EFEK PENGGUNAAN THERMAL MASS PADA SOLAR CROP DRYER TERHADAP TEMPERATUR ALIRAN UDARA. Oleh : M Fathuddin Noor ABSTRACT

Transkripsi

1 EFEK PENGGUNAAN THERMAL MASS PADA SOLAR CROP DRYER TERHADAP TEMPERATUR ALIRAN UDARA Oleh : M Fathuddin Noor ABSTRACT Using solar energy is a vital importance in creating the crop dryer means that save energy and save the environment. Some problems caused by the using of solar crop dryer are heat excess which is yielded by the air collector, inexistence of energy source at night and heat fluctuation when the sun covered by clouds. A study of using a thermal mass to store the heat of the sun is an important thing to solve those problems. This study is aimed to know the effect of thermal mass addition to air flow temperature and to unfold the effect of the size of thermal mass interpose in accordance to its ability in absorbing and releasing heat of the solar. The experiment was done by installing some parts of thermal mass at the dryer and arange the variation of the thermal mass formation interpose at, 4 and 6 cm. The data was taken during 4 hours/day by installing temperature sensor to measure air flow temperature that out from the collector, the temperature before the thermal mass, and the temperature after the thermal mass, and ambient temperature. This solar radiation and air flow speed data also taken from this research. Results of the experiment show the higest level of air temperature degradation that comes into the drying bed range between 1 C 17 C after the thermal mass was added. The temperature fluctuation that took place in the air flow that comes into the drying bed when the radiation intensity fluctuate was sucessfully reduced and keep the air temperature above C until 9:45 PM. Keywords: thermal mass, crop dryer, solar radiation. PENDAHULUAN Pemanfaatan energi radiasi matahari sangat penting untuk menghasilkan alat pengering hasil pertanian (solar crop dryer) yang hemat energi dan ramah lingkungan. Permasalahan penggunaan solar crop dryer yaitu adanya kelebihan panas yang dihasilkan kolektor udara sehingga dapat merusak produk yang dikeringkan (Jensen, 1). Masalah selanjutnya adalah ketika sumber panas utama tidak berfungsi, maka perlu usaha untuk menjaga agar tersedia sumber panas cadangan yang bisa berperan menggantikan sumber panas utama. Disamping itu radiasi matahari kadang-kadang terhalang oleh awan yang terjadi sepanjang hari sehingga sinar matahari tidak kontinyu diterima kolektor. Untuk menghindari kelebihan panas yang terjadi pada solar crop dryer dapat diatasi dengan menambahkan thermal mass yang ditempatkan setelah sisi outlet kolektor atau sebelum bed pengeringan. Thermal mass bisa dipilih dari jenis material yang dapat menyerap kelebihan panas sekaligus melepaskannya sebagai sumber energi cadangan apabila panas yang dihasilkan sumber panas utama (collector) berkurang karena berkurangnya intensitas radiasi matahari. 8

