Analisa Performasi Kolektor Surya Terkonsentrasi Dengan Variasi Jumlah Pipa Absorber Berbentuk Spiral

Transkripsi

1 Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA Vol6 No1, Janari 2017 (11-16) Analisa Performasi Kolektor Srya erkonsentrasi Dengan Variasi Jmlah Pipa Absorber Berbentk Spiral I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa Jrsan eknik Mesin Non Regler Universitas Udayana, Kamps Sdirman Bali Abstrak Prinsip kerja dari kolektor srya terkonsentrasi adalah sinar matahari yang menimpa konsentrator nantinya akan dikonsentrasikan menj pipa absorber sehingga panas tersebt akan diterskan ke flida yang akan dipanaskan Untk mendapatkan panas yang kontini dapat dilakkan dengan menggnakan penyimpan panas Salah sat media penyimpan panas adalah pasir pantai hals berwarna hitam Sehingga panas yang dipantlkan oleh konsentrator akan diserap terlebih dahl oleh pipa receiver yang didalamnya terdapat pasir dan pipa absorber Dengan mengatr ssnan pipa absorber maka panas yang diserap oleh pipa receiver akan diterskan ke pasir dan selanjtnya diserap oleh pipa absorber ntk meningkatkan penyerapan panas dapat dilakkan dengan menambah jmlah pipa absorber Dilakkan sat pengjian ntk mengetahi performasi kolektor srya terkonsentrasi dengan variasi jmlah pipa absorber berbentk spiral Dalam penelitian ini variabel bebas yang diteliti ata diji adalah pengarh penggnaan jmlah pipa absorber spiral yang bervariasi jmlahnya yait 2, 3 dan 4 Dari hasil pengjian terlihat bahwa Semakin banyak jmlah pipa absorber maka energi bergna serta efisiensi yang dihasilkan kolektor srya semakin besar Secara keselrhan dari pengjian variasi jmlah pipa terlihat bahwa kolektor srya dengan jmlah pipa 4 adalah kolektor srya dengan performasi terbaik baik dari sisi energi bergna yang dihasilkan sebesar 8072 J/s mapn efisiensi yang dihasilkan sebesar Kata Knci: Kolektor srya terkonsentrasi, pipa absorber spiral, performasi kolektor Abstract he working principle of a concentrated solar collector is the snlight that afflicts the concentrator will be concentrated towards the absorber pipe so that the heat will be forwarded to the flid to be heated o obtain continos heat that can be done by sing heat storage One of the heat storage medim is a fine black sand beaches So that the heat reflected by the concentrator will be absorbed first by the receiver pipe in which there are sand and absorber pipes By organizing the absorber pipe, the heat absorbed by the receiver pipe will be forwarded to the sand and then absorbed by the absorber pipe to improve the heat absorption can be done by increasing the nmber of absorber pipes ondcted a test to determine performasi concentrated solar collectors with variations in the nmber of spiral-shaped absorber pipes In this stdy the independent variables stdied or tested was the effect of the amont of the absorber pipe spiral which vary in nmber, namely 2, 3 and 4 From the test reslts shown that the higher the nmber of the absorber pipe as well as the sefl energy prodced by the solar collector efficiency increases Overall the amont of testing variation seen that the solar collector pipes with pipe nmber 4 is the solar collector with the best performasi both in terms of sefl energy prodced amonted to 8072 J / s and efficiencies generated by Keywords: oncentrated solar collectors, absorber pipe spiral, performasi collectors 1 Pendahlan Kolektor srya merpakan sat peralatan yang dignakan ntk menyerap energi srya menjadi energi thermal dan mentransfer energi tersebt ke flida kerja ntk dignakan secara langsng ata disimpan terlebih dahl pada sat nit penyimpan panas Dalam aplikasi kolektor srya banyak dignakan sebagai alat pemanas air pada rmah rmah Secara mm bila ditinja dari jmlah panas yang diperoleh, kolektor srya dapat diklasifikasi menjadi da jenis yait: kolektor srya pelat datar dan kolektor srya terkonsentrasi Prinsip