dapat dilihat pada Lampiran 11 – 18.
24 5. Pengujian Pengujian bertujuan untuk mengetahui efisiensi dari alat yang telah dirancang. Dalam pengujian alat, parameter harus ditentukan untuk mencari nilai efisiensi dari alat secara aktual dan kemudian akan dibandingkan secara teoritis. Parameter yang diambil ditujukan untuk mendapatkan : A. Pengujian titik leleh parafin B. Efisiensi kolektor surya C. Energi aktual selama proses charging dan discharging A. Pengujian Titik Leleh Parafin Uji verifikasi lilin parafin dilakukan untuk mengetahui karakteristik lilin yang digunakan. Uji verifikasi yang dilakukan adalah pengujian titik leleh lilin. Prosedur pengujian titik leleh parafin adalah : 1. Pemasangan termokopel di hybrid recorder. Peletakan termokopel pada bagian tengah lilin, samping kanan dan kiri lilin. Peletakan termokopel dapat dilihat pada Gambar 17. 2. Panaskan air dengan pemanas air untuk mengatur perbedaan suhu antara air dengan lilin berbeda ± 5oC. 3. Lilin parafin dimasukkan ke dalam wadah kaca sampai permukaan termokopel tertutupi oleh lilin. 4. Siapkan wadah untuk meletakkan wadah kaca yang sudah terisi lilin dan termokopel dan air. Ketinggian air harus lebih tinggi dari tinggi lilin parafin di dalam wadah kaca. Catat pengukuran suhu dari awal (fase padat) sampai akhir (lilin meleleh semuanya). Waktu pengambilan data adalah setiap 5 menit. B. Pengujian Efisiensi Kolektor Surya Pada pengujian efisiensi kolektor surya, parameter yang harus diamati adalah: 1. Intensitas radiasi matahari yang diukur menggunakan pyranometer. 2. Sebaran suhu di kolektor surya yaitu di bagian cover atas, cover bawah, plat absorber, samping kolektor, bawah kolektor, suhu lingkungan, suhu inlet dan outlet kolektor dan suhu air di dalam tangki. Pengukuran menggunakan termokopel tipe cc kemudian dihubungkan dengan hybrid recorder untuk merekam dan menampilkan data suhu yang diukur oleh termokopel. Penempatan termokopel dapat dilihat pada Gambar 15. 3. Kecepatan angin disekitar kolektor diukur dengan anemometer. Prosedur pengujian efisiensi kolektor surya adalah : 1. Persiapan sistem seperti pompa air, hybrid recorder sudah dipasang dengan termokopel, pyranometer sudah terhubung dengan multimeter digital, anemometer semua dalam keadaan baik dan pengecekan setiap sambungan aliran air agar tidak terdapat kebocoran.
25 2. Pengukuran dimulai dari jam 08:00 WIB dengan interval waktu penulisan data adalah 30 menit. Data yang ditulis adalah data hasil pengukuran oleh hybrid recorder, multimeter digital dan anemometer. Hybrid recorder yang digunakan adalah hybrid recorder 6 titik dan tipe autonics 5 titik. 3. Pengukuran suhu lingkungan dan kecepatan angin di sekitar kolektor diukur dengan anemometer setiap 30 menit. Anemometer diletakkan pada bagian atas samping kolektor. 4. Perhitungan efisiensi kolektor mengikuti diagram alir pada Gambar 13. Proses pengujian kolektor surya dapat dilihat pada Gambar 14. C. Energi Aktual Selama Proses Charging dan Discharging Pada pengujian energi aktual selama proses charging dan discharging penyimpan panas, parameter yang diamati adalah : 1. Intensitas radiasi matahari yang diukur menggunakan pyranometer. 2. Sebaran suhu di kolektor surya yaitu suhu air masuk dan keluar dari kolektor, plat absorber, dan bawah cover kolektor, suhu parafin, suhu udara di dalam tangki parafin, suhu air masuk tangki parafin, suhu masuk radiator dan keluar radiator dan suhu plenum Pengukuran menggunakan termokopel tipe cc kemudian dihubungkan dengan hybrid recorder untuk merekam dan menampilkan data suhu yang diukur oleh termokopel. 3. Kecepatan angin di sekitar kolektor, kecepatan angin keluaran dari radiator, suhu lingkungan dan suhu yang dihembuskan radiator ke dalam ruang pengering diukur dengan anemometer. Prosedur pengujian energi aktual selama proses charging dan discharging penyimpan panas adalah: 1. Persiapan sistem seperti pompa air, hybrid recorder sudah dipasang dengan termokopel, pyranometer, multimeter, anemometer semua dalam keadaan baik dan pengecekan setiap sambungan aliran air agar tidak terdapat kebocoran. 2. Pengukuran dimulai dari jam 08:00 WIB dengan interval waktu penulisan data adalah 15 menit. Data yang ditulis adalah data hasil pengukuran oleh hybrid recorder, multimeter digital dan anemometer. Hybrid recorder yang digunakan adalah hybrid recorder 6 titik dan tipe autonics 5 titik. 3. Pengukuran suhu lingkungan dan kecepatan angin diukur dengan anemometer. Anemometer ditaruh di bagian atas samping kolektor. 4. Pengukuran suhu keluaran dari radiator dan kecepetan angin yang dihembuskan oleh blower dengan meletakkan anemometer diantara blower dengan radiator. Jarak antara radiator dengan blower adalah 5 cm. 5. Energi aktual selama proses charge dan discharge parafin dapat dihitung dengan persamaan (18) dan (19).
26
Gambar 14 Aliran air pada proses pengujian efisiensi kolektor surya
Gambar 15 Posisi termokopel pada pengujian efisiensi kolektor surya
27
Keterangan Gambar : A : Plat absorber B : Cover atas kolektor C : Cover bawah kolektor D : Bawah kolektor
E : Samping kolektor F : Saluran inlet kolektor G : Saluran outlet kolektor H : Tangki air
Gambar 16 Posisi termokopel selama proses pengujian keseluruhan Keterangan Gambar : A : Termokopel di plat absorber
I : Termokopel di dalam tangki
B : Termokopel di cover atas kolektor
J : Termokopel di lilin parafin
C : Termokopel di bawah cover
K : Termokopel di saluran outlet tangki parafin
D : Termokopel di bawah kolektor
L : Termokopel di outlet radiator
E : Termokopel di samping kolektor
M : Termokopel di saluran ruang plenum
F : Termokopel di inlet kolektor G : Termokopel di outlet kolektor
N : Termokopel di inlet radiator O : Termokopel di tangki air
H : Termokopel di inlet tangki parafin
28
Gambar 17 Posisi termokopel untuk pengujian titik leleh parafin Keterangan Gambar : 1 : Air 2 : Lilin Parafin 3 : Termokopel di bagian kiri parafin
4 : Termokopel di bagian tengah parafin 5 : Termokopel di bagian kanan parafin 6 : Hybrid recorder
HASIL DAN PEMBAHASAN Perancangan dan Pembuatan Alat Pengering Dengan Kolektor Surya Plat Datar Gambar 18 merupakan kolektor surya pada penelitian sebelum modifikasi dan Gambar 19 adalah kolektor surya yang sudah dimodifikasi. Perbedaan modifikasi sudah dibahas pada bab perumusan kriteria perancangan. Kolektor yang digunakan dengan ukuran panjang 1.5 m dan lebar 1 m. Kolektor memiliki beberapa bagian yaitu kaca transparan dengan tebal 0.5 cm yang berfungsi untuk menangkap cahaya matahari, pipa tembaga dengan diameter ½ inch sebagai tempat air mengalir. Di bawah pipa tembaga terdapat plat absorber aluminium dengan tebal 0.5 mm. Plat absorber dicat hitam tipis untuk meningkatkan nilai penerimaan panas yang akan disalurkan ke pipa tembaga. Pipa tembaga ditempelkan ke plat absorber dengan menggunakan sirip dan perekatnya adalah paku rifet. Sirip tembaga terbuat dari plat seng dengan tebal 0.25 mm. Setelah plat absorber, terdapat glasswool dengan tebal 5 cm yang berfungsi sebagai insulasi untuk megurangi kehilangan panas pada bagian bawah kolektor. Disekeliling dalam kolektor juga diberi glasswool dengan tebal 2 cm untuk mengurangi kehilangan panas bagian samping. Komponen yang lain adalah tangki penyimpanan parafin. Tangki penyimpanan parafin berisi parafin sebanyak 6 kg, dan terdapat penukar panas tipe koil dengan diameter sekitar 19 cm dengan tinggi 20 cm. Penukar panas terbuat dari pipa tembaga. Disamping tangki parafin terdapat radiator
29 yang berfungsi sebagai penukar panas dan blower yang berfungsi untuk menarik udara panas yang dilepaskan oleh radiator dan menghembuskannya ke dalam ruang plenum pada bagian bawah bak pengering. Radiator yang digunakan memiliki kapasitas menampung air sebanyak 0.134 liter, dengan ukuran panjang 17 cm, tinggi 20 cm. Kotak pengering terdapat dua bagian yaitu ruang plenum dan ruang pengering. Ruang plenum sebagai tempat penampung udara secara merata ke dalam ruang pengering dan ruang pengering yang berada diatas ruang plenum dan dibatasi oleh kawat kasa agar bahan yang dikeringkan tidak jenuh atau mengotori ruang plenum. Kotak pengering mempunyai ukuran panjang 40 cm, tinggi 40 cm dan lebar 30 cm. Pada bagian bawah terdapat ruang plenum dengan tinggi 15 cm dan pada bagian atasnya terdapat ruang pengering dengan tinggi 25 cm dengan kapasitas bahan yang bisa dikeringkan adalah 10 kg gabah. Tangki air digunakan sebagai tempat penampung air yang akan disirkulasikan melewati kolektor surya. Volume air yang digunakan adalah 8 liter. Air dimasukkan ke dalam kaleng besi dan dimasukkan ke dalam tempat plastik dengan volume 10 liter. Insulasi yang digunakan di tangki air adalah glasswool untuk mengurangi kehilangan panas yang terjadi di sekeliling tangki air. Konstruksi alat pengering didesain untuk menyangga kolektor pada bagian atas, dan juga tempat diletakkannya kotak pengering, radiator, blower dan juga penyangga sambungan pipa dan tangki pemanas. Ukuran rangka yaitu panjang 1.5 m, tinggi 1 m dan lebar 1 m. Rangka terbuat dari besi siku lubang. Pipa yang digunakan adalah pipa air yang memiliki diameter dalam ½ inch dan pompa yang digunakan adalah pompa air biasa. Gambar teknik alat dapat dilihat pada Lampiran 11-18.
