Jurnal e-dinamis, Volume II, No.2 September 2012 ISSN

Transkripsi

1 PENGUJIAN PROSES DISCHARGING SEBUAH PEMANAS AIR ENERGI SURYA TIPE KOTAK SEDERHANA YANG DILENGKAPI PHASE CHANGE MATERIAL DENGAN KAPASITAS 100 LITER AIR Putra Setiawan 1, Tekad Sitepu 2, Himsar Ambarita 3 puput_setia1@yahoo.co.id 123 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus USU Medan Medan Indonesia Abstrak Pemanas air energi surya tipe kotak sederhana yang dilengkapi dengan menggunakan PCM merupakan cara yang efektif dalam menyimpan panas dalam memanfaatkan energi panas dari matahari untuk memanaskan air. Pemanas air ini menyerap energi panas matahari dan diteruskan ke absorber untuk memanaskan stearic acid. Pengujian discharging dilakukan pada pukul WIB dengan tujuan untuk mengetahui seberapa lama stearic acid dapat menyimpan panas. Selanjutnya air mengalir melewati stearic acid sehingga energi panas dari stearic acid dipindahkan ke air untuk menaikkan suhu air tersebut. Steraric acid merupakan bahan dari PCM (Phase Change Material) yang dipakai untuk menyimpan panas karena stearic acid memiliki titik leleh sebesar 55,1 0 C. Pada penelitian proses discharging temperatur stearic acid dapat mencapai 80 0 C yang dimanfaatkan untuk menaikkan suhu air masuk dari 29 0 C hingga mencapai 44 0 C pada suhu air keluar dimana debit aliran air diasumsikan konstan yakni sebesar 0,16 L/s pada pipa yang berdiameter 1 inchi. Efisiensi dari kolektor surya rata-rata dapat mencapai 35%. Kata kunci : pemanas air, sterad acid, discharging 1. Pendahuluan Seperti yang kita ketahui saat ini, pemakaian air kini dipergunakan tidak lagi hanya di perhotelan ataupun apartemen mewah melainkan sudah mermbah di kalangan rumah tangga. Energi matahari sudah sejak lama dimanfaatkan di semua belahan di dunia sebagai pemanas air. Solar water heater (pemanas air energi surya) mulai tumbuh dan berkembang di akhir tahun 1800-an di California, Amerika Serikat. Clarence M. Kemp adalah orang yang mematenkan pemanas air energi surya komersial pertama di dunia. Konsep sistem pemanas yang dibuat oleh Kemp menempatkan tangki air bercat hitam (terdiri dari tiga tangki) di dalam sebuah kotak kaca yang tertutup kemudian di bagian bawah kotak dipanaskan, air dingin dalam tangki menyerap panas dan air tersebut menjadi cukup panas untuk mandi atau keperluan lainnnya. Tetapi Pemanas air komersial pertama ini memiliki kekurangan yaitu air yang dipanaskan akan terus disimpan di dalam tangki, kemudian pada malam hari air tersebut terkena suhu malam sehingga pada saat pagi hari air menjadi tidak terlalu panas untuk dipergunakan. Belum lagi jika cuaca buruk dan tidak ada matahari, maka pemanas air tersebut sama sekali tidak dapat dipergunakan. Desain dasar dari Kemp inilah yang menjadi acuan untuk perkembangan Solar Water Heater kedepannya. Sebagai hasil dari karyanya yang inovatif, Ia sering disebut "The Father of Solar Energy [1]. Untuk mengatasi masalah tersebut, maka diuji sebuah kolektor surya plat datar tanpa tangki penampungan air panas. Kolektor surya yang dirancang merupakan Thermal Storage yang menggantikan fungsi tangki penampungan air panas tersebut. Sehingga, panas dari penyimpan panas ini langsung dapat digunakan tidak seperti pemanas air umumnya, air dipanaskan berjam-jam lamanya. Pemanas air energi surya terdiri dari kolektor untuk menyimpan panas. Kolektor surya juga dapat dimanfaatkan untuk preheating di perhotelan dan apartemen mewah untuk mengurangi konsumsi pemakaian listrik. Tujuan penelitian ini adalah 71

