PENGARUH BESAR LAJU ALIRAN AIR TERHADAP SUHU YANG DIHASILKAN PADA PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN PIPA TEMBAGA MELINGKAR

Transkripsi

1 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 1 ISSN (E) : PENGARUH BESAR LAJU ALIRAN AIR TERHADAP SUHU YANG DIHASILKAN PADA PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN PIPA TEMBAGA MELINGKAR Imad Haraki Faisal 1) ;Ch.Rangkuti 2) 1), 2) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti 1) imadharaki@yahoo.com 2) chalil@trisakti.ac.id Abstrak Pemanas air tenaga surya merupakan sistem pemanasan air dengan prinsip menyerap energi matahari dan menukarnya menjadi energi panas pada air yang kemudian dapat digunakan untuk keperluan rumah tangga. Komponen sistem terdiri dari kolektor surya dan tangki penyimpan air, untuk kolektor surya terdiri dari plat penyerap dari aluminium, pipa tembaga melingkar serta isolasi kaca dan stryrofoam. Untuk mengetahui performa dari sistem ini, maka dilakukan pengujian dengan memvariasikan besar laju aliran air untuk mencari efisiensi tertinggi yang bisa dihasilkan sistem. Pengujian dilakukan dengan memanaskan air berkapasitas 60 liter dan data yang digunakan adalah perbedaan besar laju aliran air yang disirkulasikan yaitu divariasikan dari 0,4 Liter Per Menit (LPM), 0,6 LPMdan 1 LPM.Pengambilan data dan pengujian dilakukan di daerah Jakarta Barat selama 3 hari dengan waktu 6 jam untuk setiap variasi aliran air, kemudian data pengujian akan dicatat dalam interval waktu setiap 30 menit. Dari hasil pengujian ini diperoleh suhu tertinggi yang dicapai adalah 67,8 o C terjadi setelah 4 jam pengujian pada laju aliran 0,4 LPM.Sementara kenaikan suhu rata-rata tertinggi per jam adalah 17,69% pada laju aliran 0,4 LPM, kemudian 16,56% per jam pada 0,6 LPM dan terendah 13,98% per jam pada 1 LPM.Untuk efisiensirata-rata tertinggi yang dicapai adalah 32,26% pada laju aliran 0,4 LPM dan terendah 24,33% pada 0,6 LPM. Dapat disimpulkan bahwa semakin kecil laju aliran air, maka akan semakin cepat dan tinggi suhu air panas yang dihasilkan. Kata Kunci: Kolektor surya, Pemanas air tenaga surya, Pipa tembaga melingkar, Laju aliran air. Pendahuluan Upaya manusia untuk meningkatkan penggunaan energi terbarukan terus meningkat dan berkembang dari tahun ke tahun mengingat ketersediaan energi fosil semakin lama semakin menipis karena tidak dapat diperbarukan. Energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan secara gratis adalah energi matahari, salah satupenggunaannya adalah untuk memanaskan air yang dapat digunakan untuk keperluan rumah tangga. Selain menghemat listrik, memanaskan air dengan tenaga matahari juga terbilang tidak memberikan efek negatif pada lingkungan. Faktor lainnya yang cukup mendukung pemanfaatan energi matahari ini adalah letak geografis negara Indonesia di garis Khatulistiwa. Menurut data insolasi matahari dari Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) Indonesia,radiasi matahari rata-rata yang terjadi di Indonesia adalah 4,8 kwh/m 2 /hari, sehingga memiliki potensi yang cukup banyak untuk bisa dimanfaatkan sebagai pemanas air. Meskipun sistem pemanas air tenaga surya konvensional telah banyak diproduksi, namun harga yang ditawarkan oleh produsen masih terbilang cukup mahal sehingga tidak semua golongan masyarakat mampu menggunakan dan menikmati pemanas air tenaga surya ini. Hasil inovasi yang dilakukan beberapa peneliti menyatakan bahwa dapat dibuat suatu pemanas air tenaga surya alternatif secara mandiri yang murah, mudah dan juga 125