2 Sokhansanj () telah merancang solar crop dryer dan mengatur susunan bed pengeringan untuk membatasi temperatur udara maksimum yang masuk kedalamnya. Hasilnya temperatur udara panas maksimum bisa diturunkan menjadi 55 o C. Scanlin (1999) mendesain alat pengering hasil panen yang menghasilkan udara panas sebesar 54 o C - 8 o C dan dengan sistem ventilasinya dapat mengatur temperatur maksimum masuk bed pengering sampai dengan 1 o C o C di atas temperatur lingkungan. Persamaan thermal energy balance telah digunakan untuk menjelaskan efisiensi kolektor udara panas dan alat pengering. Temperatur maksimum yang diperoleh mencapai sekitar o C di atas temperatur lingkungan. Laju pengeringan maksimum yang berhasil diteliti dicapai ketika memperlakukan aliran konveksi paksa pada aliran udara panas (Sarkar, ). Jensen (1) melakukan uji coba dengan menambahkan 15 kg thermal mass dari bebatuan dengan ukuran beragam pada alat pengering energi surya dengan tujuan untuk menurunkan temperatur maksimum udara panas. Hasil yang diperoleh adalah temperatur maksimum bisa diturunkan sekitar 1 o C dengan capacity loss hanya sekitar %. Artinya capacity loss tidak terlalu besar bila dibandingkan dengan resiko rusaknya produk bila tanpa penggunaan thermal mass. Dincer () melakukan penelitian terhadap beberapa jenis material seperti batu bata, batuan dan beton dapat digunakan sebagai penyimpan panas energi radiasi matahari. Analisa terhadap energi pada thermal energy storage dilakukan untuk keperluan desain sistem dan optimalisasi. Pada penelitian ini dilakukan dengan membuat solar crop dryer dengan menggunakan thermal mass disertai pengaturan variasi lebar celah. Adapun perumusan masalahnya adalah bagaimana pengaruh penggunaan thermal mass pada solar crop dryer terhadap temperatur aliran udara dan bagaimana pengaruh lebar celah thermal mass terhadap temperatur solar crop dryer?. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penggunaan thermal mass pada solar crop dryer terhadap temperatur aliran udara dan mengetahui pengaruh lebar celah thermal mass terhadap kemampuan menyerap dan melepas panas. METODE PENELITIAN Bagian-bagian utama alat pengering terdiri dari kolektor udara, ruang pengering, bed pengering, rangka penyangga thermal mass, isolator, pintu, atap dan cerobong. 4 1 Gambar 1. Solar crop dryer. 81

3 Instalasi penelitian dan alur pengambilan data dapat dilihat pada gambar 1. Sensor temperatur udara lingkungan Sensor temperatur udara keluar kolektor Sensor temperatur udara masuk thermal mass Sensor temperatur udara keluar thermal mass 1 4 Pyranometer KOMPUTER DATA LOGGER POWER + UPS Gambar. Instalasi penelitian. Bahan yang dipakai sebagai media thermal mass adalah beton paving block berbentuk balok dengan dimensi: panjang cm, lebar 1 cm dan tinggi 1 cm total berjumlah 144 buah. Pengambilan data dilakukan tiap 5 menit menggunakan peralatan berupa sensor temperatur IC-LM5, pyranometer, datalogger, komputer, power supply, dan stop watch. Data yang diambil adalah waktu, radiasi matahari total, temperatur udara yang keluar dari kolektor, masuk ruang pengering, sebelum thermal mass, setelah thermal mass, masuk bed pengering, dan temperatur lingkungan. Data tersebut diperoleh dari alat pengering tanpa penggunaan thermal mass dan setelah penggunaan thermal mass dengan variasi lebar celah cm, 4 cm dan 6 cm. Selain itu juga melakukan percobaan dengan menutup pintu masuk udara menuju thermal mass pada malam hari. Selanjutnya data waktu, radiasi dan temperatur diplotkan ke dalam grafik menggunakan software komputer (Excel ) untuk diolah. Untuk mengetahui potensi energi radiasi matahari selama penelitian dilakukan dengan cara menghitung luasan grafik menggunakan metode Simpson berikut: xn h ydx = [ y + 4( y1 + y + y yn 1) + ( y + y4 + y y n ) + yn ] xo Dengan: h = subinterval pengambilan data. y = data radiasi., 1, = urutan data. Perpindahan panas yang terjadi antara thermal mass dan udara panas dihitung dengan persamaan: Q u = m& c p (ΔT) Dengan: Q u = panas yang ditransfer, (watt). m& = laju aliran massa udara (kg/s). 8

4 c p = panas spesifik, (kj/kg. C). ΔT = perbedaan temperatur ( C). Untuk mengetahui jumlah energi yang diserap dan dilepaskan thermal mass dilakukan dengan cara menghitung luasan antara grafik temperatur udara sebelum dan setelah thermal mass menggunakan metode Simpson. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Data penelitian hubungan waktu dengan temperatur dan radiasi total sebelum menggunakan thermal mass /8/5 T masuk saluran T masuk rak pengering 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar. Grafik hari ke-1 tanpa penggunaan thermal mass. (W/m) /8/5 1 9 T masuk saluran 8 T masuk rak pengering : 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: (W/m) Gambar 4. Grafik hari ke- tanpa penggunaan thermal mass /8/5 T masuk saluran T masuk rak pengering 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 5 Grafik hari ke- tanpa penggunaan thermal mass. Dari gambar sampai 5 terlihat bahwa temperatur udara yang keluar dari kolektor meningkat seiring meningkatnya radiasi matahari, demikian pula untuk temperatur udara masuk saluran dan temperatur udara ketika masuk bed pengering. (W/m) 8