2 1. Untuk mengetahui nilai energi panas yang diterima air pada proses discharging. 2. Untuk mengetahui energi stearic acid yang digunakan untuk memanaskan air. 3. Untuk mengetahui efisiensi thermal storage pada proses discharging. 2. Landasan Teori Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elipse sehingga jarak antara bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekatnya adalah 1,47x10 11 km yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011 dan jarak terjauh rata-rata dengan bumi adalah 1,5 x km [2]. Matahari berputar pada sumbunya dengan kecepatan sekali putar dalam empat minggu. Karena matahari terdiri dari kumpulan awan gas dan tidak solid maka bagian ekuatorialnya berputar sekali dalam 27 hari sedangkan kutubkutubnya berputar sekali dalam 30 hari. Suhu efektif pada permukaan besarnya 5760 K. sedang pada inti temperaturnya dapat mencapai lebih kurang 8x10 6 K sampai dengan 40x10 6 K. - Radiasi Matahari Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energy radiasi menimpa permukaan suatu bahan maka sebagian akan dipantulkan, sebagian lagi akan diserap dan sebagian yang lain akan ditransmisikan. Kebanyakan benda padat tidak dapat meneruskan radiasi termal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol [3]. Persamaan radiasi pada atmosfer (G on ) yang diajukan oleh Spencer tahun 1971 adalah G on = G sc (1, ,034221cosB+0,00128 sinb+0,000719cos2b+0,000077sin2b).. (1) Q r =..A. (T 4 1 T 4 2 )...( 2 ) Q = laju perpindahan panas (W) = emisivitas panas permukaan ( 01) = konstanta Stefan Boltzmann (5,67x10-8 W/m 2 K 4 ) A = luas penampang (m 2 ) - Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas antara dua substansi dari substansi yang bersuhu tinggi ke substansi yang bersuhu rendahdengan adanya kontak kedua substansi secara langsung. Penghantaran panas melalui suatu benda dengan cara partikel-partikel dalam benda tersebut mentransfer energi melalui tumbukan [4]. q = k. A...(3) q = Laju perpindahan panas (watt) k = Konduktivitas Termal (W / (m.k) A = Luas penampang m 2 dt/dx = Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m) - Konveksi Konveksi adalah proses transfer panas dengan melibatkan perpindahan massa molekul-molekul fluida dari satu tempat ke tempat lainnya [5]. Q conv = ha (T s T f ) watt...(4) H = Koefisien konveksi (W / m 2.K) A = Luas permukaan kolektor surya (m 2 ) T s = Temperatur permukaan (K) T f = Temperatur fluida (K) Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdsarkan persamaan berikut ini. h =..(5) h = koefisien konveksi (W/m 2.K) Nu = Bilangan Nusselt Secara umum pola aliran terbagi menjadi tiga jenis, yaitu aliran laminar, transisi dan turbulen. Pola aliran dapat dibedakan dengan menghitung bilangan Reynolds (Re). pada bagian ini, semua persamaan digunakan untuk konveksi paksa aliran dalam. Jika nilai bilangan Re < 2300 aliran tersebut merupakan aliran laminar, jika bilangan Re > aliran tersebut 72