2 terjangkau semua lapisan masyarakat. Oleh karena itu, Penulis telah merancang dan membuat sebuah sistem pemanas surya sederhana berkapasitas 60 liter yang akan dilakukan pengujian performa dengan cara mencari pengaruh besar laju aliran air terhadap suhu yang dihasilkan sehingga dapat diketahui efisiensi tertinggi untuk sistem ini. Studi Pustaka Penelitian Terdahulu Penelitian yang dilakukan oleh Sumantodalam jurnal yang berjudul "Perbedaan laju aliran panas yang diserap air dalam pemanas air bertenaga surya ditinjau dari perbedaan laju aliran air dalam pipa kolektor panas " terhadap kolektor surya dengan pipa membentuk zigzag, menyimpulkan bahwa perbedaan laju aliran air dalam pipa penyerap pada sistem pemanas air tenaga matahari mempengaruhi perbedaan laju aliran panas yang diserap oleh air tersebut. Kyoung Hoon Kim telah melakukan penelitian yang tertuang dalam jurnal "Influence Analysis of Fluid Flow Conditions on the Efficiency of Solar Flat Plate Collectors" tentang pengaruh kondisi aliran fluida terhadap efisiensi kolektor plat datar dan telah menyimpulkan efisiensi kolektor surya meningkat dengan meningkatnya laju aliran air atau dengan semakin rendahnya suhu awal air yang dipanaskan. Farid. A. & Ismail.N. R dalam jurnal "Pengaruh Pelat Penyerap Ganda Model Gelombang Terhadap Kinerja Solar Water Heater Sederhana", menyimpulkanbahwa semakin besar laju aliran akan menyebabkan waktu dari fluida kerja untuk menyerap panas lebih sedikit, sehingga berpengaruh terhadap efisiensi yang dihasilkan pemanas air tenaga surya. Berdasarkan studi literatur dari penelitian terdahulu telah banyak dilakukan penelitian tentang pemanas air tenaga surya dengan berbagai tipe dan ditemukan adanya pengaruh besar laju aliran terhadap suhu dan efisiensi yang dihasilkan sistem pemanas air tenaga surya. Pada penelitian ini, akan dilakukan penelitian pengaruh besar laju aliran pada pemanas air tenaga surya dengan pipa tembaga melingkar. Persamaan Matematika Perhitungan kebutuhan energi dinyatakan dalam rumus berikut: (Duffie, Hal.290) (1) ( ) ௪ ܥ ܯ = Dimana: Q M C pw T h T c = Jumlah panas (W) = Debitair (kg/s) = Panas spesifikair (J/kg. C) = Suhu air akhir ( C) = Suhu air awal ( C) Effisiensi kolektor adalah: (Duffie, Hal.238) (2) ܫ ܣ/ = ߟ Dimana: Q=Jumlah panas (W) A c =Luas kolektor (m 2 ) I = Insolasi matahari (W/m 2 ) 126

3 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 1 ISSN (E) : Prinsip Kerja Pemanas Air Tenaga Surya Prinsip dasar kerja pemanas air tenaga surya adalah pada saat matahari bersinar, lempengan penyerap panas yang ada dalam panel kolektor akan menangkap radiasi sinar matahari dan mengalirkan panassecara konduksi ke pipa tembaga, kemudian air yang disirkulasikan dalam pipa tembaga tersebut akan menerima perpindahan panas secara konveksi dari pipa tembaga, sehingga suhu air di dalam pipa tersebut perlahan meningkat. Untuk sisitem aktif pada dasarnya air dingin akan disirkulasikan oleh pompa dari dalam tangki ke dalam kolektor surya dan air yang telah panas akan kembali ke dalam tangki, proses ini akan berkesinambungan sehingga mencapai suhu air panas yang dirancang untuk sistem seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1.Skematik prinsip kerja pemanas air tenaga surya Metodologi Penelitian Sistem yang digunakan dalam pengujian ini adalah kolektor surya plat datar dengan pipa tembaga melingkar. Sistem ini dibuat agar dapat memanaskan air sampai suhu mencapai 60ºC. Bagian kolektor surya dibuat dengan menggunakan bahan kayu sebagai kerangka kolektor, didalamnya terdapat insulasi, lempengan penyerap panas dari plat aluminium dan juga pipa tembaga, kemudian ditutup dengan kaca agar dapat menahan panas yang telah di diserap oleh penyerap panas dalam kotak kolektor, agar kemampuan penyerapan panas semakin tinggi dan lebih cepat, maka penyerap panas dan pipa tembaga ini di cat hitam. Sementara untuk tangki penyimpan air digunakan drum air plastik yang kemudian diberi insulasi agar dapat memperlambat kehilangan panas dari air yang telah dipanaskan. Untuk memposisikan kolektor surya agar berada tegak lurus dengan sudut datangnya insolasi matahari, maka kolektor akan diletakkan diatas rangka penyangga besidengan sudut kemiringan 20 o. 127