kerja dari kolektor srya terkonsentrasi adalah sinar matahari yang menimpa permkaan cermin (konsentrator) nantinya akan dipantlkan (dikonsentrasikan) menj pipa absorber sehingga panas tersebt akan diterskan ke flida yang akan dipanaskan Untk mendapatkan panas yang kontini dapat dilakkan dengan menggnakan penyimpan panas Salah sat media penyimpan panas adalah pasir pantai hals berwarna hitam Sehingga panas yang dipantlkan oleh konsentrator akan diserap terlebih dahl oleh pipa receiver yang didalamnya terdapat pasir dan pipa absorber Dengan mengatr ssnan pipa absorber maka panas yang diserap oleh pipa receiver akan diterskan ke pasir dan selanjtnya diserap oleh pipa absorber ntk meningkatkan penyerapan panas dapat dilakkan dengan menambah jmlah pipa absorber Berdasarkan raian diatas maka akan dilakkan pengjian performasi kolektor srya terkonsentrasi dengan variasi jmlah pipa absorber berbentk spiral Adapn batasan masalah melipti : 1 idak terjadi perbahan fase pada flida 2 Sifat fisik air yang mengalir diasmsikan konstan di dalam pipa flida 3 Efek bayangan yang ditimbkan oleh absorber diabaikan 4 Kondisi lingkngan diasmsikan sama Korespondensi: el/fax: (0361) / - mscipta@gmailcom

2 I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa / Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA 2 Dasar eori 21 Perpindahan Panas Perpindahan panas ata heat transfer adalah ilm yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatr, dimana energi yang berpindah tersebt dinamakan kalor ata panas (heat) Perpindahan panas dapat terjadi melali beberapa mekanisme, yait perpindahan panas secara kondksi, konveksi, dan radiasi 211 Perpindahan Panas Kondksi Perpindahan panas kondksi merpakan perpindahan panas yang terjadi pada sat media padat ata pada media flida yang diam akibat adanya perbedaan temperatr antara permkaan yang sat dengan permkaan yang lain pada media tersebt Untk kondisi perpindahan panas keadaan steady melali dinding datar sat dimensi seperti ditnjkan pada Gambar 1 it ditambahkan tanda mins, sehingga tanda positif tersebt mennjkkan adanya kalor yang berpindah dari temperatr tinggi ke temperatr lebih rendah 212 Perpindahan Panas konveksi Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari sat permkaan media padat ata flida yang diam menj flida yang mengalir ata bergerak ata sebaliknya akibat adanya perbedaan temperatr Sat flida memiliki temperatr,, yang bergerak dengan kecepatan, di atas permkaan media padat pada Gambar 2 emperatr media padat lebih tinggi dari temperatr flida, maka akan terjadi perpindahan panas konveksi dari media padat ke flida yang mengalir Gambar 1 Perpindahan panas kondksi pada dinding datar Persamaan laj kondksi dikenal dengan Hkm Forier tentang Kondksi ( Forier Low of Heat ondction), yang persamaan matematikanya sebagai berikt: q kond k A d dx d q kond ka dx (1) = Laj perpindahan panas kondksi (W) = Kondktivitas termal bahan (W/mK) = Las penampang tegak lrs terhadap arah aliran panas (m 2 ) =Gradien temperatr pada penampang tersebt (K/m) anda negatif (-) diisi agar memenhi hkm keda termodinamika, yait bahwa panas mengalir dari media yang bertemperatr lebih tinggi menj media yang temperatrnya lebih rendah Seperti yang ditnjkkan pada Gambar 1 diatas, bahwa kalor berpindah dari 1 ke 2 karena 2 temperatrnya lebih rendah dari 1 Jika dilihat dari persamaan 26, d adalah selisih antara 2 dan 1 sehingga hasil yang didapat menjadi mins Agar memperoleh hasil yang positif pada hasil akhir perhitngan oleh karena 12 Gambar 2 Perpindahan panas konveksi dari permkaan media padat ke flida yang mengalir Laj perpindahan panas konveksi adalah merpakan hkm Newton tentang pendinginan ( Newton's Law of ooling) yait: q q konv h A (2) konv s s = Laj perpindahan panas konveksi (W) = Koefisien perpindahan panas konveksi h ( W/m 2 K) A s = Las permkaan perpindahan panas (m 2 ) = emperatr permkaan (K) = emperatr