5 Radiasi matahari total yang diterima melalui pyranometer bervariasi dan mencapai puncaknya 96, W/m. Temperatur udara masuk saluran lebih rendah dibanding udara ketika keluar dari kolektor. Hal ini disebabkan adanya kehilangan energi panas selama perjalanan melewati saluran. Temperatur udara masuk bed pengering juga lebih rendah. Hal ini juga disebabkan kehilangan energi selama melewati saluran. Temperatur udara panas yang masuk bed pengering maksimal sebesar 6,54. Ketika intensitas radiasi mulai menurun, temperatur udara juga ikut menurun. Mulai pukul 18: sampai pukul 6: pada pagi hari berikutnya temperatur udara yang melewati bed pengering cenderung mendekati temperatur lingkungan.. Data penelitian hubungan waktu dengan temperatur dan radiasi total setelah menggunakan thermal mass dengan lebar celah cm /8/5 T sebelum heat storage T setelah heat storage Radiasi Total 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 6. Grafik hari ke-1 menggunakan thermal mass dengan lebar celah cm (W/m) /8/5 T sebelum heat st orage T set elah heat st orage Radiasi Tot al 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Wakt u Gambar 7 Grafik hari ke- menggunakan thermal mass dengan lebar celah cm /8/5 T sebelum heat st orage T set elah heat st orage Radiasi Tot al 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Wakt u Gambar 8 Grafik hari ke- menggunakan thermal mass dengan lebar celah cm. 84

6 Dari gambar 6 sampai 8 terlihat bahwa temperatur naik sejak pagi hari dan terjadi fluktuasi pada tengah hari. Tetapi kenaikan temperatur udara setelah thermal mass atau masuk bed pengering pada lebar celah cm lebih rendah dibanding ketika tanpa penggunaan thermal mass. Saat penurunan temperatur, intensitas radiasi matahari sempat mengalami penurunan drastis sehingga hal ini berpengaruh pada menurunnya temperatur udara keluar kolektor, tetapi temperatur udara setelah thermal mass hanya mengalami sedikit penurunan. Pada ketiga gambar diatas penurunan temperatur setelah thermal mass lebih berlangsung lebih lambat dan berada pada temperatur diatas o C hingga pukul :.. Data penelitian hubungan waktu dengan temperatur dan radiasi total setelah menggunakan thermal mass dengan lebar celah 4 cm /8/5 1 9 T sebelum heat storage 8 T setelah heat storage : 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: (W/m) Gambar 9 Grafik hari ke-1 menggunakan thermal mass dengan lebar celah 4 cm /8/5 T sebelum heat storage T setelah heat storage 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: (W/m) Gambar 1 Grafik hari ke- menggunakan thermal mass dengan lebar celah 4 cm /8/5 T sebelum heat st orage T set elah heat st orage Radiasi t ot al 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Wakt u Gambar 11 Grafik hari ke- setelah penggunaan thermal mass dengan lebar celah 4 cm. 85