4 Gambar 2.Kolektor surya Tabel 1. Spesifikasi kolektor surya Luas kolektor 1,2 m 2 (1200 mm x 1000 mm) Penutup atas kolektor Kaca bening ketebalan 3 mm Pipa kolektor Pipa tembaga diameter 3/8", panjang 15 m dan jarak antar lingkaran pipa 4cm Plat penyerap Plat alumunium ketebalan 0,8 mm Insulasi Styrofoam ketebalan 4 cm dan massa jenis 22 kg/m 3 Pengambilan Data Pengujian Pengujian dilakukan di daerah Jakarta Barat selama 3 hari dimana 3 data masingmasing diambil dengan laju aliran yang berbeda-beda yaitu pada 0,4 LPM, 0,6 LPMdan 1 LPM. Volume air yang diuji adalah 60 liter dan dilakukan selama 6 jam untuk setiap variasi laju alirannya, kemudian data akan diambil dalam rentang waktu setiap 30 menit. Air disirkulasikan dalam kolektor dengan menggunakan sebuah pompa air yang diletakkan didalam tangki air, pada bagian pipa inlet dan outletdipasang termometer untuk mengukur suhu air yang masuk dan keluar pipa penyerap panas, dan laju aliran air dapat diatur dan divariasikan dengan katup. Waktu pengujian dan pengambilan data adalah sebagai berikut: 1. Senin, 24 Juli Pengujian pada laju aliran 0,4 LPM 2. Rabu, 26 Juli Pengujian pada laju aliran 0,6 LPM 3. Kamis, 27 Juli Pengujian pada laju aliran 1 LPM Alat Pengujian Tabel 2. Spesifikasi alat pengujian Alat Ketelitian Termometer bimetal ±1,6%-2,5% Solarmeter tm 206 ± 10W/m 2 [±3 BTU / (ft 2.h)] / ±5% Gelas ukur - Prosedur Pengujian 1. Mengisi air dalam tangki dan memposisikan kolektor menghadap cahaya matahari. 2. Menjalankan pompa air. 128

5 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 1 ISSN (E) : Mengaturbukaan katup dan menyesuaikan dengan besar laju aliran yang diperlukan untuk disirkulasikan kedalam kolektor. 4. Perubahan suhu air pada pipa inlet dan outletakan ditunjukkan pada termometer dan data suhu ini dicatat setiap 30 menit selama 6 jam untuk setiap variasi besar laju aliran air. Gambar 3.Skematik alat pengujian Keterangan: 1. Kolektor surya 9. Katup pengatur aliran 2. Pipa penyerap 10. Pipa paralon 3. Kaca 11. Power Source pompa 4. Plat penyerap 12. Tangki air dengan insulasi panas 5. Rangka penyangga 13. Selang distributor dengan insulasi panas 6. Pipa keluar air 14. Termometer (Inlet) 7. Termometer (Outlet) 15. Pipa masuk air 8. Selang distributor Hasil dan Pembahasan Contoh perhitungan energi panas yang diserap oleh airadalah: ) ( ௪ ܥ ܯ = = (6,8x10 ଷ kg/s 4180 J/kg. )(38,2 31 ) = 204,65 J s = 204,65 W Sehingga efisiensi dapat dihitung dengan rumus berikut: = ߟ ܫ ܣ/ = ߟ 204,65 1,2 ଶ 891 / ଶ 100% = 19,14 % ߟ 129