3 merupakan aliran turbulen. Sedangkan aliran transisi adalah dimana bilangan 2300 < Re <10000 [6]. Untuk mencari bilangan Reynold digunakan persamaan berikut. Re =. (7) Re = bilangan Reynolds V = kecepatan rata-rata fluida (m/s) di = diameter pipa (m) μ = viskositas dinamik (kg/ms) Bilangan Nusselt dengan jenis aliran laminar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang diajukan oleh Sieder dan Tate (1936) yaitu, sebagai berikut. Nu = 1,86 /, (8) Nu = bilangan Nusselt Re = bilangan Reynold Pr = bilangan Prandtl D = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m) μ = viskositas fluida pada temperatur film (Ns/m 2 ) μ s = viskositas fluida pada temperatur permukaan (Ns/m 2 ) Pada aliran turbulen, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang diajukan oleh Gnielinski (1976) dengan bilangan Re 2300 < Re < 5x10 6 dan bilangan Pr 0,5 Pr 2300 [7]. (/)()() Nu =.(9),(/) / ( / ) Nu f Re Pr = bilangan Nusselt = faktor gesekan = bilangan Reynold = bilangan Prandtl Nilai f merupakan faktor gesekan yang terjadi karena kehilangan tekanan pada aliran. Faktor gesekan dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut. f = (0,79 ln (Re) 1,64) 2...(10) f Re 1/ 3 1/ (sin 1,8 ) Ra L cos Nu 1 1, Ra L cos Ra L cos 18 Nu Nu = faktor gesekan = bilangan Reynolds Persamaan untuk menentukan bilangan Nusselt yang diajukan oleh Holland dkk (1976) dapat digunakan. Syarat menggunakan persamaan ini adalah rasio lebar terhadap ketinggian cukup besar 12, Ra < 10, dan sudut kemiringan kurang dari 70, 0 θ < 70 [8]. Nu = bilangan Nusselt Ra L = bilangan Rayleigh θ = sudut kemiringan ( ) Arti dari operator [] adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang didalam kurung negative maka hasilnya sama dengan nol. Perhatikan operasi berikut [ 2] 2 tetapi [ 2] 0. Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar terhadap ketinggian < 12, Catton (1978) mengusulkan menggunakan persamaan berikut [9]. / cr Nu 90 0 sin Nu 0 / 4 cr - Konveksi Natural Perpindahan panas konveksi dimana fluidanya mengalir secara alami, tanpa dipaksa mengalir disebut konveksi natural [10]. Rumus untuk persamaan umum adalah: + = Γ + S..(13) Asumsi yang umum digunakan untuk dapat menurunkan persamaan pembentuk aliran pada udara di sekitar plat vertikal ini cr 73

4 adalah, aliran 2D, incompressible, sifat fisik konstan. Dengan menggunakan asumsi yang telah disebutkan, maka persamaan pembentuk aliran menjadi, Kontinuitas: u v 0...(14) x y Momentum arah-x: u u p u u u v...(15) x y x x y Momentum arah-y v v p v v u v g x y y x y..(16) Energi T T k u v x y c p T T.(17) x y - Phase Change Material (PCM) Penyimpanan energi bisa dilakukan dalam bentuk panas sensibel, panas laten, atau hasil energi kimia yang dapat balik (reversibel). Energi yang disimpan tersebut tidak hanya digunakan untuk memanaskan suatu fluida, tetapi juga mampu untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur suatu fluida agar tetap konstan. Penyimpanan energi kimia belum digunakan secara praktis. Hal ini disebabkan biaya dan penggunaannya memerlukan perhatian khusus. Saat ini, penelitian tentang material penyimpan panas dipusatkan pada panas sensibel dan panas laten. [11] Panas Laten Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan panas antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran panas ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut panas transformasi. Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari materi bermassa m adalah : Q = m L...(18) Q L = Kalor laten zat (J) L e = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = Massa zat (kg) Panas Sensibel Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, panas sensibel adalah panas yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut. Material yang digunakan sebagai PCM harus memiliki panas laten yang besar dan konduktifitas termal yang tinggi. PCM tersebut juga harus memiliki temperatur titik cair yang bekerja pada rentang temperatur yang diizinkan, reaksi kimia yang stabil, biaya rendah, tidak beracun, dan tidak menyebabkan korosi. PCM diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu organik dan non organik. PCM organik merupakan PCM dari golongan hidrokarbon, asam/ester atau garam, alkohol, freon, dan polimer. Keuntungan penggunaan PCM organik adalah sifat fisik dan kimia yang stabil dan perilaku termal material yang baik. Kerugian penggunaan PCM ini adalah konduktifitas termal rendah, massa jenis rendah, titik lebur rendah, kelembapan tinggi, mudah terbakar, dan perubahan volume. PCM non organik merupakan campuran unsur metal pembentuk garam. Keuntungan penggunaan PCM non organik adalah penyimpanan energi yang tinggi, konduktifitas termal tinggi, dan tidak mudah terbakar. Kerugian penggunaan PCM ini adalah 74