Gambar 18 Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sebelum modifikasi
30 Keterangan Gambar : 1 : Kolektor surya plat datar 2 : Pipa air keluar kolektor 3 : Kotak pengering 4 : Pipa air masuk kolektor
5 : Pipa air masuk kolektor 6 : Heat exchanger 7 : Pompa air 8 : Bak penampungan air
1
5 2
3
6
7 4 8
Gambar 19 Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sesudah modifikasi Keterangan Gambar : 1 : Kolektor surya plat datar 2 : Ruang pengering 3 : Radiator 4 : Multimeter digital
5 : Blower 6 : Tangki penyimpanan parafin 7 : Tangki air 8 : Hybrid recorder
Laju Aliran Massa Udara Pada sistem yang telah dirancang, udara panas yang dikeluarkan oleh radiator akan disalurkan ke dalam ruang plenum dengan bantuan blower. Aliran udara ini akan menyebabkan perbedaan tekanan uap air antara udara pengering dan bahan yang dikeringkan sehingga terjadilah penguapan. Umumnya, semakin tinggi temperatur medium pengering, akan makin besar laju pengering karena kandungan air kritis tidak dipengaruhi oleh temperatur. Laju aliran massa udara hasil perhitungan adalah 0.0025 kg udara kering/s dan jika menggunakan blower yang memiliki diameter 6 cm maka
31 kecepatan udara blower 77.27 cm/s. Pengaturan kecepatan aliran kipas diatur dengan pengaturan lubang penyerapan udara di atas blower. Jika kecepatan keluaran blower terlalu besar maka ruang penghisapan udara harus diperkecil. Kecepatan angin diukur dengan anemometer setiap 15 menit. Nilai perhitungan ini berdasarkan perhitungan rancangan awal yaitu untuk pengeringan gabah 5 kg. Di rancangan awal, suhu udara pengering yang dirancang adalah 43oC tetapi berdasarkan hasil pengukuran suhu udara yang masuk ruang pengering pada siang hari (jam 08:00-13:00 WIB) berada pada rentang suhu 28-42oC. Hal ini tidak sesuai dengan rancangan awal karena iradiasi pada waktu pengujian tidak terlalu tinggi dan pada waktu siang hari sebagian energi panas yang dimiliki oleh air digunakan untuk melelehkan parafin. Pada waktu malam hari (19:00-23:00 WIB) suhu ruang plenum yaitu antara 33-31oC. Perhitungan laju aliran massa udara dapat dilihat pada Lampiran 2. Data suhu di ruang plenum, kecepatan dan suhu udara lingkungan, kecepatan udara dan suhu keluaran blower dapat dilihat pada Lampiran 6 dan 7. Uji Verifikasi Temofisik Lilin Parafin Pengujian sifat termofisik parafin dilakukan untuk mengetahui sifat dari parafin yang digunakan. Pengujian kali ini adalah untuk menguji titik leleh dari parafin. Hasil pengujian titik leleh parafin dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20 Hasil pengujian titik leleh parafin
32 Pada Gambar 20 grafik menunjukkan hasil pengujian titik leleh parafin. Dari hasil pengujian tidak menunjukkan kapan dan pada suhu berapa parafin meleleh. Dari grafik perubahan fase secara teoritis pada gambar kecil diatas, perubahan dari fase padat ke fase cair menunjukkan suatu titik konstan ketika parafin mulai mencair. Dari grafik hasil pengujian titik leleh perubahan suhu terlalu cepat dan tidak terdapat suatu titik awal yang menunjukkan kapan dan pada suhu berapa parafin mulai mencair. Data hasil pengukuran titik leleh parafin dapat dilihat pada Lampiran 1. Penentuan titik leleh parafin menggunakan hasil penelitian Thirugnanam dan Marimuthu, 2013 yang juga menguji titik leleh parafin yang berada di pasaran. Karakteristik termal lilin parafin yang digunakan adalah : a. Titik leleh : 54.32 C b. Panas laten : 184.48 kJ/kgK c. Densitas (fase cair) : 775 kg/m3 d. Densitas (fase padat) : 833 kg/m3 e. Panas spesifik (fase padat) : 2.384 kJ/kgK f. Panas spesifik (fase cair) : 2.44 kJ/kgK g. Konduktivitas termal : 0.15 m2/s h. Viskositas : 6.3. 10-3 i. Viskositas kinematik : 8.31.10-5 m2/sec j. Bilangan Prandtal : 1001.23 Pengujian Efisiensi Kolektor Surya Uji kinerja kolektor yang sudah dirancang salah satunya adalah pengujian efisiensi dari kolektor surya. Pengujian dilakukan dengan dua kali pengujian. Prosedur dalam pengujian efisiensi kolektor surya adalah air akan dialirkan dengan pompa ke saluran inlet kolektor, air akan mengalir di di dalam pipa tembaga dan akan dipanaskan oleh sinar matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Air akan mengalir ke saluran outlet kolektor dan masuk ke saluran inlet tangki air. Saluran outlet kolektor akan masuk ke dalam pompa dan masuk ke inlet lagi.
Gambar 21 Perubahan suhu selama proses pemanasan pada ulangan-1
33
Gambar 22 Perubahan suhu selama proses pemanasan pada ulangan-2 Pada Gambar 21 dan Gambar 22 menunjukkan hubungan antara iradiasi dengan suhu plat absorber, suhu inlet dan outlet kolektor dan tangki air. Pada pengujian I terlihat bahwa suhu awal di tangki air adalah 42.2oC suhu tertinggi adalah 87.2oC yaitu pada radiasi sebesar 785.143 W/m2. Sementara pada pengujian II suhu tangki awal tangki air adalah 36.4oC dan suhu tertinggi si tangki air adalah 83.7oC yaitu pada radiasi sebesar 757.14 W/m2. Pada pengujian I radiasi rata rata matahari adalah 544.64 W/m2 dan pada pengujian II sebesar 572.32 W/m2. Dari Gambar 21 dan Gambar 22, perbedaan antara suhu inlet dan outlet kolektor tidak jauh berbeda yaitu sekitar 1-3oC. Data hasil pengujian dapat dilihat pada Lampiran 3 dan Lampiran 4.
Gambar 23 Efisiensi kolektor surya sebelum (diolah dari Nitipraja 2008) dan sesudah modifikasi
34 Gambar 23 menunjukkan efisiensi kumulatif kolektor sebelum dan sesudah modifikasi kolektor surya. Pengujian efisiensi kolektor surya dilakukan dengan dua kali ulangan dan contoh perhitungan efisiensi kolektor terdapat di Lampiran 5. Dari hasil modifikasi kolektor surya, nilai efisiensi kolektor surya sebelum modifikasi lebih tinggi jika dibandingkan efisiensi kolektor surya hasil modifikasi dimana nilai efisiensi tertinggi kolektor surya sebelum modifikasi adalah 50% dan setelah modifikasi adalah 28%. Perbedaan efisiensi tersebut disebabkan oleh beberapa faktor antara lain perbedaan laju aliran massa dan perbedaan rata-rata suhu masuk dan keluar kolektor. Sebelum modifikasi, laju aliran massa air adalah 0.173 kg/s dan suhu rata-rata inlet dan outlet kolektor adalah 43.3oC dan 43.9oC. Setelah modifikasi laju aliran massa air yang digunakan adalah 0.0374 kg/s dan suhu rata-rata inlet dan outlet kolektor adalah 73.7oC dan 74.98oC. Laju aliran massa air berpengaruh terhadap jumlah energi yang dihasilkan kolektor karena semakin besar laju aliran massa air yang masuk dan keluar maka energi yang dihasilkan semakin besar. Suhu rata-rata suhu masuk dan keluar kolektor juga berpengaruh terhadap efisiensi kolektor karena semakin besar perbedaan suhu air di dalam kolektor dengan suhu lingkungan, maka kolektor cenderung melepas panas lebih banyak sehingga efisiensi berkurang. Suhu air di dalam kolektor sebelum modifikasi relatif rendah sehingga tidak bisa digunakan untuk penyimpanan panas laten karena suhu titik leleh material panas laten tinggi. Nilai efisiensi sangat bergantung pada intensitas radiasi matahari yang diterima kolektor, suhu lingkungan dan kecepatan angin di sekitar kolektor. Pada perhitungan efisiensi kolektor surya hal yang diperhatikan adalah kehilangan panas pada bagian atas kolektor, pada bagian bawah kolektor dan pada bagian samping kolektor. Total kehilangan panas terbesar yang terjadi adalah pada bagian atas kolektor. Setelah mendapatkan persamaan regresi dari hubungan antara (tfi-ta)/I dengan efisiensi maka nilai sifat optik kolektor (τα)c dapat dicari dan nilai (τα)c adalah 35,824 untuk kolektor surya sebelum modifikasi dan 32,43 untuk kolektor surya setelah dimodifikasi. Total energi yang dihasilkan alat sebelum modifikasi adalah 13847.625 kJ dengan lama penyerapan energi adalah selama 7 jam 15 menit dan total energi setelah modifikasi adalah 4956.699-4868.223 kJ. Contoh perhitungan total energi kolektor setelah modifikasi dapat dilihat pada Lampiran 10. Perbedaan total jumlah energi yang dihasilkan dipengaruhi oleh laju aliran massa air yang masuk dan keluar dari kolektor surya. Pada Gambar 24 disajikan laju energi berguna dari kolektor setelah modifikasi.
