VolumeX,Nomor 1,Juni2010
AI\ALISIS TEORI DAN EKSPERIMENTAL PENGIJMPUL STIRYA DUA-PASSDENGAN MEDIA BERPORI Supranto JurusanTcknikI(irnia,FakultasTeknologiIndustri Nasional"Veteran", UniversitasPembangunan \bg1'akafia, Indonesia, 55283. Jln.SWK 104Condongcalur, e-rnaiI:
[email protected]
Abstract The double-pass solar coiliaor wilh porous media in lhe lower clnnnel provides a higher oullet tenrperqhtre compared to conventional single-pass collec,tor. Therefore, the thermal eficiency of the solar collector is higher. The solar colledor can be used for wide variety of applications such as solar induslrial process heal qnd solar drying of agricultural procfucts. A theoretical model has been developedfor the double-pass solar colle<:tor. An experimental setup has been designed and construcled. Comparison ofthe theoretical and the experimenlal resulls have bee,'t conducted. Such comparisons include the outlets tentperatnres and thennal eficiencies of lhe solar colleclorforvqrious desigtt and operating conclilions.Close agreementhas been obtained behveen lhe theorelical attd experi mentaI resuI t s.
Ke1,yt6y4t'
Pendahul uan Tenaga surya nrcrupakansumber energi dunia, dari tenagasurya ini akan tercipta sumbersumberenergi baru dan sutnberkehidupan.Ertergi merupakanbagianyang sangatpentingdalamsetiap bidang kegiatan.Selainitu energijuga rnerupakan komponen penting dalam pertumbuhanekononti, disamping modal, tenaga kerja dan bahan baku. besardan nrajusuatukegiatanakansemakin Senrakin Sehinggabiaya besarpula energiyang dikonsumsi. penyediaan bagianyangbesarpula energimengarnbil dalam kegiatan yang dilakukan. Dalam kegiatam industri biaya penyediaanenergi atau yang lebih populardikenaldenganbiaya bahan bakar dapat nrncapai lebih dari 4V/o dari biaya produksi (N{askurun,1986). Industri nrcnrnuhi kebutuhan energinyadari tenagalistrikdan bahanbakarfosil. Energi listrik yang terutanladigunakanuntuk a) penggerak,misalnya untuk menjalankanpompa, konpressordan alat angkutyang lain; b) penunas, nrisalnyauntuk nBmbuatudara panas,regenerasi penjerap dan pemanas bahan skala kecil; c) pengkondisian, misalnyapcnyejukruangandan d) penerangan, baik untuk penerangan ruatrgan, penerangan areapabrik dan peneranganrunrah.Hal ini dilakukanapabila tenedia cukup listrik dari perusahaan apabila listrik negara(PLID. Sedangkan tidak tersedialistrik yang cukup, makaperusahaan terpaksa harus menyediakanlistrik sendiri. Bila penggunaanbahanbakar terjadihal yang demikian,
bahanbakar akanscmakinbanyak,karcnakebutuhan tenagalistrik.Tenaga disediakan untuk pembangkit listriktenebutdigunakan sannadadi pabrikmaupun di perumahandan fasilitas lainnya. Pembakaran bahanbakaryang lainnyaadalahuntuk pernbangkit "steatn" yang banyak diperlukandalam irrdustri. danjuga Steamterutamadigunakanuntuk pemanas penggerak,Untuk pemanasbiasanyadigunakan digunakan steamjenuh,sedangkan untukpenggerak bahanbakar steamlewatpanas,sehinggakebutuhan akan semakinbanyak lagi. Selain pemakaibahan bakar yang sangat rakus, di lain fihak kegiatan industri dituduh sebagai sumber pencemaran yang utama.Pencemaran lingkungandari lirrgkungan kegiatanindustridapatberupabuanganpadatan,cair ian bakar, dan gas. Dalam kaitannl'a penmka pcncemai"n utamaialahdalanrbentukbuangangas. ian bahan Pencernamnlingkunganakibat pemaka bakar fosil dapat belupa padatan(dalam bentuk partike tidaksempunta bahart ldebuhasilpembakaran bakar dan gas hasil pen$akarandalaut bentttk senyawakarbon,senyawanitlogen dan senyawa belcrang.Semakinbanyakpemakaianbahan bakar akan senrakinbanyak pula bahanpencemaryang dihasilkan,sehinggaperlu kiranya dicari sumber udara energibaru yang ramah.Untuk mendapatkan panas dapat disediakandenganpengumpulsurya pernanas akanmengurangi udara.Hal ini diharapkan pemakaian pencenmran bahan udaradan menghernat bakarfosil.