flida (K) Menrt aliran flidanya, perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan menjadi: a Konveksi paksa (forced convection), terjadi bila aliran flidanya disebabkan oleh gaya lar, seperti: blower, pompa, ata kipas angin b Konveksi alamiah ( natral convection), terjadi bila aliran flidanya disebabkan oleh efek gaya apngnya (boyancy forced effect) Pada flida, temperatr berbanding terbalik/berlawanan dengan massa jenis (density) 213 Perpindahan Panas Radiasi Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh pancaran ata gelombang elektromagnetik (photon), dan asalnya dari energi dalam material yang memancar ransportasi energi pada peristiwa radiasi tidak hars membthkan media, jstr radiasi akan lebih efektif dalam rang hampa Berbeda dengan

3 I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa / Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA perpindahan panas kondksi dan konveksi yang mtlak memerlkan media perpindahan Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permkaan sat benda riil (nyata),, (W), adalah :, = (3) Sedangkan ntk benda hitam semprna ( black body), dengan emisivitas ( = 1 ) memancarkan radiasi,, (W) sebesar:, = (4) Dan ntk laj pertkaran panas radiasi keselrhan antara permkaan dengan sekelilingnya (srronding), dengan temperatr sekeliling,, adalah : = (5) = Laj pertkaran panas radiasi (W) = Emisivitas (0 1) = Konstanta proporsionalitas dan disebt konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8 (W/m 2 K 4 ) = Las bidang permkaan (m 2 ) = emperatr benda (K) Dalam hal ini sema analisis tentang temperatr dalam pertkaran panas radiasi adalah dalam temperatr absolt (mtlak) yait Kelvin (K) 22 Pengmpl Srya erkonsentrasi Konversi energi matahari menjadi panas (pada kolektor srya plat datar) menghasilkan temperatr relatif rendah karena flks energinya rendah Untk menghasilkan panas dengan temperatr tinggi maka flks energi matahari perl ditingkatkan dengan metode mengkonsentrasikannya, yait memantlkan radiasi matahari kepermkaan absorber yang lebih sempit Kolektor terkonsentrasi mempnyai da komponen tama, yait: 1) Konsentrator, yait permkaan yang mengkonsentrasikan radiasi matahari 2) Receiver, yait permkaan yang menerima radiasi dari konsentrator dan mengkonversikannya menjadi energi panas Receiver terdiri dari absorber, kaca pentp dan isolasi 221Energi Bergna Kolektor Alat Pemanas Air enaga Srya Untk perhitngan energi yang diserap ata energi yang bergna ntk kolektor alat pemanas air tenaga srya dapat dignakan persamaan : (Dffie etal, 1980) p m c o i (6) 13 m c p o i = panas yang bergna (J/s) = laj aliran flida (kg/s) = kapasitas panas jenis flida (J/(kg ) = temperatr air kelar ( ) = temperatr air mask ( ) 222 Efisiensi Kolektor Efisiensi kolektor merpakan perbandingan panas yang diserap flida dan intensitas matahari yang mengenai kolektor Performansi dari kolektor dapat dinyatakan dengan efisiensinya Ada da cara ata prosedr yang dipakai ntk mengindetifikasi efisiensi kolektor yait : 1) Instantaneos procedre yait pengkran laj aliran massa dari flida, beda temperatr flida mask dengan kelar, radiasi matahari (insolation) dilakkan dalam keadaan steady state Efisiensi ini di tentkan oleh persamaan berikt : (Dffie etal, 1980) A I p o i (7) m c ( ) A I = Efisiensi kolektor A L I m c p c = Las permkaan kolektor (m²) = Panjang kolektor palng (m) = otal energi srya yang datang pada permkaan kolektor (W/m²) = Laj aliran massa (kg/s) = Kapasitas panas jenis flida (J/(kg ) 2) alorimetric procedre yait : pengkran efisiensi pada sistem terttp dimana perbahan temperatr merpakan fngsi wakt dan berhbngan dengan sdt datang sinar matahari Perhitngan efisiensinya adalah : (Dffie etal, 1980) (8) A I = Efisiensi kolektor A L I = Las permkaan kolektor (m²) = Panjang kolektor palng (m) = otal energi srya yang datang pada permkaan kolektor (W/m²) 3 Metode Penelitian Skema kolektor srya terkonsentrasi menggnakan jmlah pipa absorber spiral yang akan divariasikan jmlahnya yait 2, 3 dan 4 dapat dilihat pada gambar 3, 4 dan 5