35
Gambar 24 Laju energi berguna dari kolektor setelah dimodifikasi Energi Aktual selama Proses Charging dan Discharging pada Parafin Pada proses transfer panas pada parafin, proses terbagi dua yaitu proses charging dan proses discharging. Pada proses charging hal yang diperhatikan adalah kumulatif energi yang tersimpan pada air. Air akan dipanaskan oleh sinar matahari yang terperangkap di dalam kolektor sehingga suhu inlet dan outlet kolektor tergantung dari panas matahari yang diserap kolektor dan suhu lingkungan. Data hasil pengujian keseluruhan sistem dapat dilihat pada Lampiran 6 dan Lampiran 7. Proses charging Selama proses charging air akan dialirkan melalui kolektor surya lalu masuk ke tangki penyimpanan parafin secara terus menerus. Temperatur awal parafin adalah 31oC, lalu air yang sudah dipanaskan oleh kolektor akan memberikan panas ke parafin sampai mencapai titik leleh (disimpan sebagai panas sensibel). Lalu panas akan disimpan sebagai panas laten ketika parafin meleleh dan menjadi cair. Energi akan tersimpan sebagai panas sensibel sewaktu parafin dalam keadaan cair. Suhu air dan parafin disimpan dalam selang waktu 15 menit. Proses charging berlangsung sampai suhu dari parafin mencapai suhu maksimum. Jika suhu maksimum parafin sudah dicapai lalu suhu parafin turun maka proses tersebut adalah proses awal discharging.
36
Gambar 25 Sebaran suhu air masuk dan keluar pada tangki penyimpanan parafin, suhu parafin, suhu lingkungan dan suhu ruang pengering selama proses charging (6 Juni 2014)
Gambar 26 Sebaran suhu air masuk dan keluar pada tangki penyimpanan parafin, suhu parafin, suhu lingkungan dan suhu ruang pengering selama proses charging (7 Juni 2014) Gambar 25 dan 26 menunjukkan sebaran suhu pada parafin selama proses charging. Suhu parafin naik dengan signifikan dengan besarnya nilai radiasi matahari karena semakin besar nilai radiasi maka suhu air yang terdapat di dalam kolektor juga akan naik dan memiliki energi sensibel yang besar untuk mentransfer ke parafin. Nilai suhu maksimum air masuk ke dalam tangki parafin adalah 66oC pada 6 Juni dan 71oC pada 7 Juni dengan nilai radiasi masing masing adalah 442.35 W/m2 pada 6 Juni dan 742.85 W/m2 pada 7 Juni.
37 Pada Gambar 29 menunjukkan energi berguna selama proses charging dan discharging. Perhitungan energi berguna pada saat charging dan discharging menggunakan persamaan (18) dan (19). Dari Gambar 29 menunjukkan bahwa total energi pada proses charging pada ulangan-1 (6 Juni) adalah 1532.59 kJ dalam waktu 4 jam dan pada ulangan-2 adalah 1539.23 kJ dalam waktu 6 jam 15 menit. Total energi pada proses discharging pada ulangan-1 adalah 1368.82 kJ dalam waktu 10 jam 45 menit dan pada ulangan-2 adalah 1411.39 kJ dalam waktu 10 jam 30 menit. Perhitungan energi selama proses charging dan discharging dapat dilihat pada Lampiran 8 dan 9. Pada Lampiran 9 menunjukkan perhitungan energi charging dengan Metode Simpson. Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa energi yang diserap oleh kolektor lebih besar jika dibandingkan dengan energi yang disimpan dan digunakan oleh parafin. Hal ini karena banyaknya energi yang terbuang ke lingkungan sehingga tidak dimanfaatkan oleh parafin. Proses discharging Proses discharging terjadi ketika suhu air sudah mulai turun setelah suhu maksimum. Selama proses discharging air suhunya sudah turun akan disirkulasikan ke dalam tangki parafin dan energi sensibel yang tersimpan pada parafin akan ditransfer ke air. Proses discharging akan terus berlangsung sampai suhu parafin menurun sampai sama dengan suhu lingkungan.
Gambar 27 Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara di dalam tangki selama proses discharging (6 Juni 2014)
38
Gambar 28 Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara di dalam tangki selama proses discharging (7 Juni 2014)
Gambar 29 Energi aktual proses charging dan discharging oleh parafin Pada Gambar 27 dan 28 menunjukkan sebaran suhu pada parafin selama proses discharging. Indikasi parafin sudah tidak mentransfer panas ke air adalah ketika suhu keluaran radiator sama dengan suhu air di tangki yang berarti bahwa tidak ada lagi panas yang diberikan dari parafin ke air. Pada pengukuran 6 Juni, suhu air keluar dari tangki parafin mendekati suhu air di dalam tangki air membutuhkan waktu 10 jam 45 menit dimana suhu parafin konstan pada suhu 42oC, suhu air keluar tangki parafin 41oC dan suhu air di dalam tangki air adalah 39.5oC. Pada pengukuran 7 Juni, suhu air keluar dari tangki parafin mendekati suhu air di dalam tangki air membutuhkan waktu 10
39 jam 30 menit dimana suhu parafin konstan pada suhu 43oC, suhu air keluar tangki parafin 41oC dan suhu air di dalam tangki adalah 39oC. Pada Gambar 27 menunjukkan bahwa parafin masih mampu menyuplai panas ke ruang pengering sampai pukul 22:45 WIB yaitu suhu 31oC sementara suhu lingkungan pada saat itu adalah 26.1oC. Terlihat di grafik bahwa ketika proses discharging dimulai sampai keadaan akhir, sistem yang dirancang masih mampu menyuplai panas cukup baik karena perbedaan antara suhu lingkungan dengan suhu ruang pengering sekitar 5-7oC. Pada Gambar 28 menunjukkan bahwa parafin mampu menyuplai suhu 31oC hingga pukul 01:00 WIB. Pada kondisi ini, pada 7 Juni panas yang mampu diserap dan dilepas oleh parafin cukup baik jika dibandingkan dengan percobaan pada 6 Juni. Hal ini disebabkan oleh radiasi matahari yang terjadi pada proses charging. Pada 6 Juni, iradisi matahari tidak terlalu tinggi dan berfluktuatif sehingga parafin meleleh setelah 3 jam pemanasan oleh kolektor surya, sementara pada 7 Juni iradiasi matahari cenderung tidak terlalu berfluktuasi seperti 6 Juni sehingga parafin meleleh setelah 2 jam pemanasan oleh kolektor surya.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Dari hasil modifikasi kolektor surya, nilai efisiensi kolektor surya sebelum modifikasi lebih tinggi jika dibandingkan efisiensi kolektor surya hasil modifikasi dimana nilai efisiensi tertinggi kolektor surya sebelum modifikasi adalah 50% dan setelah modifikasi adalah 28%. Perbedaan efisiensi tersebut disebabkan oleh perbedaan laju aliran massa dan perbedaan rata-rata suhu masuk dan keluar kolektor. Sebelum modifikasi, laju aliran massa air adalah 0.173 kg/s dan suhu rata-rata inlet dan outlet kolektor adalah 43.3oC dan 43.9oC. Setelah modifikasi laju aliran massa air yang digunakan adalah 0.0374 kg/s dan suhu rata-rata inlet dan outlet kolektor adalah 73.7oC dan 74.98oC. Sistem penyimpanan panas laten dengan lilin parafin sebanyak 6 kg yang dirancang dengan basis kapasitas pengeringan 5 kg gabah dengan asumsi kadar air awal 25%bb dan kadar air setelah pengeringan adalah 14%bb dengan waktu pengeringan 12 jam telah dibuat dan diuji. Dari hasil pengujian, total energi yang dapat disimpan oleh parafin selama proses charging (proses pengisian) berkisar 1532.59- 1539.23 kJ sedangkan total energi selama proses discharging (penyaluran panas ke ruang pengering) pada berkisar 1368.82-1411.39 kJ. Suhu ruang pengering sampai akhir proses discharging (proses discharging mulai dari pukul 12:15-22:45 WIB) adalah 31oC dengan suhu lingkungan 26.1oC dan selama proses discharging perbedaan suhu ruang pengering dengan lingkungan sekitar 5-7oC. Pada ulangan kedua, suhu ruang pengering sampai akhir proses discharging (proses discharging dimulai pukul 14:30-01:00 WIB) adalah 31oC dan suhu lingkungan 23.7oC. Selama proses discharging perbedaan suhu ruang pengering dengan lingkungan sekitar 7-9oC.
40 Saran Untuk peningkatan dan perbaikan kinerja dari alat pengering yang dirancang, maka perlu dilakukan hal sebagai berikut : 1. Penggunaan pipa tahan panas (pipa rifeng) pada setiap komponen yang dilalui fluida agar kehilangan panas yang terjadi semakin kecil. 2. Penambahan unit isolasi yang memiliki nilai konduktifitas lebih besar dibandingkan glasswool pada bagian samping dan bawah kolektor, pipa aliran fluida, tangki penyimpanan parafin, dan tangki air. 3. Untuk meningkatkan efisiensi kolektor, laju aliran massa air perlu diperbesar.