l5
EKSERGI
Landasanteori pengumptlsurYa Pengumpulsuryapemcnasudanratau yang dikenal dengan pengumpulsurya, menghasilkan udarapanasdenganmennnfaatkanenergidari sirrar nratahari.Sinar mataharinrenimpapengumpulsurya sebagiandipantulkankembali ke udara sekitar dan sebagianlagi diserap oleh plat penyerap.Karena menyerappanasmakaplat penyerapnrenjadipanas kemudianpanastersebutdipindahkankepadaudara yang nrengalir d i dalam pengumpul surya. Pengumpulsurya yang baik ialah pengumpulsurya yang mempunyaiefisiensitinggi, ini berartisebagian dapat besarpanasdarisinarsuryayang menimpanya yang udara memanaskan dinranfaatkan untuk berarti nrengalir di dalamnya.Dengan demikian hanya sebagiankecil saja panas yang hilang ke sekeliling. Panas hilang ke sekeliling karetta kembalioleh pcnutupdanplat penyerap dipantulkan lagihilangke sekelilingrnelaluibagian dan sebagian suryatersebut. dasardanbagiansisi daripengumpul dengan kecil dibandingkan relatif sisi bagian Karena bagiandasardanatasnrakakehilanganpanasmelalui suryayangbaik Pengumpul bagiansbi ini diabaikan. ditentukanoleh rekabentuk(design)dan bahanyang suryatersebut. untuknBmbuatpengumpul digunakan Secaragaris besar pengumpulsurya terdiri dari penutup,plat penyerapdan kotak berisolasi.Salah satu bagian terpentingdari pengumpulsurya ialah jenis pengumpulsurya bagianpenyerap.Beberapa yang telah diteliti adalahpengumpulsurya tanpa penutup, pengumpul surya satu penutup dan pengumpulsurya dua penutup ( Edward,1977). suryatanpapenutuphanyasesuaiunhrk Pengurnpul digunakandi daerahyang nrempunyaisuhu rendalt dan kenaikan suhu udara yang dihasilkanhanya sekitar l0o C (Brendorfer,et al. 1985).Atas dasar saluranudaranyaterdapatpengumpulsurya saluran depan, pengumpul surya saluran belakang, pengumpulsurya saluransejajar,pengumpulsurya dua-pass (Dlenndofer, et al., 1985)' Untuk panasyang dapatdiserap,dirancang memperbanyak (Willian, 1988), pengurnpulsuryaplat gelonrbang yang kernudian dikaji lebih lanjut dengan plat suryadenganplat penyeraplekuk-Vdan pengumpul penyerapberfin(Carg,et al.,l99l: I{acherni,1999) dan pengumpulsurya denganmedia berpori dua 1997).Kemudianpengunrpul penutup(Mohamnrad, satupenutupdenganmedia suryaplat datardua-pass, berporipada saluranbawah dirancangdan diteliti oleh Supranto(2000),dan pengumpulsuryadengan penyerapmatrik(Kolb, et al,, 1999). Skerna dari pengumpul sulya dua-pass dengannledia berpori sepe(i garnbar l. sebagai berikut:
l6
Gambar L Skernapengumpul surya dua-passdengan nredia berpori Pada keadaan mantap terjadi perpirrdahan panas sebagaiberikut: l . P a d ak a c ap e n u t u p :
-Tr,) -r") +'h,*@r-rr)* n4,r@, a s = h,,@, (t)
2. Padaudara dalam saluratratas:
mC,,d'l',,
;
*
\ t- \ (= h,rvVe -Tr)+ lt*n(, -T1t)
Q)
udaradalamsaluranbawah: 3.Pada ,- d'Tyz - nrCp dTyz = *'lI d" d'T
(3)