6 Suhu Air Panas Yang Dihasilkan Tabel 3. Data dan hasil pengujian Waktu (Jam) Q1= 0,4 LPM = 6,8x10-3 kg/s T c T h Insolasi ( o C) ( o C) Matahari,I Q2 = 0,6 LPM = 0,0102 kg/s T c T h Insolasi ( o C) ( o C) Matahari,I Q3 = 1 LPM = 0,017 kg/s T c T h ( o C) ( o C) Insolasi Matahari,I (W/m 2 ) (W/m 2 ) (W/m 2 ) 09: , ,2 35, ,6 37, :30 34,3 45, , ,3 40, :00 36,8 50, ,4 46, ,2 43, :30 39,8 54, ,8 50, , :00 42,3 58, ,9 52, , :30 12:00 45,1 47,2 61,8 62, ,8 50,3 56,2 59, , ,2 55,9 12:30 49,4 65, ,1 61, ,9 57,2 13:00 50,8 67, ,8 56, ,2 54,3 13:30 52,3 66, ,9 60, ,6 55,2 14:00 53,8 65, ,4 62, , :30 54,9 64, ,3 61, ,4 56, :00 55,5 63, ,2 62, ,8 58, Gambar 4. Grafik hubungan suhu air yang dihasilkan terhadap waktu dari variasi laju aliran Dari Gambar 4 terlihat adanya perbedaan suhu air yang dihasilkan untuk setiap variasi laju aliran, suhu air tertinggi yang dicapai oleh sistem adalah 67,8 o Cyang terjadi pada laju aliran 0,4 LPM. Suhu ini dicapai pada jam 13:00 WIB atau setelah 4 jam pengujian dengan nilai rata-rata insolasi matahari 995,8 W/m 2 dalam kondisi cuaca yang sangat cerah.kenaikan suhu tertinggi adalah 17 o C terjadi pada laju aliran 0,4 LPM sementara terendah hanya 1,4 o C dan 1,1 o C yang terjadi pada laju aliran 0,6 LPM dan 1 LPM pada jam 13:00 WIB pada hari yang berbeda. Hal ini dikarenakan oleh penurunan intensitas insolasi matahari secara drastis pada saat lepas dari kondisi puncak insolasi pada siang hari dan mengalami perubahan kondisi cuaca menjelang sore hari, yang cenderung mendung dan berawan sehingga insolasi matahari yang diterima oleh kolektor menjadi terhalang oleh gumpalan awan. Dan setelah pengujian selama 6 jam didapatkan perubahan suhu tertinggi terjadi pada laju aliran 0,4 LPM yaitu 31 o C-63,9 o C atau naik 130