7 Dari gambar 9 sampai 11 secara umum terlihat bahwa temperatur naik sejak pagi dan tidak terlalu banyak terjadi fluktuasi. Kenaikan temperatur udara setelah thermal mass juga lebih rendah dibanding temperatur udara masuk bed pengering pada alat pengering yang tanpa penggunaan thermal mass. Demikian juga ketika terjadi penurunan temperatur maka temperatur setelah thermal mass lebih lambat mengalami penurunan dan berada pada temperatur diatas o C hingga pukul 1:5. 4. Data penelitian hubungan waktu dengan temperatur dan radiasi total setelah menggunakan thermal mass dengan lebar celah 6 cm /9/5 1 T sebelum heat storage 9 T setelah heat storage : 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 1 Grafik penggunaan thermal mass dengan lebar celah 6 cm pada hari ke /5/5 T sebelum heat storage T setelah heat storage 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 1 Grafik penggunaan thermal mass dengan lebar celah 6 cm pada hari ke /9/5 T sebelum heat storage T setelah heat storage 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 14 Grafik penggunaan thermal mass dengan lebar celah 6 cm pada hari ke- Dari gambar 1 sampai 14 terlihat bahwa temperatur naik sejak pagi dan terjadi fluktuasi pada tengah hari. Tetapi kenaikan temperatur udara setelah thermal (W/m) (W/m) (W/m) 86

8 mass lebih rendah dibanding temperatur masuk bed pengering pada alat pengering yang tanpa penggunaan thermal mass. Penurunan temperatur setelah thermal mass mengalami penurunan lebih lambat dan tetap berada diatas temperatur o C hingga pukul :. 5. Data penelitian hubungan waktu dengan temperatur dan radiasi total dengan menutup pintu thermal mass pada pukul 18: sampai pukul 6: pagi T sebelum heat st orage 9 T set elah heat st orage 8 7 Radiasi t ot al : 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Gambar 15 Grafik hari ke-1 dengan menutup pintu thermal mass pada malam hari T sebelum heat st orage 9 8 T set elah heat st orage : 8: 1: 1: 14: 16: 18: : : : : 4: Wakt u Gambar 16 Grafik hari ke- dengan menutup pintu thermal mass pada malam hari T sebelum heat st orage T set elah heat st orage Radiasi t ot al 6: 8: 1: 1: 14: 16: 18:: : : : 4: Wakt u Gambar 17 Grafik hari ke- dengan menutup pintu thermal mass pada malam hari. Pada gambar 15 sampai 17 dapat dilihat bahwa pada malam hari, temperatur lingkungan menjadi rendah dan apabila dibiarkan mengalir melewati ruang pengering akan meyerap energi panas yang tersimpan pada thermal mass. Untuk 87

9 menghindarinya, mulai pukul 18: sampai dengan pukul 6: dilakukan penutupan pintu saluran menuju thermal mass. Grafik yang diperoleh dengan menutup pintu thermal mass menunjukkan penurunan temperatur yang lebih lambat pada malam hari. Hal ini disebabkan tidak ada lagi udara malam hari yang masuk pada thermal mass. Dari hasil pengukuran selama penelitian, besarnya radiasi matahari total yang diterima alat pengering cukup bervariasi. Besarnya energi radiasi diperoleh dengan menghitung luasan grafik radiasi total menggunakan metode Simpson. Hasilnya ditunjukkan pada tebel berikut: Tabel 1. Energi radiasi matahari selama pengambilan data. pengambilan Energi radiasi Data tiap m (MJoule) , , , , , , , , , , , , , , ,55 Temperatur maksimal udara panas yang memasuki bed pengering antara sebelum dan sesudah penggunaan thermal mass dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel. Temperatur maksimal udara masuk bed pengering dan waktu. Perlakuan Hari Temperatur Tanpa Thermal mass 1 cm 1 4 cm 1 6 cm 1 ke: Maksimal ( o C) 6,45 57,5 61,8 45,44 44,6 45,1 47,16 46,68 44,6 46,4 41,1 4,66 1:4 1:5 1:5 1:4 1:1 1:55 1:15 1: 1:4 1:5 14:5 1:55 Dari tebel diatas menunjukkan bahwa temperatur maksimal udara masuk bed pengering sebelum penggunaan thermal mass dicapai lebih awal dibanding setelah penggunaan thermal mass yaitu antara pukul 1:4 sampai dengan pukul 1:5. Sedangkan setelah penggunaan thermal mass tempertur maksimal udara yang masuk bed pengering (temperatur setelah thermal mass) dicapai pada pukul 1: sampai 14:. Hal ini disebabkan sebagian energi panas yang dihasilkan kolektor telah diserap oleh thermal mass. Dari data tersebut dapat diperoleh selisih temperatur 88

