PEMBUAT TANGKI PENYIMPAN AIR PANAS TENAGA SURYA MENGGUNAKAN BAHAN SERBUK GERGAJI BATANG KELAPA SEBAGAI ISOLATOR

Transkripsi

1 PEMBUAT TANGKI PENYIMPAN AIR PANAS TENAGA SURYA MENGGUNAKAN BAHAN SERBUK GERGAJI BATANG KELAPA SEBAGAI ISOLATOR Nazaruddin,*), Iskandar ) ) Jurusan Teknik Mesin Universitas Samudra * nazaruddin@unsam.ac.id ABSTRAK Penggunaan pemanas air bertenaga surya semakin populer dan semakin ekonomis. Hal penting yang harus diperhatikan dalam disainnya, pemanas ini harus dapat menjaga agar air tetap panas pada 2 jam kemudian. Untuk itu, maka sistem penyimpanan air panas dirancang sedemikian rupa untuk mengisolasi panas pada air selaman lebih dari 2 jam. Penelitian ini bertujuan untuk menguji kemampuan isolasi panas pada bahan alamiah yang digunakan yaitu serbuk gergaji pohon kelapa. Alat penyimpan air panas surya ini memiliki kapasitas 90 liter air. Tangki penyimpan air panas (water container) dibuat dari bahan aluminium dengan ketebalan,0 mm dan plat besi sebagai material sarung isolasi (isolation case). Tebal isolator sebesar 5 cm, dengan bentuk silinder silinder. Pada penggunaan serbuk gergaji batang kelapa, temperatur air awal 73 dan temperatur akhir 58. Kehilangan 5 o C setelah 2 jam dengan konduktivitas (k) 0,3070 W m. Dari hasil tersebut, diperoleh bahwa serbuk gergaji pohon K kelapa cukup baik untuk digunakan sebagai penghambat laju perpindahan panas. Kata Kunci: Karakteristik Termal, Penyimpan air, Isolator serbuk gergaji pohon kelapa. PENDAHULUAN Indonesia,sebagai negara tropis, merupakan negara yang kaya akan sinar matahari. Peluang untuk memanfaatkan energi matahari tersebut sangat besar, terutama pada musim kemarau. Salah satu aplikasi energi matahari yang semakin umum digunakan di kota-kota besar adalah sistem pemanas air yang memanfaatkan energi dari sinar matahari. Hal ini antara lain dikarenakan oleh kebiasaan masyarakat perkotaan untuk mandi pada waktu yang lebih awal karena harus berangkat ke kantor lebih pagi atau bisa juga dikarenakan kebutuhan untuk menghilangkan penat dan lelah sehabis bekerja seharian. Secara umum, pemanasan efektif energi matahari dimulai pada pukul 0 pagi hingga pukul 6 sore, sehingga efek pemanasan air oleh matahari pada waktuwaktu tersebut, dengan menggunakan pemanas airtenaga surya (solar water heater), dapat disimpan untuk kemudian dapat dipakai sebagai sumber air panas setelah 6 jam hingga 2 jam kemudian. Untuk dapat memenuhi kebutuhan ini, maka dibutuhkan suatu sistem isolasi panas yang dapat menyimpan panas dalam air untuk jangka waktu yang relatif lama (>2 jam). Penggunaan pemanas air bertenaga surya untuk memanaskan air dapat mengurangi tingkat pemakaian BBM yang kian hari kian terbatas. Oleh karena matahari hanya bersinar pada siang hari, maka tangki penyimpan air pada sistem pemanas bertenaga surya ini harus dapat menyimpan air panas yang telah dipanaskan sepanjang pagi hingga sore hari dapat digunakan 2 jam kemudian tanpa harus kehilangan panas yang dikandungnya secara drastis. Agar`dapat menjaga suhu panas pada air, maka sistem penyimpanan air panas harus dirancang sedemikian rupa untuk dapat mengisolasi panas pada air. Untuk keperluan ini akan dibutuhkan isolator yang dapat menjaga suhu air tetap tinggi untuk waktu yang lama (> 2 jam) 85