-r1r)*uV"- rrz) * n"o1r?o Pada plat penyeraptcqiadiperpindahanpanas ke dari media nrediaberporidan ke udara.Selanjutnya panassecarakonvcksike berporiterjadiperpindahan tudara dalam saluran barvah ini, Selain itu panassecarakonveksijuga terjadidari perpindchan plat penyerapke udam dalam saluranatas. Selain perpindahanpanas secarirkondulsi, juga terjadi perpindahanpanassccararadiasidari plat penyerap ke rredia berpori dan dari plat penyerapke udara dalamsaluntatasdan ke udaradalamsaluranbarvah' Sehingganeracapanasdalamkeadaanmantapyang platpenyempadalah: terjadipada
rrsa, -lr,r,,V, -To)- h,urVo-Tr) -r1r)=o - lr"gr\o -Tyr)-h,r,1r@,,
(4)
Selanjutnya efsiensi dari pengunrpul surya didefinisikansebagaiperbandingan antarapallasyang udara panasdengan digunakanunhrk menghasilkan sinar surya yang meninpapengulnpulsurya' I{al (5), temebutdapatdinyatakansepertipersanraan
VolumeX Nomor 1, Juni2010
mC 1(To- T,)
4n=@
(5)
Sepertidibicarakandi muka, bahrvatidak semua energiyang diterima oleh pengumpulsurya dapat udarayang mengalir digunakanuntuk memanaskan pengumpul Hal ini menyebabkan surya. di dalam adanya efisiensi pengumpulsurya. Perpindahan panm dalampengumpulsurya dan dari pengumpul surya ke sekeliling dapat terjadi secara konveksi konduksi. radiasidan Koefisien perpindaltan panas secara konveksi yang terjadi dapat diperkirakan dari bilangan Nusselt sebagai fungsi dari b ilangan Reynolddan bilanganPrandtl(Nasr, et al., 1995), (6)sabagai berikut: sepeftidalampersamaan
lampudilengkapidenganregulator, Masing-masing lampudapatdiubah-ubah sesuai sehinggaintensitas yangdikehendaki. Simulatorsurya denganintensitas mempunyai luas bidang penyinaran t 6 m', Pengumpulsurya diletakkan 160 cm di bawah simulatorsurya.Simulatorsuryadapatnrenghasilkan intensitassinaran rata-ratat 640 W/tn'. Skerra alatpenelitiansepertigambar2. rangkaian
&,
t
a
4,fln.6
Simulatorsurva
Pemanas
I
Na = 0.0333Re"" Prr
(6)
Sedangkankoefnien perpindahan panas secara radiasi dapatd iperkirakan denganpersanraan(7). alatpenelitian Gambar2, Rangkaian
o(r,'+r|\r, +rr)
, (7) /,,=j#3I* l . l f l l-+--t I €2 ) [tr Efisiensi ternral pengunrpulsurya dapat diperhitungkan secarateoritis dengan nrcmperkirakan panasyang hilang ke sekelilirrg.Dengan dernikian panasyang dapatdinranfaatkan untuk menghasilkan udarapanasdapatdiperkirakan,sedangkanefisiensi sebenamyadapat dihitung dari hasil penelitan data-datasultu udara masuk dan suhu berdasatkan debitudaradan intcnsitas. udarakeluarpengumpul, Yangdiukurdarihasil penelitian. Pcnelitian Bahandan Pelaksanaan di dalamlaboratorium dilakukan Penelitian terhadappengumpulsurya dua-passdenganrredia berpori.Pengumpulsurya dua-passdengankaca penutup. Pengumpul surya mempunyai ukuran panjang 240cm,lebarl20 crn,tinggisaluranatasdan tinggi saluran bawah dapat diubah-ubah.Media padasaluranbawahsesuaidengan berporidiletakkan tinggi celahsaluranbawah.Sebagaikaca penutup tebal0,5crq kacajendelaberbintik-bintik digunakan yang dipasangdenganbagianbintik nrcnghadapke dalarqhal ini dinraksudkanagar kehilanganpanas Untukplat melaluikacapenutupdapatdiminitnalkan. penyerapnya digunakanplat aluminium0,S nrm dan dicathitamtidak mengkilat. Sebagaisumberenergi surya digunakansimulatorsurya. Simulatorsurya terdiri dari 45 lampu halogen dichroic, 300 W.