4 I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa / Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA Gambar 3 Kolektor srya terkonsentrasi tampak depan 31 Bahan-bahan a Kaki penyangga alat: - Pipa kotak dignakan sebagai kerangka kaki penyangga alat b Konsentrator: - Plat alminim dengan panjang 09 m dan lebar 08 m sebagai rangka konsentrator - Kaca berfngsi sebagai media ntk memantlkan sinar matahari ke receiver c Receiver: - Pelat baja tebal 1,8 mm dignakan sebagai receiver yang bertjan ntk menyerap panas dari sinar matahari langsng mapn panas pantlan sinar matahari dari konsentrator Receiver yang dipakai adalah berbentk silinder dengan diameter mm dan panjang 900 mm - Pipa tembaga dengan diameter ¼ inchi ( m) dan tebal m dignakan sebagai absorber yang berfngsi sebagai tempat mengalirnya air yang akan dipanaskan - Pasir hitam (pasir pantai hals) dignakan sebagai media penyimpan panas yang akan memanaskan air yang mengalir di dalam absorber Gambar 4 Kolektor srya terkonsentrasi tampak samping Gambar 5 Pipa absorber (Smber: Pribadi) Konsentrator terbat dari plat alminim dengan panjang 09 m dan lebar 08 m yang akan dilengkngkan sehingga mempnyai jari-jari R dan diatasnya akan ditempeli alminim foil Receiver berfngsi sebagai penyerap panas yang dipantlkan dari konsentrator Receiver dibat dari pelat berbentk silinder dengan tebal 1,8 mm yang akan dicat hitam dop Di dalam receiver terdapat pasir hitam (pasir pantai hals) yang berfngsi menyimpan panas yang diserap dari dinding receiver Di dalam receiver jga terdapat pipa tembaga dengan diameter ¼ inchi( m) dan tebal m yang dialiri air didalamnya Pipa tembaga inilah yang nantinya akan divariasikan jmlahnya yait 2, 3 dan 4 32 Alat Pengkran Adapn alat-alat pengkran yang dignakan dalam pengjian alat pemanas air tenaga srya tersebt, yait: a ermokopel ermokopel berfngsi ntk mengkr temperatr pelat penyerap, temperatr flida yang kelar mask kolektor, dan temperatr absorber b Mltimeter Mltimeter berfngsi ntk membaca besarnya temperatr yang ditnjkkan termokopel c Stopwatch Berfngsi ntk alat pencatat wakt selama pengjian d Gelas kr/flow meter Dignakan ntk menentkan laj aliran volme flida yang kelar dari kolektor srya e hermostat Berfngsi ntk mengatr temperatr air mask ke kolektor srya 33 Langkah-langkah Pengjian Dalam pengjian yang dilakkan pada pemanas air tenaga srya, panel kolektor srya dipasang ke arah tara-selatan Pengjian masing-masing alat dilakkan sebanyak 3 kali dengan variasi jmlah pipa tembaga spiral Adapn langkah-langkah yang akan dilakkan pada saat pengjian adalah : 14

5 I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa / Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA 1 Penelitian dilakkan antara jam 0900 sampai 1700 wita 2 Isi tangki penyimpan air sampai level batas tinggi air dan biarkan air tetap mengalir sampai ada air yang terbang melali pipa pembangan 3 empatkan alat kr pada tempat yang telah ditentkan 4 Atr katp ata keran ntk memperoleh laj aliran volme 0,0021 1/s dan laj aliran volme dipertahankan konstan 5 Langkah-langkah pengambilan data : Pertama pengambilan data dengan mencatat tanggal pengambilan data dan laj aliran volme flida (v) Pengambilan data keda dilakkan setiap 20 menit dengan mengkr : - intensitas radiasi matahari, I - temperatr pasir hitam (pasir pantai), P - temperatr lingkngan, a - temperatr flida mask, in - temperatr flida kelar, ot - temperatr receiver bagian bawah, Rb - temperatr receiver bagian atas, Ra - temperatr konsentrator, K 6 Ulangi langkah 1 sampai 6 dengan 3 pipa tembaga spiral 7 Ulangi langkah 1 sampai 6 dengan 4 pipa tembaga spiral 13 Pipa absorber 14 emperatrpasir ( pasir ) 15 Receiver 16 emperatr air kelar ( ot ) 17 Penampngan air kelar 4 Hasil dan Pembahasan 41 Performasi kolektor