DAFTAR PUSTAKA Alkilani M. 2012. Review Of Solar Air Collectors With Thermal Storage Units. Solar Energy Research Institute. Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi. Selangor. Malaysia. Anonim. 2004. Solar Thermal Water Heating [Internet]. [diunduh 2014-0802]; Renewable Energy World second edition; http://volker-quaschning.de Anonim. Solar Collector. Interma [Internet]. [diunduh 2014-08-02]; http: //inermasolar.com Anonim. Solar Thermal Hot Water Heaters. Machine-History [Internet]. [diunduh 2014-08-02]; http://machine-history.com Armancell EF. Armaflex [Internet]. [diunduh 2014-08-10]; Armacell Engineered Foam; http:// http://www.armacell.com Ataer ED. 2006. Storage Of Thermal Energy. Mechanichal Engineering Departement. Gazi University. 06570. Ankara. Bouadila S, Skouri S, Kooli S, Lazaar M, Farhat A. 2013. Experimental Investigation Of A New Solar Air Heater With Packed-Bed Latent Storage Energy. The Research and Technology Center for Energy. Tunisia Brooker DB, Bakler-Arkema FW, Hall CW. 1974. Drying Cereal Grains. The AVI Publishing Co.,Inc. West port,Connecticut C Thirugnanam, P Marimuthu. 2013. Experimental Analysis of Latent Heat Thermal Energy Storage using Parafin wax as Phase Change Material. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT). Departemen Pertanian. 1988. Petunjuk Teknis Penanganan Pasca Panen Padi. Departemen Pertanian. Direktorat Jendral Pertanian Tanaman Pangan. Duffie J, Beckman W. 1991. Solar Engineering Of Thermal Process, Second edition. Wiley-Interscience. New York. Dhote YC, Thombre SB. 2010. Parametric Study On The Thermal Performance Of The Solar Air Heater With Energy Storage. Department of Mechanical Engineering. Hindustan College of Science & Technology. Department of Mechanical Engineering. Visvesvaraya National Institute of Technology. Nagpur – 440 011 (M.S.). India.
41 Ekechukwu OV, Norton B. 1999. Review of Solar-Energy Drying Systems I: an Overview of Drying Principle and Theory. International Journal of Energy Conversion & Management. Ekechukwu OV, Norton B. 1999. Review of Solar-Energy Drying Systems II: an Overviewof Solar Drying Technology. International Journal of Energy Conversion & Management. Engineering TB. Thermal Conductivity of some common Materials and Gases [Internet]. The Engineering ToolBox. [diunduh 2014-08-10]; http://www.engineeringtoolbox.com Handerson SM, Perry RL. 1976. Agricultural Process Engineering. 3th Edition. The AVI Publishing Company. Inc. Wesport Connecticut. USA Jesumathy SP. 2011. Heat Transfer Characteristics In Latent Heat Storage System Using Parafin Wax. Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology. Trichy. India. Jordan RC, Liu BYH. Applications Of Solar Energy For Heating And Cooling Of Buildings. American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc. Kotze JP. High Temperature Thermal Energy Storage Utilizing Metallic Phase Change Materials and Metallic Heat Transfer Fluids. Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Stellenbosch University. Banghoek Road. 7600 Stellenbosch. South Africa. Nitipraja F. 2008. Rancangan Alat Pengeringan Dengan Kolektor Surya Pelat Datar Yang Menggunakan Air Sebagai Media Penyimpanan Panas Untuk Pengeringan Gabah [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Norton B. 1992. Solar Energy. Thermopedia [Internet]. [diunduh 2014-0802]; http:thermopedia.com Padmaraju SA, Viginesh M, Nallusammy M. 1999. Comparative Study Of Sensible And Latent Heat Storage Systems Integrated With Solar Water Heating Unit. Departement of Mechanical Engineering. Sri Venkastewara College of Engineering,Spriperumbudur 602105. India. Rosa Y, Zuhendry. 2007. Kaji Eksperimental Penyimpanan Panas Sementara Dari Hasil Udara Panas Keluaran Kolektor Surya. Politeknik Negeri Padang. Padang Rosa Y. 2008. Rancang Bangun Kolektor Plat Datar Energi Surya Untuk Sistem Pengeringan Pasca Panen. Politeknik Negeri Padang. Padang Saxena, Abhishek. 2012. Design And Performance Of A Solar Air Heater With Long Term Heat Storage. Department of Mechanichal Engineering. India Sianturi EA, Himsar Ambarita. 2012. Studi Pemanfaatan Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Kotak Sederhana Yang Dilengkapi Thermal Storage Solar Water Heater. Sukahatme. 2001. Solar Energy: Principles of Thermal Collection and Storage. Mc-Graw-Hill Publishing Company Limited. New Delhi. India Tambunan A, Kamaruddin A, Binsar N. 2006. Analisis Eksergi Penyimpanan Panas Untuk Sistem Pengering Berenergi Surya. Institut Pertanian Bogor. Tay NHS, Belusko M, Bruno F. 2011. Experimental Investigation Of Tubes In A Phase Thermal Energy Storage System. University of South Australia. Australia
42 Taylan O, Berberoglu. 2013. Fuel Production Using Concentrated Solar Energy. Intech [Internet].[diunduh 2014-08-02]; http:intechopen.com Toilon Indonesia. Isolasi Pipa [Internet]. PT. Toilon Indonesia. [diunduh 2014-08-10]; http://www.toilon.co.id Witarsa. 2004. Pengujian Kinerja Pengering Surya Dinding Tunggal dan Dinding Ganda Untuk Pengeringan Cabai. Institut Pertanian Bogor. Zulfri MT, R Hamdani. 2014. Kaji Eksperimental Pemanfaatan Material Penyimpan Panas Pada Kolektor Pemanas Air Surya. Universitas Syah Kuala. Aceh
43 Lampiran 1 Data hasil pengujian titik leleh Jam 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25 11:30 11:35 11:40 11:45 11:50 11:55 12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40
Titik 1 27.1 29.5 32.1 34.2 36.2 38.7 41.7 44.2 46.5 48.4 50.2 51.6 52.4 53.4 54 54.8 55.5 55.7 56.2 56.6 57.6 58.2 58.4 59 59.3 59.5 60 60.5 60.9 62.3 63.2 63.6 65.5 67 68.6 68.8 68.3 64.9 61.6 58.8 58.2
Titik Titik 2 3 27.7 27.4 29.5 30.8 31.7 33.7 33.8 35.6 35.7 37.8 38.4 41.8 39 41.1 43.3 47 45.5 49.2 47.3 50.9 49.3 52.9 50.6 54 51.4 55.2 52.4 55.1 53.2 55.6 54 56.8 54.5 56.7 54.9 57.2 55.7 57.1 56.4 58 56.7 58.6 58.3 58.8 59.8 58.8 60.9 59.2 61 58.7 62.1 59.3 63 60.4 63.3 60.5 62.3 60.3 63.8 62.1 64.4 63.6 64.8 64.9 67.1 66.7 67.8 67.3 69.4 67 69.5 68.3 68.7 68.7 64.8 65.8 61.6 62.7 58.9 59.5 57.9 59