5 mudah menyebabkan pengkaratan, pemisahan unsur ketika terjadi perubahan fasa, dan penurunan suhu yang drastis. [12] Q = m C T...(19) Q s = Kalor sensibel zat (J) m = Massa zat (kg) C P = kalor spesifik (J/kg K) ΔT = perubahan temp. (K) - 1 termokopel ditempatkan pada kaca bawah (T15) - 1 termokopel ditempatkan antara kaca bawah dan thermal storage (T16) - 1 termokopel ditempatkan dibawah thermal storage (T17) - 1 termokopel ditempatkan di pipa air masuk (T19) - 1 termokopel ditempatkan di pipa air keluar (T20) 3. Metodologi Penelitian Penelitian dilakukan pada tanggal 10 September Oktober 2012 Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknik Pendingin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Pengujian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel ke Agilient dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Kemudian kabel termokopel pada sisi lainnya dihubungkan ke kolektor di bagian plat absorber, kaca dan dinding kayu untuk memperoleh data temperatur. Setelah itu, flashdisk dihubungkan (dicolokkan) ke Agilient untuk pengambilan data selama pengujian berlangsung. Setelah Agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diset (dalam pengujian, waktu pengujian selama 10 menit), flashdisk dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer / laptop. Adapun parameter pengujian yang diukur temperaturnya oleh agilient adalah sebagai berikut (lihat Gambar 3.16). - 7 termokopel ditempatkan pada stearic acid (T1-T7) - 3 termokopel ditempatkan pada sisi atas thermal storage (T8, T9, T10) - 1 termokopel ditempatkan pada aluminium (T11) - 1 termokopel ditempatkan pada kayu (T12) - 1 termokopel ditempatkan pada kaca atas (T13) - 1 termokopel ditempatkan antara kaca atas dan bawah (T14) Gambar 1.1 Letak termokopel pada kolektor surya 4. Analisa Data Untuk mendapatkan data temperatur pada kolektor secara pengukuran dapat dilakukan dengan menggunakan Agilent. Agilent yang digunakan pada penelitian ini bernama Agilent A dan terdapat di Laboratorium Teknik Pendingin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran rata-rata dilakukan pada sore hari ( WIB). Tujuan dari pengukuran di sore hari adalah karena pada umumnya masyarakat menggunakan air panas pada sore hari untuk mandi. Data temperatur air keluar juga bisa dihitung dengan menggunakan pendekatan analitik. Tabel 1.1 Perbandingan suhu air keluar secara teoritis dengan pengukuran pada tanggal 10 September 2012 Time T In T e teoritis T e pengukuran % Ralat

6 fit_t e_teoritis_ fit_t e_pengukuran_ fit_t_in fit_t e_teoritis_ fit_t e_pengukuran_ fit_t_in Temperatur (C) Temperatur (C) waktu pengukuran (WIB) Gambar 1.2 Grafik perbandingan suhu air teori dengan pengukuran tanggal 10 September 2012 waktu pengukuran (WIB) Gambar 1.3. Grafik perbandingan suhu air teoritis dengan pengukuran tanggal 11 September 2012 Pada gambar 4.2 terlihat bahwa grafik T In merupakan suhu air masuk dimana pada menit pertama sebesar 29,13 0 C dan pada menit ke-10 sebesar 29,98 0 C. Pada grafik T e pengukuran, suhu air keluar sekitar 44,36 0 C. Angka tersebut didapat dari pengukuran dengan menggunakan Agilient A. Suhu air keluar berubah setiap menitnya dikarenakan suhu stearic acid menurun. Menurunnya suhu stearic acid dikarenakan terjadinya proses perpindahan panas secara konveksi dan konduksi dari stearic acid ke air sedangkan stearic acid tidak lagi mendapatkan energi panas dari matahari. Pada grafik T e teoritis suhu air keluar dapat dilakukan dengan pendekatan analitik. Selisih antara suhu air yang diukur dengan pendekatan analitik tidak jauh berbeda. Tabel 1.2 Perbandingan suhu air keluar secara teoritis dengan pengukuran pada tanggal 11 September 2012 Time T in T e teoritis T e pengukuran % Ralat Pada gambar 4.3 terlihat bahwa grafik T In merupakan suhu air masuk dimana pada menit pertama sebesar 29,63 0 C dan pada menit ke-10 sebesar 29,15 0 C. Pada grafik T e pengukuran, suhu air keluar sekitar 40,26 0 C. Angka tersebut didapat dari pengukuran dengan menggunakan Agilient A. Suhu air keluar berubah setiap menitnya dikarenakan suhu stearic acid menurun. Menurunnya suhu stearic acid dikarenakan terjadinya proses perpindahan panas secara konveksi dan konduksi dari stearic acid ke air sedangkan stearic acid tidak lagi mendapatkan energi panas dari matahari. Pada grafik T e teoritis suhu air keluar dapat dilakukan dengan pendekatan analitik. Selisih antara suhu air yang diukur dengan pendekatan analitik tidak jauh berbeda. Tabel 1.3 Perbandingan suhu air keluar secara teoritis dengan pengukuran pada tanggal 18 September 2012 Time T In T e teoritis T e pengukuran % Ralat '