Mula-mula d ilakukan penclitian utttuk nrcndapatkankontur intensitaspada pemtukaan ini akan pngumpulsurya.Dari datakonturintensitas dapatdihitungintensitasrata-ratauutuksetiaptcnaga intensitas Setelah didapatkan listrikyangdibekalkan. rata-rata,kemudian percobaanditeruskandengan variasi debit udara dan intensitas. Mula-mula simulator surya dinyalakan, kemudian blorver dihidupkan.Dari percobaanini akandiperolehdata suhu udara masuk dan keluar pengrtmpulsurya, intensitaspada pennukaanpengumpulsurya dan debit udarayang mengalirdalarnpengurnpulsurya. Setelall diperoleh suhu udara yang stabil Inaka penelitiandilanjutkandenganmetnvariasi debit udara padasetiapintensitas.Salahfactoryang berpengaruh suryaadalahtipc aliran terhadapefisiensipengumpul udara. Aliran turbulen akan menl'ebabkan panasantaraplatpenyerap perphrdahan denganudara yang lebih baik (Matrawy & Farkas, 1994), sedangkanpenelitianParker, et ql. (1984) dan tinggi celahsaluranudarabesar Pratoto,et al.(1997), pengaruhnya terhadap turbulensialiranudaradalam pengumpul surya, maka penelitian dilanjutkan tinggi celah aliran udara. denganmengubah-ubah Celahaliranudarapcttatnadiubah 3,5 cm dan 7,0 cm, sedangkantinggi celah aliran udala kedua diubah-ubah7,0 crn, 10,5 cnl datt 14,0 cln. percobaandilakukanpada sctiapdcbit Selanjutnya itas, udaradanintens
t7
EKSERGI
HASIL PENELITAN DAN PEMBAHASAN Penelitian pengumpul surya merupakan penelitian yang sangat tergantung pada alam. Sehinggauntuk penelitianefisiensiini penelitian n1 dengan dilaksanakan di dalam laboratoriu dilakukan dapat laboratorium penelitian dalam dilakukan inidapat Hal sinar. intensitas pengendalian simulator digunakan cahaya sumber sebagai karena lntensitas listrik. lampu tenaga dengan surya tergantung pada tenaga listrik yang dibekalkan' Selain itu teganganyang masukjuga dapat diatur yang stabilselama sesuaidenganrencanapenelitian penelitian.Selain itu selama penelitian diambil beberapaasumsi,diantaranyaadalah; kelembapan udara dianggap tetap, kecepatanangin dianggap tetap, debu di dalam ruangan dianggaptetap dan teganganlistrik selama penelitianjuga dianggap tetap. Sebelum dilakukan penelitian yang sebenamyadilakukan dulu pengujian sinrulator surya. t{al ini dilakukanuntuk nrembuatiritensitas untuk yangmerata. Meskipunsebenamya penyinaran rnerata yang benar-benar intensitas menghasilkan sangat sukar. Salah satu contoh hasil pengujian sirnulatorsuryasepertigambar3. berikut'
65
9. oo =
9o s s (I'
:50 3
dqs 40
0.02
0.04 0.06 0.08 Debiludara,kg/detik
0.1
Gambar3. Hubunganantaradebitudaradengan atas3,5cm '.lan tinggisaluran suhuudarakeluar, saluranbawah7 cmpaia intensitas553,5W/m2 65
So o o 5
9ss o
(! ! a n J s v
S S
das
s s
0.04
S
s 13
15
0.08
0.1
Debitudara,kg/s
S S
0.06
I{ubunganantaradebitudaradengan Ganrbar'4. suhuudutakeluar,tinggisaluranatas3,5cm dan 530,5WAn' saluranbawah7 cm pada intcnsitas 58
3400"450
1450-500
tr500€50
tr550600
3. Konturltasilsimulatorsurya,dengau C'ambar rata-rata 530,5W/m' intensitas surya' kotttursinnulator Setelahdidapatkan yang sebenantya' percobaan kemudian dilakukan Perbandinganantara hasil perhitungan dan hasil pengunpulsurya terhadap yangdilakukan percobaan udara,intensitas saluran celah denganvariasitinggi ganrbar 3, gan$ar 4 diperoleh akan dan
l8
54 52 50 't) 48 46 a 44 42 40 (5
p
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Debitudara,kg/detik GO.Eb,gj.Hubunganautaradebitudaradengan suhuudarakeluar,tinggi salurattatas3,5cm dan W lnl saluranbawah7 cm paia intcnsitas492.,2
X,Nomor l,Iuni 2010 Volume
1 0.9 'a 0.8 c.