Jam 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15 16:20 16:25 16:30 16:35 16:40 16:45 16:50 16:55 17:00 17:05
Titik 1 56.9 56.1 55.2 54 53.1 52.1 51 49.8 48.8 47.9 46.8 45.8 44.8 43.9 43 42.2 41.5 40.7 40 39.4 38.9 38.4 37.8 37.3 36.9 36.4 36.1 35.7 35.3 35 34.6 34.3 34 33.8 33.6 33.5 33.3 33.1 32.9 32.7 32.6
Titik Titik 2 3 56.1 58.5 55.1 58.2 53.8 57.8 52.4 57.1 51.1 56.5 50 55.8 48.7 54.8 47.4 53.5 46.4 52.5 45.5 51.3 44.5 49.9 43.7 48.6 42.9 47.3 42.1 46 41.4 44.9 40.6 43.7 40.1 42.8 39.4 41.8 38.9 41.1 38.3 40.3 37.8 39.7 37.5 39.2 37 38.5 36.6 38 36.3 37.5 35.8 37 35.5 36.6 35.2 36.1 34.9 35.8 34.6 35.4 34.3 35 34 34.6 33.8 34.4 33.6 34.1 33.4 33.9 33.3 33.8 33.1 33.6 32.9 33.3 32.7 33.1 32.6 32.9 32.4 32.7
44 Lampiran 2 Perhitungan laju aliran massa udara Massa gabah (mg) = 5 kg = 5000 g KAO 25% terdiri dari 1250 g air dan 3750 g bahan kering KA 25 1250 g air = O . mg .5000 g 1250 g 100 100 100 KAo 100 25 3750 g bahan kering= . mg = .5000 3750 g 100 100 Jumlah air yang hilang(JAH) dapat dihitung dengan persamaan : 100.KAO KA1 100.25 14 JAH= .mg .mg 12.75%.5000 g 637.5 g 100 KA1 100 14 Sehingga jumlah air yang hilang selama proses pengeringan adalah 637.5 g
Penentuan laju pengeringan : Suhu udara pengering : 43 oC (RH = 43% dan H = 0.018 kg/kg udara kering) Suhu udara lingkungan : 27 oC (RH = 80% dan H = 0.018 kg/kg udara kering) Suhu outlet ruang pengering: 30 oC (RH = 86% dan H = 0.0235 kg/kg udara kering) Waktu pengeringan : 12 jam = 43200 s 0.63kg Laju pengeringan : 1.41.10 5 kg/s 43200s ΔH = Hsuhu outlet - Hlingkungan = 0.0235 - 0.018 = 0.0055 kg/kg udara kering 1.41.105 kg / s Laju aliran massa udara = 0.0025 kg udara kering/s 0.0055kg / kgudara ker ing Diameter blower = 0.06 m Luas lubang angin blower = ¼ x 3.14 x (0.06)2 = 0.0028 m2 ρudara = 1 kg/m3 0.0025 Kecepatan blower = 0.727m / s 0.0028 1
45 Lampiran 3 Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya ulangan I Waktu Iradiasi (jam) (W/m²) 8:00 414.286 8:30 500 9:00 585.714 9:30 671.429 10:00 757.143 10:30 771.429 11:00 771.429 11:30 785.714 12:00 742.857 12:30 728.571 13:00 600 13:30 542.857 14:00 428.571 14:30 328.571 15:00 57.1429 15:30 28.5714 28.57 Min 785.71 Max Rata 544.64 rata
T1 (⁰C) 43.3 57.9 65.7 73.5 79.5 83 85.3 86.3 86.5 85.3 82.9 81 76.9 72.8 65.1 54.2 43.30 86.50
T2 (⁰C) 44 59.1 66.9 75 81.2 84.6 87.5 88.7 88.5 87.3 84.5 82.3 77.5 73.1 65.4 54.2 44.00 88.70
T3 (⁰C) 44.9 61.5 69.6 78.4 85.3 88.6 91 95.6 91.1 90.4 87.3 84 78.2 73.2 61.5 49.7 44.90 95.60
T4 (⁰C) 44.6 59.5 67.2 75.1 81.5 85.1 87.5 88.4 88.5 87.7 85.2 83 77.78 73.1 62.8 51.3 44.60 88.50
T5 (⁰C) 29 35.1 33.6 35.9 35.8 39.7 40.5 42.9 44.3 43.6 41.3 48.5 46 45 36.5 34 29.00 48.50
T6 (⁰C) 29 33.1 33.6 34.6 38 39.8 45 44 43.5 41 39.8 37.6 35.6 33 32 30 29.00 45.00
T7 (⁰C) 91.6 50.6 53.5 59.6 62.7 66.4 68.3 66.4 67.2 65.1 61.6 63.7 60.1 56.5 47.2 38.1 38.10 91.60
Ta (⁰C) 31.4 31.7 32.9 32.3 31.7 34.1 33.5 37.2 35.5 35.3 36.9 34.6 34.2 34.2 36.38 31.31 31.31 37.20
T8 Vangin (m/s) (⁰C) 42.2 0.02 57.7 0.18 65.9 0.3 74 0.21 80.3 0.1 83.7 0.5 85.9 0.6 87.2 0.26 87.1 0.17 86 0.29 83.5 0.24 81.4 0.27 77.1 0.36 72.7 0.27 65.1 0.25 53.8 0.54 42.20 0.02 87.20 0.60
73.70
74.99
76.89
74.89
39.48
36.85
61.16
33.95
73.98
0.29
46 Lampiran 4 Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya ulangan I Waktu Iradiasi T1 (jam) (W/m²) (⁰C) 8:00 371.43 39.8 8:30 557.14 47.8 9:00 457.14 53.6 9:30 657.14 61.5 10:00 728.57 68.7 10:30 428.57 72.4 11:00 814.29 72.1 11:30 814.29 80.4 12:00 814.29 82.1 12:30 757.14 78.8 13:00 714.29 78.7 13:30 671.43 77.7 14:00 614.29 73.5 14:30 300.00 70.2 15:00 371.43 65.6 15:30 85.71 59.4 85.71 39.80 Min 814.29 82.10 Max Rata 572.32 67.64 rata
T2 (⁰C) 40.2 48.9 54.7 63.3 70.6 73 73.9 82 84.3 80.9 79 79.2 74.4 70.9 65.6 60.1 40.20 84.90
T3 (⁰C) 43.9 59.1 61.2 71.1 78.1 74.7 89 86.7 89.7 89.9 79.1 82.7 76.8 71.4 64.7 55.6 43.90 89.90
T4 (⁰C) 43.9 55.4 59.4 68.7 75.6 73.1 84.8 84.5 89.1 89.4 79 84.3 78.1 73 66.8 55.5 43.90 89.40
T5 (⁰C) 38.25 41.75 42.5 44.75 46.25 45.25 47.5 47 41.25 46.5 45 47.5 47.75 46.25 38.5 37.5 37.50 47.75
T6 (⁰C) 29 32 34 36 38 40 41 44 43 44 44 43 44 41 40 36 29.00 44.00
T7 (⁰C) 39.4 48.2 50.4 54.4 59.4 58.3 65.7 64.7 63.4 63.1 54.6 53.2 53.5 50.7 47.7 41.9 39.40 65.70
Ta (⁰C) 31.1 30.8 32.4 31.4 31.9 35.2 36 33.5 38.6 35.2 35.3 38.7 34.6 34 31.7 30.6 30.60 38.70
T8 (⁰C) 36.4 35.2 52.9 61.5 68.7 72.2 77.3 80.7 82.7 83.7 79.1 78.2 73.8 70.5 65.8 60.2 35.20 83.70
Vangin (m/s) 0.14 0.34 0.23 0.38 0.43 0.42 0.24 0.23 0.42 0.19 0.44 1.52 0.24 0.34 0.58 0.13 0.13 1.52
69.39
73.36
72.54
43.97
39.31
54.29
33.81
67.43
0.39
Keterangan : T1 : Suhu air inlet kolektor (oC) T2 : Suhu air outlet kolektor (oC) T3 : Suhu plat absorber (oC) T4 : Suhu bawah cover kolektor (oC) T5 : Suhu samping kolektor (oC) T6 : Suhu bawah kolektor (oC) T7 : Suhu atas kolektor (oC) Ta : Suhu lingkungan (oC) T8 : Suhu tangki air (oC) Sumber : Ulangan I = 21 Mei 2014 Ulangan II = 25 Mei 2014
47 Lampiran 5 Contoh perhitungan efisiensi kolektor pada 21 Mei 2014 Diketahui : T1 = 43.3 oC = 316.3 K T2 = 44 oC = 317 K T3 = 44.9 oC = 317.9 K T4 = 44.6 oC = 317.6 K T5 = 29 oC = 302 K T6 = 29 oC = 302 K T7 = 91.6 oC = 364.6 K Ta = 31.4 oC = 304.4 K T8 = 42.8 oC = 315.8 K Solusi : T1 Ta 0.0287C I hw 5.7 3.8 (0.02m / s) 5.776m / s UB
Ab 1 T T 1.5 1 317.6 302 . . 4 6 . . 0.111W / m 2 K Ak t1 1 T4 Ta 1.5 0.05 1 317.6 304.4 k1 hb 0.0048 5.776
As 1 T4 T5 0.75 Us . . AK t s 1 T4 Ta 1.5 k hw
317.6 302 1 . 0.74W / m 2 K . 0 . 03 1 317 . 6 304 . 4 0.048 5.776
f (1 0.089 hw 0.1166 hw P )(1 0,07866 N ) g f 1 0.089 5.776 0.1166 5.776 0,9)(1 0.078661)0.89 0.943
B
A
2 N f 1 0,133 p
g
(T f 1 Ta )(T fi 2 T
2 1 0.9793 1 0.133 0,9 2,2993 0,89 2
a
)
p 0.00591.N .hw) B N 1
5.67 108 (316.3 304.4)(316.32 304.42 ) 2.92 (0.9 0.00591 1 5.776) 1 2.996 1
C 520.(1 0.000051 2 ) 520.(1 0.000051 02 ) 520
48
100 0.43.1 100 0.294 E 0.43.1 T fi 316.3 1
1 N 1 1 1 UT A 6.44W / m 2 K 2.2097 E 0 , 294 hw 5.776 C T fi Ta 520 316.3 304.4 316.3 1 0.9793 T N f fi UL U T U B U S 6.44 0.111 0.74 7.291W / m 2 K
UL W D tanh k 2 F UL W D k 2 F'
7.2931 0.04 0.0127 tanh 4 2 237 2.10 0.9906 7.2931 0.04 0.0127 237 2.10 4 2