10 maksimum udara masuk bed pengering sebelum penggunaan dan setelah penggunaan thermal mass adalah sebesar 1 17 o C. Sedangkan pada lebar celah antara cm, 4 cm, dan 6 cm dapat dilihat bahwa temperatur maksimal yang dicapai pada lebar celah 6 cm relatif lebih kecil dari temperatur yang dicapai pada lebar celah cm, dan 4 cm. Selain itu, waktu tercapainya temperatur maksimal pada lebar celah 6 cm relatif lebih lama jika dibandingkan dengan lebar celah yang lebih kecil. Hal ini dikarenakan pada lebar celah 6 cm menyerap panas lebih banyak jika dibandingkan lebar celah yang lebih kecil. Dari data tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar lebar celah maka temperatur maksimal yang dicapai semakin kecil. Sedangkan besar energi yang diserap dan dilepaskan thermal mass dihitung dengan metode Simpson, sehingga didapatkan hasil sebagai berikut: Tabel. Energi yang diserap dan dilepaskan thermal mass. Lebar celah (cm) Energi diserap (MJoule) Energi dilepas (MJoule) 8, , , ,184 5, ,56 6, ,648 5, ,14 8, ,7459 6, ,98 6,7444 Dari tabel terlihat bahwa semakin besar lebar celah maka energi yang diserap atau dilepas semakin besar. Akan tetapi terjadi beberapa penyimpangan. Hal ini disebabkan temperatur udara sebelum thermal mass sering mengalami penurunan akibat fluktuasi radiasi matahari. Analisa temperatur dapat dilakukan dengan melihat perbedaan temperatur udara masuk bed pengering dan temperatur lingkungan terhadap radiasi matahari pada gambar berikut: 5 Perbedaan temperatur ( C) Hari ke-1 Hari ke- Hari ke Radiasi matahari (W/m ) Gambar 18 Grafik perbedaan temperatur udara masuk bed pengering dan temperatur lingkungan terhadap radiasi matahari sebelum penggunaan thermal mass. Pada gambar di atas terlihat bahwa sebelum penggunaan thermal mass terjadi perbedaan temperatur yang meningkat seiring meningkatnya intensitas radiasi matahari. Setelah intensitas radiasi mencapai puncaknya dan mulai menunjukkan penurunan, perbedaan temperatur juga mengalami penurunan sampai pada posisi seperti awalnya. Pola yang sama juga terjadi untuk hari ke- dan hari ke-. Hal ini 89

11 menunjukkan bahwa perbedaan temperatur yang terjadi antara udara masuk bed pengering dengan temperatur lingkungan sebelum penggunaan thermal mass mengikuti pola intensitas radiasi yang terjadi. 18 Perbedaan temperatur ( C) Hari ke-1 Hari ke- Hari ke Radiasi matahari (W/m) Gambar 19 Grafik perbedaan temperatur udara masuk bed pengering dan temperatur lingkungan terhadap radiasi matahari untuk lebar celah thermal mass cm. Perbedaan temperatur ( C) Hari ke-1 Hari ke- Hari ke Radiasi matahari (W/m) Gambar Grafik perbedaan temperatur udara masuk bed pengering dan temperatur lingkungan terhadap radiasi matahari untuk lebar celah thermal mass 4 cm. 18 Perbedaan temperatur ( C) Hari ke-1 Hari ke- Hari ke Radiasi matahari (W/m) Gambar 1 Grafik perbedaan temperatur udara masuk bed pengering dan temperatur lingkungan terhadap radiasi matahari untuk lebar celah thermal mass 6 cm. Pada gambar 19 sampai 1 terlihat bahwa setelah penggunaan thermal mass perbedaan temperatur udara panas mengalami kenaikan jika dibandingkan dengan tanpa penggunaan thermal mass. Perbedaan temperatur yang cukup kecil terjadi pada hari ke-1. Hal ini disebabkan karena thermal mass belum sempat menyimpan panas sebelumnya karena baru dipasang. Kemudian perbedaan temperatur meningkat seiring dengan meningkatnya radiasi matahari, sehingga terjadi perbedaan temperatur 9