'Hol uJ
0.6 0.5
0.4 0.02
0.06 0.08 0.04 Debitudara,lg/detik
0.1
antaratlebitudaradengan Gambar6. Flubungan efisiensi,tinggi saluranatas 3,5 cm dan salumtr 553,5W/m' bawah7cm pada intensitas 1 0.9 0.8 ._ o c
'9,o.l u, 0.6 0.5 0.4 0.02
0.04 0.06 0.08 Debitudara,kg/detik
0.1
antaradebitudaradengan Gambar7. Hubungan efsiensi,tinggi salumn atas 3,5 cm- dan salutnn bawah7 cm pada intensitas530,5W/nr2 0.9 0.8 g
o '6
kajian teori beberapa konstante dianggap tetap. panas,yangnreliputi Misalnyakoefisienperpindahan perpindahan panas konstante secara konduksi, konveksimaupunradiasi.Dalamkajianteori semua panastersebutdianggap perpindahan konstante tetap, pada hal sebenamyakonstanteperpindahan panas dipengaruhioleh suhu. Demikianpula sifat-safat terjadi udarajuga dianggaptetap,padahalsebenarnya perubahandari sifat-sifatudara. Berat jenis udara merupakanbesaranyang sangat dipengaruhioleh suhu,padasuhuyang tinggi beratjenis udaralebih kecil daripadaberatjenisnyapadasuhu yang lebih rendah.Demikianpula untuk viskositasudara,juga oleh suhu.Selainberpengaruh dipengaruhi terhadap sifat-sifatudara, kenaikansuhu juga berpengaruh terhadapprofrl aliran udara.Kenaikansuhu udara sampai keadaan tertentu dapat menyebabkan terjadinyaturbulensialiranudara.Turbulensialiran selaindisebabkanoleh kecepatanlinier dan adanya penghalang(isian),juga disebabkankenaikansuhu ini. Denganterjadinyaturbulensiakannrenyebabkan panasyang lebih baik.Denganadanya perpindahan turbulens i aliran udara akan menyebabkan perpindahanpanas dari plat penyerapke udara menjadi lebih baik, sehinggapanas yang dapat dipindahkan dari plat penyerapke udaralebihbesar. kontak Turbulensialiran udaraakan menyebabkan yang lebih baik dengankacapenutup,hal ini akan nrenyebabkansuhu kaca penutup menjadi lebih tinggi, akibatnya kehilanganpanas nrelalui kaca penutupnrenjadi lebihbesar.Jadibanyakfactoryang berpengaruhterhadapperpindahanpanas dari plat penyerapke udaradalampengumpul surya,demikian panaske udaradi pula sangatkomplekskehilangan sekitarpengumpulsurya,Sehinggauntuk analisis perlu diadakanasumsi-asunni, diantaranyadengan menganggaptetap untuk sifat-sifat udara dan konstante. beberapa
0.7 Arti lambang
fr 0.6 0.5 0.4 0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Debitudara,kg/detik
antaradebitudaradengnn Gambar5. Hubungan efisiensi,tinggi saluranatas 3,5 cm dan saluratr 7 cm pada intensitas482,2Wlfii barvah Dari percobaanyang diadakanternyatadipsroleh data yang tidak jauh berbedadengankajian teori. lebihrendahdaripada Padaumumnyadatapercobaan kajian teori. Perbedaanini terjadi, karena untuk
pengunpulsurya(nr2) A : luaspermukaan ri1= tinggi saluranatas (m) d2= tinggisaluranbarvah(m) "C) panasudara1kJ/kg Co: kapasitas S = Intensitassinar(W/m') 7u: suhuudaraambien(oC) Z, : suhukacapenutup(nC) (oC) 7o: suhuplatpenyerap ?'p,:suhuplatdasar(oC) = ?r suhuudaradalamsalurauatas(oC) : !2 suhuudaradalamsalutanbawah(oC) = nr debitmassaudaraftg/s) Nu =bilanganNusselt Prandtl Pr = bilangan Re=bilanganReynolds