1 UL
1 1 1 W ULD W D F Cb h Di fi 1 7.2931
F '
1 1 1 0.04 237 0.0127 7.29310.04 0.0127 0.9906 0.0127 0.001 3.14.230.157.0.0126 ' F 0.9554 3.23.10 2 mair .Cp Ak 1.5 .4180 1 exp 1.5 7,2931 0.9554 . 1 exp Ak .U L .F ' FR . 0.919 7.2931 3.23.10 2 4180 UL mair .Cp
Qu m Cp Tout Tin 3.23.10 2 kg / s 4180 J / kgK 44 43.3 94.64W
Qu 94.64W 15% IA 414.28W / m 2 1.5m 2
Persamaan efisiensi kolektor dan (tfi-ta)/I adalah : y = -173.3 x + 32.43 Nilai a = 32.43 dengan nilai FR = 91.9 % maka nilai (ατ)c adalah 0.35
49 Lampiran 6 Data sebaran suhu di seluruh sistem 6 Juni 2014 Waktu (jam) 8:00 8:15 8:30 8:45 9:00 9:15 9:30 9:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 17:15 17:30
Iradiasi
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
(W/m²)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
(C)
171.43 185.71 300.00 342.86 371.43 371.43 257.14 385.71 414.29 571.43 514.29 542.86 728.57 657.14 385.71 442.86 471.43 385.71 385.71 400.00 414.29 314.29 242.86 242.86 228.57 271.43 271.43 185.71 142.86 128.57 114.29 100.00 100.00 71.43 42.86 14.29 0 0 0
29.3 31.2 34.9 38 40.8 43.8 45.2 46.6 48.3 51.3 53.7 55.2 57 59.6 60.2 59.8 59.3 59.2 58.5 58.5 58.5 58.5 57.4 56.3 44.5 42.5 42.5 42 40.3 38.9 37.9 37.1 36.5 35.9 33.8 33 31 30.6 30
30.2 32.3 36.1 39.7 42.4 45.9 46.5 48.7 50.8 54.6 57.4 58.2 61.9 65 63.4 62.5 62.4 61.5 60.3 60.8 61.3 60.5 58.4 57.3 41.2 40.3 40.7 39.6 38.5 37.6 36.9 36.1 35.8 35.1 33.2 32.6 31 30.4 29.9
35.1 34.5 34.4 35 38 37.6 41.9 41.2 45 42.6 49.7 45.1 48.8 43.2 53.5 45.8 55.8 47.7 61.9 52.4 63.5 54.1 63.3 53 70.3 58.2 72.7 61 67.7 56.5 65.9 54.5 66.6 55.1 64.1 52.7 63.1 52 63.5 52.2 64.5 53.4 62.6 52 59.2 49 57.7 47.6 58.7 47.1 60.3 48 61.6 49.6 59.6 48.3 56.3 45.7 52.7 43.4 50.7 41.7 48.7 40.3 47.6 39.5 45.8 38.2 42.4 35.2 40 33.6 36 30 34.8 29.8 34.1 29.2
29.3 30.7 34 37.2 40.1 43.1 44.4 46 47.7 50.9 53.6 55 57.1 60 60 59.7 59.4 59.2 58.2 58.6 58.8 58.5 57.2 56.1 53.6 52.4 51.4 50.4 49.7 48.9 48.3 47.6 47.1 46.6 45.7 45.2 44 44.2 44
30.1 31 31.4 32 34.5 35 37.6 39 40 41 42.9 44 43.6 45 45.1 46 47.3 48 50.7 51 52.6 53 53.4 56 56.4 58 59.3 60 58.2 60 58 60 57.9 60 57.2 59 57 58.8 56.9 59 57.4 59 56.4 60 54.8 60 54 59 51.5 57 50.6 56 49.7 54 48.8 54 48 52 47.4 52 46.7 51 46.2 50 45.7 50 45.1 49 44.2 48 43.7 48 43 47 42.6 47 42.4 46
31 33 37 40 43 47 47 49 51 55 58 59 62 66 64 63 62 62 60.8 61 61 61 60 59 55 54 53 53 51 51 50 50 49 48 48 47 46 46 46
31 33 36 40 43 46 47 49 51 54 57 59 61 65 63 63 63 62 61.8 62 62 61 60 59 55 54 53 53 51 51 50 50 49 48 48 47 46 46 46
31 32 36 39 42 46 47 49 50 54 56 57 61 64 62 62 62 62 60.8 61 61 61 59 58 55 54 53 52 51 51 50 49 49 48 47 47 46 46 45
T11 (C) 28 29 30 32 33 34 34 36 36 37 37 38 38 40 40 38 39 39 38 39 39 42 39 40 39 41 39 39 39 38 37 38 38 38 37 37 37 35 35
Ta hw 0.18 0.3 0.29 0.28 0.03 0.28 0.28 0.51 0.3 0.35 0.56 0.23 0.46 0.42 0.17 0.16 0.7 0.31 0.26 0.52 0.12 0.23 0.22 0.1 0.18 0.24 0.23 0.21 0.12 0.18 0.17 0.37 0.48 0.11 0.11 0.35 0.85 0.34 0.25
(C) 27.2 27.2 28.5 28.5 30 29.4 30.7 30.8 32.2 31.4 33.3 33 35.2 33.8 34 34.2 33.6 34.1 34 35.1 35.3 33.4 33.6 33 32.9 33.1 32 32 31.9 31.8 31.7 30.8 30.5 30.6 30.1 28.9 28 28.6 28.7
50 17:45 18:00 18:15 18:30 18:45 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30 20:45 21:00 21:15 21:30 21:45 22:00 22:15 22:30 22:45
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
29.5 29 28.1 27.8 27.6 27.3 27.2 26.9 26.6 26.4 26.4 26.5 26.5 26.6 26.5 26 26.1 25.8 25.7 25.3 25.1
29.4 28.9 27.9 27.7 27.5 27.2 27.1 26.9 26.6 26.4 26.4 26.5 26.4 26.6 26.4 25.9 25.9 25.7 25.5 25.1 24.9
33 32.1 31 30.2 29.7 29 28.6 28.3 28 27.6 27.5 27.4 27.2 27.1 26.9 26 26.2 25.6 25.6 25.3 25
28.2 27.6 26.4 26.2 26 26 25.5 25.2 25 25.2 25.3 25.6 25.4 25.6 25.4 25 24.2 23.8 23.7 23.3 23.1
43.6 43.3 42.7 42.4 42.2 41.6 41.4 41.3 41.1 40.9 40.8 40.7 40.5 40.4 40.3 40 40.1 39.9 39.8 39.5 39.5
42.2 41.8 41.3 41 40.8 40.4 40.2 40.1 39.9 39.8 39.5 39.5 39.2 39.2 39.2 39 38.9 38.7 38.5 38.3 38.4
46 46 45 45 44 44 44 43 43 43 43 43 42 42 42 42 42 42 42 41 41
46 45 45 44 44 44 43 43 43 43 43 43 42 42 42 42 42 42 42 41 41
45 45 45 44 44 44 43 43 43 43 43 43 42 42 42 42 42 42 42 41 41
45 45 44 44 44 43 43 43 43 42 42 42 42 42 42 42 41 41 41 41 41
35 35 34 34 34 33 33 34 33 33 33 33 32 33 33 33 32 31 31 31 31
0.07 0.17 0.05 0.42 0.03 0.2 0.35 0.04 0.02 0.03 0.02 0.27 0.02 0.02 0.13 0.13 0.13 0.01 0.07 0.19 0.2
28.6 27.9 27.3 27.9 27.3 27 26.9 26.8 27 26.5 27.1 26.8 26.7 26.8 26.6 26 26.3 26.1 26.3 25.6 26.1
51 Lampiran 6 (Lanjutan)
Waktu (jam) 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00 9:00:00 9:15:00 9:30:00 9:45:00 10:00:00 10:15:00 10:30:00 10:45:00 11:00:00 11:15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 12:45:00 13:00:00 13:15:00 13:30:00 13:45:00 14:00:00 14:15:00 14:30:00 14:45:00 15:00:00 15:15:00 15:30:00 15:45:00 16:00:00 16:15:00 16:30:00 16:45:00 17:00:00 17:15:00
Iradiasi (W/m²)
171.4 185.7 300.0 342.9 371.4 371.4 257.1 385.7 414.3 571.4 514.3 542.9 728.6 657.1 385.7 442.9 471.4 385.7 385.7 400.0 414.3 314.3 242.9 242.9 228.6 271.4 271.4 185.7 142.9 128.6 114.3 100.0 100.0 71.4 42.9 14.3 0.0 0.0
hw (m/s) 0.18 0.3 0.29 0.28 0.03 0.28 0.28 0.51 0.3 0.35 0.56 0.23 0.46 0.42 0.17 0.16 0.7 0.31 0.26 0.52 0.12 0.23 0.22 0.1 0.18 0.24 0.23 0.21 0.12 0.18 0.17 0.37 0.48 0.11 0.11 0.35 0.85 0.34
Ta (C)
27.2 27.2 28.5 28.5 30 29.4 30.7 30.8 32.2 31.4 33.3 33 35.2 33.8 34 34.2 33.6 34.1 34 35.1 35.3 33.4 33.6 33 32.9 33.1 32 32 31.9 31.8 31.7 30.8 30.5 30.6 30.1 28.9 28 28.6
hw blower (m/s) 0.67 0.78 0.8 0.77 0.76 0.78 0.76 0.67 0.77 0.65 0.76 0.76 0.67 0.69 0.72 0.71 0.76 0.77 0.78 0.8 0.87 0.88 0.87 0.9 0.88 0.76 0.67 0.78 0.97 0.57 0.78 0.77 0.8 0.68 0.67 0.8 1 0.77
Ta blower (C) 28.4 28.2 29.3 30.3 31.2 30.4 31.3 31.6 30.3 32.2 33.7 33.9 35.8 34.5 35 35.1 34.8 34.2 34.5 36.1 36.1 35.3 34 33.5 33.7 33.5 32.3 33.9 32.3 32.7 31.5 31.1 30.7 30.5 31.1 31 29.7 29
52 17:30:00 17:45:00 18:00:00 18:15:00 18:30:00 18:45:00 19:00:00 19:15:00 19:30:00 19:45:00 20:00:00 20:15:00 20:30:00 20:45:00 21:00:00 21:15:00 21:30:00 21:45:00 22:00:00 22:15:00 22:30:00 22:45:00