srya dinyatakan dalam grafik dibawah: Gambar 7 Grafik Perbandingan Wakt- Dengan Variasi Jmlah Pipa Berikt titik pengkran dan penempatan alatalat kr diperlihatkan pada gambar 6 sebagai berikt: Gambar 8 Grafik Perbandingan Wakt-Efisiensi Dengan Variasi Jmlah Pipa Gambar 34 itik Pengkran Alat Uji Gambar 6 itik Pengkran Alat Uji Keterangan gambar : 1 Smber air PDAM 2 Katp 3 Bak penyimpanan air 4 Katp 5 Pompa air 6 Katp 7 Flow meter 8 Kaki penyangga 9 emperatr air mask ( in ) 10 emperatr receiver atas ( Ra ) 11 emperatr receiver bawah ( Rb ) 12 emperatr reflector ( reflk ) Gambar 9 Grafik Perbandingan Antara Wakt- ot dan Wakt-I (Sema Variasi Jmlah Pipa) 15

6 I Gsti Ngrah Agng Aryadinata, Made Scipta dan Kett Astawa / Jrnal Ilmiah EKNIK DESAIN MEKANIKA mapn efisiensi yang dihasilkan sebesar Performasi terbaik ini didapatkan pada pkl 1240 kondisi caca cerah dengan besar intensitas matahari sebesar 1058 W/m 2 dan sdt kemiringan kolektor adalah 90 0 Daftar Pstaka Gambar 10 Grafik Perbandingan Antara Wakt- dan Wakt- (Sema Variasi Jmlah Pipa) 45 Pembahasan Kenaikan dan penrnan temperatr air kelar hampir dapat mengikti kenaikan dan penrnan dari intensitas matahari Pada wakt tertent, penrnan intensitas terjadi sangat drastis akan tetapi tidak di respon secara cepat oleh penrnan temperatr air kelar receiver, ini disebabkan oleh panas yang disimpan pasir pantai berwarna hitam masih dapat memanaskan air yang mengalir Kenaikan intensitas secara tiba-tiba tidak akan menaikkan temperatr kelar air dari receiver dikarenakan panas dari matahari diserap terlebih dahl oleh pasir pantai Pada sekitar pkl 1500 sampai dengan pkl 1700, temperatr air kelar receiver tidak terjadi penrnan secara drastis, ini disebabkan adanya penyimpan panas yang masih dapat memanaskan air didalam receiver yait pasir pantai Kenaikan dan penrnan temperatr air kelar dari 3 variasi jmlah pipa disebabkan oleh pembagian volme alir air pada masing-masing pipa absorber dalam receiver dimana volme air yang mask sebelm pipa absorber sama besar dengan volme air yang kelar dari pipa absorber Nilai energi bergna yang dihasilkan dipengarhi oleh besarnya temperatr kelar air ( ot ) dimana semakin besar ot maka energi bergna yang dihasilkan semakin besar sedangkan nilai efisiensi yang dihasilkan dipengarhi oleh besarnya energi bergna dan jga intensitas matahari [1] Arya Warsita, I Nyoman, (2011), Analisis Performansi Kolektor Srya Jenis blar dengan Menggnakan Pasir Sebagai Media Penyimpan Panas, Skripsi Program eknik Mesin, Fakltas eknik Universitas Udayana, Bali [2] Dwi Saptra I Made, (2010) Analisa Performansi Kolektor Srya erkonsentrasi Dengan Variasi Pipa Absorber Berbentk Spiral Mengnakan Pasir Sebagai Media Penyimpan Panas, Skripsi Program eknik Mesin, Fakltas eknik Universitas Udayana, Bali [3] Hendra Saptra I Wayan, (2014) Pengarh Media Penyimpan Panas Minyak Kelapa erhadap Unjk Kerja Kolektor Srya Pelat Datar Dengan Variasi Pipa Berbentk Spiral Untk Pemanas Udara, Skripsi Program eknik Mesin, Fakltas eknik Universitas Udayana, Bali [4] Incropera and DeWitt, (1996), Fndamentals of Heat and Mass transfer, Jhon Wiley & Sons, Inc, New York [5] Jansen, J alih bahasa oleh Prof Wirantoarismnandar, (1995), eknologi Rekayasa Srya, P Pradnya Paramita, Jakarta [6] Jhon A Dffie and William A Beckman, (1980), Solar Engineering Of hermal Energy Sistem, McGraw-Hill Book ompany, New York 5 Kesimplan Dari hasil pengjian yang dilakkan mengenai Performasi Kolektor Srya erkonsentrasi Dengan Variasi Jmlah Pipa Absorber Berbentk Spiral maka dapat disimplkan bahwa: 1) Semakin banyak jmlah pipa absorber maka energi bergna serta efisiensi yang dihasilkan kolektor srya semakin besar 2) Secara keselrhan dari pengjian variasi jmlah pipa terlihat bahwa kolektor srya dengan jmlah pipa 4 adalah kolektor srya dengan performasi terbaik baik dari sisi energi bergna yang dihasilkan sebesar 8072 J/s 16