19
EKSERGI
&.6: konstanteperpindahanpanaskonduk i efektif
(w/mK)
antarakaca pattaskon^veksi ft. = konstanperpindahan " penutupdenganudaraambien(W/rn: C) 'hqrn :'konsiante perpindahanpanassecarakonveksi antira udaradalamsaluranatas dengankaca penutup (w/m2 oc) panassecarakonveksi konstanteperpindahan i*n: antarqplat penyerapdenganudaradalamsaluranatas (w/m'oC) = konstante perpindahanpanas antara^plat i*, o p.nyr*p dengaudaradaiamsaluranbawah(W/m2 C) L"": konstanteperpindalrq^p9asantarakacapenutup (W/m' oC) d6nganplatpenyeraP antaraplat dasar h,pp,= konstanteperpindalran-panas " C) (w/m' penyerap plat diirgan U=-konstarit" i.tpinOutt- pun* keseluruhan(W/m2o
c)
dari kacapenutupdanplatpenyerap d dp = absorptansi : dari q transmittansi kacaPenutuP e = emissiviti StefanBoltzman o: konstante Daftar Pustaka Brenndorfer,8., IGnnedy, L, Bateman,C'O'O' Trim, D.S., Mrema, G.C. & Werekobrobby, C., 1985.Solar dryers'lheirrole in london: post'hamest Processing' 48'59' Council: ience Sc Commonwealth Edwards, D.K., 1977. Solar absorptiotrby each element in an absorbercoverglassaray' Solar Energl'.19: 401-402. Garg, I{. P., 1991. Aclvancesin solar etterg)' technologt,vol. 3, IIeating, Agriatllural and photovoltaic applications of solar energy' Dordrecht:D. ReidelPublishingConrpany: 153-155. 120-122, study of thenrul Hachenti,A. 1999.,Experintental petfornranceof offset rectangularplate fin
20
Energy.17:371' plates.Renewable absorber 384. Kolb, A.8., Winter, RF. & Vislanta, R' 1999' Eryerimentalstudieson a solarair collector with rnatrixabsorber,Solar Energl, 65,2, 9L-99. 1986,"PerananProfesiTeknik Kimia Maskurun, [6] KonservasiEnergi di dalamMeningkatkan Industri", Seminar Teknik Kimia 1986, JurusanTeknik Kimia, FakultasTeknik, UndiP. Matrawy, ICK. & Farkas, L, 1994, Comparison between two configurationsof flat-plate collectors,RenewableEnergt Vctlume5, PartIII,1928-1930. Mohantad,A.A., 1997' High efficiencysolar air SolarEnergY,60,2,71'76. heater, S. and ViskantaR.,, 1995, Ramadhyani KJ., Nersr Numericalstudiesof forcedconvectionheat transferfrom a cylinder embeddedin a packedbed,Int' J' Heatand MassTrans'38, 23s3- 2366 Parker,8.F., Collirer, D.E. & Walton, L.R' 1984' Sensitivity of air+ype solar collector efficiencyto designchanges,Trans.ASAE, 27.915-920. Pratoto,A., Daguenet,M. & Zeghmati,B. , 1997' Sizingsolarassistednaturalrubberdryers, SoI ar EnergY,6l,4, 281'287. "RekaBcntukdanPenilaian Sistem Suprnnto.,2000, Pengering Terbantu Suria Dua laluan clenganMedia Berliang",DisertasiDoktor Malaysia, Falsafah,Univeniti Kebangsaan KualahmPur. Williarn J.R, 1988.Designand installationof Solar heating and hot waler sysletrl,r\nn Atbor Science,The ButterworthGroup, Iondon, pp.85-88'