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.25 0.07 0.17 0.05 0.42 0.03 0.2 0.35 0.04 0.02 0.03 0.02 0.27 0.02 0.02 0.13 0.13 0.13 0.01 0.07 0.19 0.2
28.7 28.6 27.9 27.3 27.9 27.3 27 26.9 26.8 27 26.5 27.1 26.8 26.7 26.8 26.6 26 26.3 26.1 26.3 25.6 26.1
0.68 0.5 0.6 0.5 0.87 0.6 0.68 0.74 0.59 0.57 0.6 0.6 0.78 0.56 0.58 0.73 0.73 0.73 0.56 0.56 0.69 0.76
28.8 28.7 28.9 28.2 29.2 28.3 28.1 28.7 27.8 27.8 27.3 27.9 27.5 28 28 27.5 27 27.3 27.5 27 26.7 26.9
53 Lampiran 7 Data sebaran suhu di seluruh sistem 7 Juni 2014 Waktu Iradiasi T1 (jam) (W/m²) (C) 8:00:00 371.43 33.4 8:15:00 371.43 36 8:30:00 442.86 39.1 8:45:00 485.71 43.4 9:00:00 528.57 46.2 9:15:00 571.43 49.3 9:30:00 600 52.3 9:45:00 614.29 54.8 10:00:00 657.14 56.9 10:15:00 700 58.7 10:30:00 700 60.9 10:45:00 614.29 61.9 11:00:00 257.14 62.7 11:15:00 728.57 63.5 11:30:00 742.86 64.2 11:45:00 371.43 64.7 12:00:00 542.86 65 12:15:00 685.71 64.4 12:30:00 728.57 64.3 12:45:00 557.14 63.9 13:00:00 442.86 63.8 13:15:00 585.71 64.5 13:30:00 557.14 63.7 13:45:00 514.29 63.8 14:00:00 485.71 63.7 14:15:00 457.14 63.2 14:30:00 457.14 62.4 14:45:00 85.714 60.6 15:00:00 114.29 46.2 15:15:00 114.29 41.9 15:30:00 114.29 40.3 15:45:00 85.714 38.7 16:00:00 57.143 37.3 16:15:00 28.571 36.1 16:30:00 28.571 35 16:45:00 14.286 33.7 17:00:00 14.286 32.6 17:15:00 0 31.7 17:30:00 0 30.8 17:45:00 0 30.3
T2 (C) 34.4 37.5 41.1 45.8 48.9 52.5 55.8 58 61.1 62.9 64.9 65.8 67 67.3 68.7 69.5 68.7 67.7 68.2 66.4 68.2 68 67.4 67.5 67.4 66.4 64.4 61.4 42.8 38.9 37.9 37.4 36.5 35.5 34.3 33.1 32.1 31.4 30.5 29.9
T3 T4 (C) (C) 36.3 35.5 38.2 37.6 42.2 40.7 48 44.8 52.5 47.1 57.4 49.1 61.3 51.6 63.8 53.1 66.9 55.4 68.8 56.9 70.1 57.7 69.7 57.8 72.2 59.2 69.5 56.8 74.3 60.8 74.6 60.5 70.5 59 69.2 57.5 73.1 58.6 69 55.8 72.8 59.7 70.1 57 33.9 59.3 72.9 58.8 72.1 59.3 70.7 58.5 67.9 55.2 60.8 48.7 57.8 45.9 57.5 46.7 54.6 45.4 51.9 42.3 48.7 39.8 45.9 37.4 43 35.4 40.3 33.6 38.3 32 36.5 30.7 34.7 29.4 33.5 28.5
T5 (C) 32.6 35 38.2 22.6 45.3 48.8 51.8 54.5 56.6 58.8 61 61.9 63 64 64.6 64.9 65.1 64.9 64.4 63.8 64.4 65 64 64.1 64 63.4 62.3 60.5 56.9 55 53.5 52.7 51.8 51 50.3 49.7 48.9 48.3 47.6 47.1
T6 (C) 33.7 36 38.9 42.7 45.4 48.4 51.2 53.6 55.5 57.9 59.5 60.1 61.4 62.7 63.8 64.1 63.6 63.7 63.1 61.9 63.6 63.7 62.8 62.7 62.5 61.6 60 57.7 54.2 52.3 51.5 50.5 49.8 48.9 48.3 47.7 46.8 46.4 45.9 45.2
T7 (C) 34 37 39 44 46 49 52 55 57 59 61 63 65 65 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 64 63 61 61 61 60 60 60 59 59 59 58 57 56
T8 (C) 36 38 41 46 50 53 57 59 62 65 67 67 69 70 71 71 71 70 70 68 71 70 70 70 69 69 67 63 59 57 55 55 54 53 53 52 51 50 50 49
T9 T10 (C) (C) 34 34 37 37 41 40 46 45 49 48 52 51 55 55 58 57 60 60 63 62 65 64 66 65 67 67 68 67 69 68 69 68 69 68 69 68 68 67 67 66 69 68 69 68 68 67 68 67 68 67 67 67 67 65 63 63 59 59 58 57 56 56 55 55 54 54 54 53 53 53 52 52 52 51 51 51 50 50 50 49
T11 (C) 31 32 33 32 36 38 39 40 41 42 42 42 45 45 45 44 45 45 45 43 44 46 46 46 46 45 45 44 42 40 41 40 40 39 38 38 37 37 38 37
Ta (C) 27.5 27.6 29 29.7 30.8 30.5 31.8 32 33 34.9 32.8 32.3 34.7 34 32.3 36 34.9 33.6 33.9 33.9 34.7 34.6 34.3 34.8 33.9 34.8 34.6 32.4 32.4 32 32.8 31.9 31.6 31.4 30.9 30.7 30.2 29.7 29.5 29.3
54 18:00:00 18:15:00 18:30:00 18:45:00 19:00:00 19:15:00 19:30:00 19:45:00 20:00:00 20:15:00 20:30:00 20:45:00 21:00:00 21:15:00 21:30:00 21:45:00 22:00:00 22:15:00 22:30:00 22:45:00 23:00:00 23:15:00 23:30:00 23:45:00 0:00:00 0:15:00 0:30:00 0:45:00 1:00:00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
30 29.6 28.9 28.7 28.4 27.9 27.8 27.5 27.1 26.6 26.6 26.2 25.9 25.5 25 24.7 25 24.5 24.4 24.2 24.1 23.9 23.8 23.7 23.5 23.3 23.2 23.1 23
29.5 29.1 28.6 28.4 28 27.5 27.4 27.1 26.7 26.3 26.3 25.9 25.7 25.4 24.7 24.7 24.7 24.2 24.2 24.1 23.9 23.9 23.6 23.5 23.5 23.4 23.4 23.1 23
32.7 31.9 31.1 30.5 29.8 29.3 28.7 28.2 27.8 27.2 26.9 26.5 26 25.5 24.5 24.2 24.5 24 23.9 23.7 23.6 23.4 23.1 23.1 22.9 22.8 22.6 22.5 22.4
27.9 27.5 27.1 26.7 25.9 25.7 25.4 24.9 24.5 24.1 24.1 23.6 23.4 23 22.2 22.2 22.2 22 21.9 21.9 21.8 21.6 21.4 21.6 21.4 21.2 21 20.8 20.9
46.7 46.2 45.6 45.1 44.7 44.2 43.8 43.4 43.1 42.6 42.4 42 41.7 41.3 40.3 40 40.3 39.8 39.6 39.2 39.2 39 38.8 38.5 38.3 38.2 38 37.8 37.7
45 44.5 43.8 43.4 43.2 42.6 42.3 42.1 41.7 41.1 41 40 40.5 40.2 39.2 38.9 38.9 38.6 38.3 38.2 38.1 37.9 37.7 37.5 37.3 37.1 36.9 36.7 36.6
56 55 54 53 52 52 51 50 50 49 48 48 48 47 45 45 45 45 44 44 44 43 43 43 43 43 43 42 42
49 48 48 47 47 46 46 45 45 44 44 44 43 43 42 42 42 42 41 41 41 41 41 41 40 40 40 40 40
49 49 48 47 47 47 46 45 45 45 44 44 43 43 42 42 42 42 42 41 41 41 40 40 40 40 40 40 39
49 49 48 47 47 47 46 45 45 44 44 44 43 43 42 42 42 42 41 41 41 40 40 40 39 39 39 39 39
38 37 37 36 36 36 35 34 35 35 33 33 33 33 32 31 31 31 31 31 30 31 32 31 32 31 31 32 31
29.5 28.7 28.4 27.9 27.7 27.5 27.5 27.7 27.6 26.8 26.5 26.3 26.3 26.3 25.6 25.2 25.2 25 24.9 25.1 24.5 24.5 24.2 24 24 24.1 24 23.8 23.7
55 Lampiran 7 (Lanjutan) Waktu (jam) 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00 9:00:00 9:15:00 9:30:00 9:45:00 10:00:00 10:15:00 10:30:00 10:45:00 11:00:00 11:15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 12:45:00 13:00:00 13:15:00 13:30:00 13:45:00 14:00:00 14:15:00 14:30:00 14:45:00 15:00:00 15:15:00 15:30:00 15:45:00 16:00:00 16:15:00 16:30:00 16:45:00 17:00:00 17:15:00 17:30:00 17:45:00
Iradiasi
Ta
(W/m²)
hw (m/s)
(C)
371.4 371.4 442.9 485.7 528.6 571.4 600.0 614.3 657.1 700.0 700.0 614.3 257.1 728.6 742.9 371.4 542.9 685.7 728.6 557.1 442.9 585.7 557.1 514.3 485.7 457.1 457.1 85.7 114.3 114.3 114.3 85.7 57.1 28.6 28.6 14.3 14.3 0.0 0.0 0.0
0.25 0.54 0.04 0.34 0.3 0.67 0.13 0.24 0.18 0.15 0.33 0.4 0.02 0.36 0.54 0.16 0.25 0.21 0.74 0.54 0.35 0.21 0.6 0.25 0.75 0.49 0.14 0.26 0.49 0.25 0.58 0.9 0.22 0.89 0.33 0.26 0.35 0.23 0.1 0.02
27.5 27.6 29 29.7 30.8 30.5 31.8 32 33 34.9 32.8 32.3 34.7 34 32.3 36 34.9 33.6 33.9 33.9 34.7 34.6 34.3 34.8 33.9 34.8 34.6 32.4 32.4 32 32.8 31.9 31.6 31.4 30.9 30.7 30.2 29.7 29.5 29.3