7 Temperatur (C) waktu pengukuran (WIB) fit_t e_teoritis_ fit_t e_pengukuran_ fit_t_in Gambar 1.4. Grafik perbedaan suhu air keluar teoritis dan pengukuran tanggal 18 September 2012 Pada gambar 4.4 terlihat bahwa grafik T In merupakan suhu air masuk dimana pada menit pertama sebesar 29,77 0 C dan pada menit ke-10 sebesar 28,74 0 C. Pada grafik T e pengukuran, suhu air keluar sekitar 45,25 0 C. Angka tersebut didapat dari pengukuran dengan menggunakan Agilient A. Suhu air keluar berubah setiap menitnya dikarenakan suhu stearic acid menurun. Menurunnya suhu stearic acid dikarenakan terjadinya proses perpindahan panas secara konveksi dan konduksi dari stearic acid ke air sedangkan stearic acid tidak lagi mendapatkan energi panas dari matahari. Pada grafik T e teoritis suhu air keluar dapat dilakukan dengan pendekatan analitik. Selisih antara suhu air yang diukur dengan pendekatan analitik tidak jauh berbeda. Tabel 1.4 efisiensi kolektor pada setiap pengujian Tanggal Pengujian Q air total (kj) Q stearic acid (kj) η (%) 10 September ,59 11 September ,05 18 September ,60 19 September ,11 22 September ,64 24 September ,23 25 September ,18 28 September ,37 10 Oktober ,14 12 Oktober ,42 Dari data di atas dapat diketahui bahwa efisiensi dari kolektor surya terendah sekitar 12,37% yang terjadi pada tanggal 28 November 2012 dan efisiensi tertinggi pada tanggal 18 September Kesimpulan Dari hasil pengujian dan Survey yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain yaitu: 1. Suhu air keluar dapat mencapai 44, 36 0 C pada saat suhu stearic acid mencapai 76 0 C. 2. Energi yang diterima air pada proses discharging antara 1710 kj sampai dengan 4600 kj. 3. Energi yang diterima oleh stearic acid yang terendah pada saat pegujian adalah kj pada saat intensitas cahaya kecil 4. Energi yang diterima oleh stearic acid yang tertinggi pada saat pengujian adalah kj karena pada saat itu intensitas cahaya yang besar. 5. Efisiensi thermal storage pada proses discharging antara 12,37 % sampai dengan 35,60 % karena adanya perbedaan intensitas cahaya pada saat pengujian. Daftar Pustaka [1] Inti solar, manfaat mandi air hangat, _mandi_air_hangat.html [2] Jansen, J. T. Teknologi Rekayasa Surya. Alih bahasa, Arismunandar Wiranto, Prof. Cetakan Pertama. Pradnya Paramita: Jakarta [3] Duffie, Jhon A. dan Beckman, William A., Solar Engineering of Thermal Processes, first edition, Jhon Wiley & Sons Inc., New York, [4] Cengel, A. Yunus. Heat Transfer. E- book Edition [5] Beckman, A.W., Duffie, A.J. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York [6] Ambarita, H. Perpindahan Panas Konveksi dan Pengantar Alat Penukar 77

8 Kalor. Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara [7] Guston, F. Fatty Acid & Lipid. Aspen Publisher : New York [8] Guston, F. Fatty Acid & Lipid. Aspen Publisher : New York [9] Sears, F. W. Zemansky, M. W. Fisika untuk Universitas (Terjemahan). Binacipta: Jakarta [10] Beckman, A.W., Duffie, A.J. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York [11] Agyenim, F., Eames, P., Hewitt, N., Smyth M [12] Barrenechea, C., Cabezaa, L.F., Castell, A., de Graciaa, A., Fernández, A.I