12 yang cukup besar. Ketika intensitas radiasi matahari mulai berkurang, temperatur udara panas cenderung tetap, sehingga perbedaan temperatur juga cenderung tetap. Memasuki hari ke-, perbedaan temperatur diawali dengan nilai yang lebih besar dibanding hari ke-1. Hal ini disebabkan thermal mass telah mengalami pemanasan pada hari pertama dan sisa energi panas masih ada ketika memasuki hari ke-. Selanjutnya pola yang sama berlaku untuk hari ke-. Dari hasil tersebut diperoleh bahwa setelah penggunaan thermal mass pada alat pengering, terjadi perbedaan temperatur yang cukup besar antara temperatur udara setelah thermal mass (temperatur masuk bed pengering) dengan temperatur lingkungan, meskipun intensitas radiasi matahari mengalami penurunan pada malam hari. PENUTUP Berdasarkan hasil dan pembahasan disimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Penggunaan thermal mass mampu mempertahankan temperatur aliran udara meskipun terjadi fluktuasi intensitas radiasi matahari. Sedangkan pada saat sebelum penggunaan thermal mass, temperatur aliran udara berubah mengikuti perubahan intensitas radiasi matahari.. Penggunaan thermal mass mampu menurunkan temperatur maksimum udara panas ketika memasuki bed pengering sebesar 1 o C 17 o C, dan berhasil mempertahankan temperatur udara yang masuk bed pengering diatas o C sampai pukul :.. Semakin besar lebar celah haet storage, maka temperatur maksimal yang dicapai semakin kecil, dan energi yang diserap juga semakin kecil. 4. Pengujian dengan menutup pintu masuk menuju thermal mass pada malam hari memperlihatkan penurunan temperatur lebih lambat pada udara yang memasuki bed pengering. Rekomendasi penulis untuk lebih mendalami efek thermal mass: 1. Penelitian ini dapat dilanjutkan dengan meneliti pengaruh variasi jenis material thermal mass terhadap temperatur udara panas yang dihasilkan.. Perlu dilakukan penelitian mengenai desain sistem saluran dan ruang pengering pada solar crop dryer sehingga dapat mengurangi kerugian panas yang terjadi. DAFTAR PUSTAKA Anonymous,. LM5 Precision Centigrade Temperature Sensors. National Semiconductor Corporation, Americas. Dincer, I.,. On Thermal Energy Storage Systems and Applications in Buildings. Energy and Buildings 4 () 77-88, Elsevier Science B. V. Duffie, John, A., Solar Engineering of Thermal Processes. John Willey & Sons, Singapore. Holman, J.P Heat Transfer. Sixth Edition, McGraw-Hill, Ltd. Jasjfi, E. (penterjemah) Perpindahan Kalor. Penerbit Erlangga, Jakarta. Jensen, S.O., Kristensen, E.F. and Forman, T., 1. Test of a solar crop dryer. Solar Energy Centre Denmark, Danish Technological Institute and Department of Agricultural Engineering. Jensen, S.O., Kristensen, E.F., Agyei, F.G., Larsen, T. and Nketia, K.S.,. Test of solar dryers in Ghana. Solar Energy Centre Denmark. 91

13 Sarkar, M.A.R. and Saleh, T.,. Performance Study of A PV Operated Forced Convection Solar Energy Dryer. The 8th International Symposium for Renewable Energy Education, Orlando University of Florida, August 4-8,. Scanlin, D., Renner, M., Domermuth, D. and Moody, H., Improving Solar Food Dryers. Home Power 69, Department of Technology, Appalachian State University. Sokhansanj, S. Ghazanfari, A.,. Experiments on Solar Drying of Pistachio Nuts. AIC Meeting CSAE/SCGR Program, Saskatoon, Saskatchewan, Canada, July