hw blower (m/s) 0.77 0.67 0.65 0.76 0.78 0.77 0.76 0.67 0.78 0.8 0.77 0.56 0.6 0.57 0.67 0.66 0.57 0.67 0.55 0.77 0.7 0.78 0.8 0.7 0.8 0.81 0.82 0.43 0.56 0.67 0.67 0.78 0.7 0.88 0.87 0.88 0.77 0.78 0.67 0.77
Ta blower (C) 27.2 28.2 29.7 31.6 31.5 31.1 32.7 32.6 32.6 36.9 33.7 33.7 36 35 35.7 36.4 35.9 35.6 35.1 35.9 35.7 36.2 35.8 35.8 35.4 36.5 35.2 32.9 33.6 32.9 33.1 32.7 32.2 30.5 32.4 31.4 30.6 30.1 30.1 29.8
56 18:00:00 18:15:00 18:30:00 18:45:00 19:00:00 19:15:00 19:30:00 19:45:00 20:00:00 20:15:00 20:30:00 20:45:00 21:00:00 21:15:00 21:30:00 21:45:00 22:00:00 22:15:00 22:30:00 22:45:00 23:00:00 23:15:00 23:30:00 23:45:00 0:00:00 0:15:00 0:30:00 0:45:00 1:00:00
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.3 0.19 0.02 0.09 0.28 0.04 0.37 0.12 0.2 0.16 0.27 0.23 0.1 0.06 0.04 0.1 0.1 0.25 0.02 0.04 0.07 0.16 0.13 0.28 0.12 0.18 0.01 0.13 0.01
29.5 28.7 28.4 27.9 27.7 27.5 27.5 27.7 27.6 26.8 26.5 26.3 26.3 26.3 25.6 25.2 25.2 25 24.9 25.1 24.5 24.5 24.2 24 24 24.1 24 23.8 23.7
0.77 0.67 0.66 0.77 0.56 0.76 0.77 0.78 0.8 0.8 0.81 0.82 0.77 0.76 0.75 0.73 0.7 0.8 0.58 0.55 0.77 0.88 0.7 0.55 0.56 0.76 0.55 0.66 0.54
Keterangan : T1 = Suhu inlet kolektor (oC) T2 = Suhu outlet kolektor (oC) T3 = Suhu plat absorber kolektor (oC) T4 = Suhu bawah cover kolektor (oC) T5 = Suhu tangki air (oC) T6 = Suhu di dalam tangki parafin (oC) T7 = Suhu parafin (oC) T8 = Suhu air inlet parafin (oC) T9 = Suhu air outlet parafin (oC) T10 = Suhu outlet radiator (oC) T11 = Suhu ruang plenum (oC) Ta = Suhu lingkungan (oC) Tablower = Suhu keluaran dari blower (oC) hw = Kecepatan angin di sekitar kolektor (m/s)
30.1 29 29 29.1 29 28 28.5 28 28.7 27.2 27.1 27.3 27.2 27.2 26.8 26.6 26.6 25.6 25.8 25.5 25.5 26.6 25.8 26.5 26.5 27.2 26.9 25.9 25.8
57 hwblower = Kecepatan angin di keluaran blower (m/s) Qch = Energi aktual selama proses charging (kJ) Qdis = Energi aktual selama proses discharging (kJ) Sumber : Ulangan I = 6 Juni 2014 Ulangan II = 7 Juni 2014
58
Lampiran 8 Energi berguna selama proses charging dan discharging Energi charge dan discharge pada 6 Juni Qch mPCM .Cps Tm Tin _ ch , PCM mPCM LPCM mPCM Cpl T fin, ch , PCM Tm Qch 6 2.384 54.32 31 6 184.48 6 2.44 60 54.32 Qch 1523.59kJ Qdis mPCM .Cpl Tm Tfin _ dis, PCM mPCM LPCM mPCM Cpl Tin _ dis, PCM Tm Qdis 6 2.44 54.32 41 6 184.48 6.2 59 54.32 Qdis 1368.82kJ
Energi charge dan discharge pada 7 Juni Qch mPCM .Cps Tm Tin _ ch , PCM mPCM LPCM mPCM Cpl T fin, ch , PCM Tm Qch 6 2.384 54.32 34 6 184.48 6 2.44 64 54.32 Qch 1539.24kJ Qdis mPCM .Cpl Tm Tfin _ dis, PCM mPCM LPCM mPCM Cpl Tin _ dis, PCM Tm Qdis 6 2.44 54.32 42 6 184.48 6 2.44 63 54.32 Qdis 1411.39kJ
59 Lampiran 9 Energi surya selama proses charging dengan metode Simpson
Gambar 30 Energi surya pada proses charging dengan Metode Simpson Pada 6 Juni luas bidang adalah : n 1 n2 x I f ( a ) f ( b ) 4 f ( x ) 2 f ( xi ) i 3 i 1 i 2 I
(15 60) f (1) f (17) (4( f (1) f (3) f (5) f (7) f (9) f (11) f (13) f (15)) . 3 2.( f (2) f (4) f (6) f (8) f (10) f (12) f (14) f (16))
900s . (172.42 471.42 3500 2971.42)W / m2 3 I 6175714.29 J / m2 I
Total energi charging = 6175714.29 J/m2x 1.5 m2 = 9263.5714 kJ
Pada 7 Juni luas bidang adalah : n 1 n2 x I f ( a ) f ( b ) 4 f ( x ) 2 f ( xi ) i 3 i 1 i 2 15x60 f (1) f (25) (4.( f (2) f (4) f (6) f (8) f (10) f (12) f (14) f (16) f (18) f (20) f (22) f (24)) I . 3
(2.( f (1) f (3) f (5) f (7) f (9) f (11) f (13) f (15) f (17) f (19) f (21) f (23))
900s . (371.42 485.71 6800 6200)W / m2 3 I 12137142.86 J / m2 I
Total energi charging = 12137142.86 J/m2x 1.5 m2 = 18205.71 kJ
60 Lampiran 10 Contoh perhitungan total energi kolektor setelah modifikasi dengan metode Simpson
Gambar 31 Total energi berguna kolektor dengan metode Simpson Ulangan-1 n 1 n2 x I f ( a ) f ( b ) 4 f ( x ) 2 f ( xi ) i 3 i 1 i 2 I
(30 60) f (1) f (16) (4( f (1) f (3) f (5) f (7) f (9) f (11) f (13) f (15)) . 3 2.( f (2) f (4) f (6) f (8) f (10) f (12) f (14))
1800s .(94.64 0 5570.541 2595.98)W 3 I 4956699 J 4956.699kJ I
Ulangan-2 n 1 n2 x I f ( a ) f ( b ) 4 f ( x ) 2 f ( xi ) i 3 i 1 i 2 I
(30 60) f (1) f (16) (4( f (1) f (3) f (5) f (7) f (9) f (11) f (13) f (15)) . 3 2.( f (2) f (4) f (6) f (8) f (10) f (12) f (14))
1800s .(62.53. 109.43 5377.87 2563.868)W 3 I 4868223J 4868.233kJ I
61 Lampiran 11 Gambar teknik seluruh sistem
62 Lampiran 12 Gambar teknik kolektor surya plat datar
63 Lampiran 13 Gambar teknik tangki penyimpan parafin
64 Lampiran 14 Gambar teknik tangki air
65 Lampiran 15 Gambar teknik penukar panas tipe koil
66 Lampiran 16 Gambar teknik radiator
67 Lampiran 17 Gambar teknik ruang pengering
68 Lampiran 18 Gambar teknik blower
69
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan pada tanggal 23 Mei 1992 di Bandung,Jawa Barat sebagai anak sulung dari empat bersaudara dari ayah Donni Napitu dan ibu Rosita Pardede. Penulis menempuh pendidikan sekolah dasar di SD Swasta Kristen Methodist Indonesia (PKMI) Pematangsiantar pada tahun 1998-2004. Pendidikan sekolah menengah pertama di SMP Negeri 1 Pematangsiantar pada tahun 2004-2007. Pendidikan sekolah menengah atas di SMA Negeri 4 Pematangsiantar pada tahun 2007-2010. Penulis melanjutkan pendidikan tinggi di Teknik Mesin dan Biosistem (TMB), Fakultas Teknologi Pertanian (Fateta), Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama menjalankan aktivitas kampus, penulis juga aktif di beberapa kegiatan kepanitian dan organisasi. Diantaranya adalah menjadi pengurus dewan asrama A-2 TPB-IPB periode 2010-2011, panitia di kegiatan BEMTPB periode 2010-2011 seperti Duta Lingkungan IPB, TPB Cup 2010, pengurus Dewan Perwakilan Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian (DPM-Fateta) periode 2011-2012, panitia yang dilaksanakan oleh Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) periode 2012-2013. Selain itu, penulis juga menjadi asisten paraktikum Mata Kuliah Motor Bakar pada tahun 2013. Selama kuliah penulis mendapatkan beasiswa dari Program Peningkatan Akademik (PPA) dari tahun 2011-2014 dan Beasiswa Bank Indonesia. Penulis melaksanakan praktik lapang di PT. Pura Nusapersada, Kudus pada tahun 2013 dengan judul Analisis Efisiensi Sistem Boiler di PT. Pura Nusapersada, Kudus, Jawa Tengah.