7 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 1 ISSN (E) : ,9 o C dengan insolasi matahari rata-rata 966,92 W/m 2, sementara pada laju aliran 0,6 LPM mengalami kenaikan 31 o C dengan insolasi rata-rata 954,31W/m 2 dan terendah pada laju aliran 1 LPM dengan kenaikan 26,5 o C dengan insolasi rata-rata 935,23 W/m 2. Efisiensi Pemanas Air Tenaga Surya Tabel 4. Nilai panas yang diserap air dan efisiensi Waktu (Jam) Q1= 0,4 LPM = 6,8x10-3 kg/s Q2 = 0,6 LPM = 0,0102 kg/s Q3 = 1 LPM = 0,017 kg/s Q ߟ Efisiensi, Q ߟ, Efisiensi Q (%)ߟ, Efisiensi (Watt) (%) (Watt) (%) (Watt) 09:00 204,65 19,14 179,07 35,28 447,68 40,82 09:30 321,19 28,75 294,19 25,09 348,20 37,50 10:00 397,94 32,80 375,20 29,14 383,72 32,70 10:30 420,67 33,13 417,83 32,63 447,68 35,60 11:00 451,94 35,20 362, ,15 30,34 11:30 474, ,78 32,84 412,15 32,74 12:00 432,04 36,33 405,04 31,37 419,25 31,03 12:30 466,15 37,42 370,93 28,10 376,62 29,90 13:00 483,21 42,10 59,70 9,13 78,17 11,80 13:30 400,78 34,47 200,39 16,90 113,70 12,26 14:00 341,09 27,38 247,29 19,46 227,39 20,07 14:30 275,71 26,44 174,81 14,74 170,54 16,21 15:00 238,76 27,18 170,54 14,60 234,50 20,79 Gambar 5. Grafik hubungan efisiensi terhadap waktu dari variasi laju aliran. Dari Gambar 5terlihat efisiensi tertinggi yang dapat dicapai adalah 42,10% pada laju aliran 0,4 LPM, sementara terendah 9,13% pada 0,6 LPM. Sementara efisiensi ratarata tertinggi terjadi pada laju aliran 0,4 LPM yaitu 32,26%, kemudian pada 0,6 LPM adalah 24,33% danpada 1 LPM adalah 27,06%.Dari pengamatan di lapangan pada waktu pengujian, efisiensi rata-rata pada laju aliran 0,6 LPM mengalami penurunan drastis pada jam 13:00 WIB dikarenakan penurunan jumlah insolasi matahari. Disamping faktor insolasi yang berkurang tersebut, tiupan angin menyebabkan perpindahan panas yang signifikan dari kolektor ke ambien, sehingga menyebabkan panas yang masuk ke air menjadi menurun secara drastis.faktor lainnya adalah terjadi perubahan suhu ambien 131

8 yang cenderung lembab sehingga kolektor tidak mampu menyerap panas dengan maksimal. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambilkesimpulan sebagai berikut: 1. Kenaikan suhu rata-rata per jam tertinggi adalah 17,69% terjadi pada laju aliran 0,4 LPM, sementara pada laju aliran 0,6 LPM rata-rata kenaikan suhu adalah 16,56% per jam dan terendah pada laju aliran 1 LPM yaitu sebesar 13,98 % per jam, sehingga dapat disimpulkan bila semakin kecil laju aliran air, maka semakin tinggi suhu yang akan dihasilkan kolektor surya. 2. Efisiensi rata-rata tertinggi yang dicapai sistem adalah 32,26% yang terjadi pada laju aliran 0,4 LPM. Nilai efisiensi ini lebih tinggi 35,60 % berbanding efisiensi rata-rata yang dihasilkan pada laju aliran 0,6 LPM dan 19,22 % lebih baik berbanding efisiensi pada laju aliran 1 LPM. 3. Selain faktor besar laju aliran air, intensitas insolasi matahari, pergerakan angin dan suhu lingkungan jugasangat berpengaruh pada performa dan efisiensi sistem pemanas air tenaga surya. Daftar pustaka Bharathi, Bharath, Deepan, Harirajamoorthy, 2016,Performance and analysis of Flat plate Spiral copper Tube in Black Body Solar Water Heater by Thermoshyphon Method International Conference on Breakthrough in Engineering, Science & Technology(INC- BEST 16). Duffie, J.A& Beckman W.A. 1991,SolarEngineering for Thermal Process, JohnWilley & Sons, New York. Edward E. Anderson, 1932,Fundamentals of Solar Energy Conversion, Addison-Wesley, Massachusetts. Farid, A. & Ismail, N. R, 2011, Pengaruh Pelat Penyerap Ganda Model Gelombang Terhadap Kinerja Solar Water Heater Sederhana. Widya Teknika. 19 (1): Kyoung Hoon Kim, 2013, Influence Analysis of Fluid Flow Conditions on the Efficiency of Solar Flat Plate Collectors. International Journal of Mining, Metallurgy & Mechanical Engineering (IJMMME) Volume 1, Issue 4.. Sumanto, 2009, Perbedaan laju aliran panas yang diserap air dalam pemanas air bertenaga surya ditinjau dari perbedaan laju aliran air dalam pipa kolektor panas, JurnalFlywheel, Volume 2, Nomor