2 Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik material isolator panas dari bahan- alamiah ini mampu menghambat laju perpindahan panas. Material isolator yang akan digunakan adalah: serbuk gergaji pohon kelapabahan tersebutdipilih untuk digunakan dalam penelitian ini antara lain didasari oleh beberapa alasan antara lainkemudahan untuk mendapatkan materialtersebut di dalam wilayah Kota Langsa dan nilai ekonomismaterial yang digunakan.bahan isolator tersebut akan diuji untuk melihat karakteristik yang diinginkan sehingga dapat dimanfaatkan sebagai isolator yang dapat meminimalisir kebocoran panas secara lebih lama, paling sedikit dapat mempertahankan panas optimal pada air untuk waktu lebih dari 2 jam. Diharapkan pemanfaatan material isolator dari bahan alami ini dapat mendorong berkembangnya industri pengolahan bahan baku alami sebagai isolator panas yang selanjutnya diharapkan mampu menciptakan lapangan kerja bagi sebagian masyarakat lokal. Pemanasan air dengan menggunakan bahan bakar fossil semakin tidak menguntungkan karena harganya yang semakin hari semakin meningkat.sedangkan untuk pemanasan air dengan menggunakan bahan bakar kayu semakin jarang dilakukan selain membutuhkan kayu dalam jumlah yang relatif besar juga karena pengaruh kelangkaan bahan bakar kayu. Salah satu mode pemanasan air yang dapat dianggap menguntungkan serta relatif menjanjikan (feasible), adalah sistem pemanas air bertenaga surya, meskipun ada hambatan pada ketersediaan sumber sinar matahari yang tidak berkelanjutan (intermitten).energi dari matahari diperoleh secara gratis,sehingga biaya operasional pemanas surya relatif lebih rendah. Panas yang diperoleh dari sinar matahari akan disimpan dalam tangki penyimpan agar dapat tetap panas selama mungkin. Penyimpanan air panas dilakukan karena air panas tersebut tidak digunakan pada saat itu juga melainkan pada saat dibutuhkan pada waktu tertentu saja (on demand). Air panas disimpan dalam tangki pemanas air surya dan tangki pemanas air surya dirancang berdasarkan perhitungan. TEORI DAN PERALATAN Teori Perpindahan Panas Agar dapat memperlambat proses pelepasan panas,maka dibuatlah isolator mengelilingi tangki penyimpan air panas. Isolator yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Serbuk gergajian pohon kelapa. Panas yang dikandung dalam air akan mengalir melepaskan dari sistem panas dalam air melewati dinding alumunium (r ke r 2 ). Panas yang keluar melalui r 2 akan di hambat menggunakan isolator alami (r 2 r 3 ) dan kemudian mengalir keluar melalui selimut luar (casing) secara perlahan-lahan (r 3 r 4 ). Mekanisme perpindahan panas pada tangki penyimpan air panas dapat dilihat pada Gambar 2. berikut ini.[5] Gambar. Mekanisme Perpindahan Panas pada Tangki Penyimpan air panas Sumber: Pikra. G. (200) Panas dalam Air Kapasitas penyimpanan panas pada tangki dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: Q = ρ v C t p T... () DimanaQ adalah kalor yang disimpan (KJ), adalah kepadatan air (kg/m 3 ), v adalah volume tangki (m 3 ), C p adalah panas spesifik fluida (KJ/kg. 0 C) dan T =T 0 T a ) serta t adalah waktu penyimpanan air dalam tangki 86

3 Gambar 2. skema laju aliran panas (kiri) dan jala-jala thermal (kanan) Sumber: Pikra. G. (200) Perpindahan Panas Pada Dinding dan Penutup Tangki Secara umum, perpindahan panas dari air panas dalam tangki penyimpan hingga mengalami penurunantemperatur.penurunan temperatur tersebut secara ringkas dapat dilihat melalui gambar 2. Rugi-rugi panas yang terjadi di dalam tangki penyimpan air panas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan tahan thermal 2 hingga persamaan 4.[5]. R = h c 2πr l... (2) R = ln r 2 r 2πk mi l... (3) R = h u 2πr 2 l... (4) dimana R adalah tahanan thermal pada plat alumunium ( o K/W), R 2 adalah tahanan thermal pada isolator ( o K/W), R 3 adalah tahanan thermal pada plat besi ( o K/W), hc adalah koefesien konveksi panas pada fluida (W/m 2. o K), h u adalah koefesien konveksi panas pada udara luar, r jari-jari bagian dalam (m), l tinggi tangki, r 2 adalah jari-jari dari pusat ke isolator bagian luar (m), k mi adalah konduktifitas thermal material isolator (W/m. o K). Rugi-rugi panas pada dinding tangki penyimpan panas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 5 berikut. Q dt = T T =...(5) R tot R +R 2 +R 3 DimanaQ dt adalah rugi-rugi panas pada dinding tangki penyimpan air panas (W) Rugi-rugi panas yang melalui kedua sisi dinding tangki dapat dihitung dengan menggunakan persamaan tahan thermal 6 hingga 8 berikut ini:[5]. R = h c πr 2... (6) R = x k mi πr 2... (7) R = h u πr 2... (8) dimana R adalah tahanan thermal dari fluida ke pelat alumunium pada sisi atas ( o K/W),R 2 adalah tahanan thermal dari pelat alumunium ke isolator ( o K/W) pada sisi atas tangki, danr 3 adalah tahanan thermal dari pelat besi ke udara luar ( o K/W) pada bagian sisi atas tangki. Selanjutnya rugi-rugi panas pada kedua sisi atas dan bawah dihitung sebagai: Q tt = 2 T R +R 2 +R 3... (9) DimanaQ t adalah rugi-rugi pada kedua sisi atas dan bawah tangki (W) Sehingga rugi-rugi panas keseluruhan pada tangki penyimpan air panas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini: Q HT = Q dt + 2 Q tt... (0) dimanaq HT adalah rugi-rugi panas keseluruhan pada tangki penyimpan air panas (W) MATERIAL ISOLATOR ALAMIAH Jenis material isolator yang digunakan pada penelitian ini, merupakan isolator alamiah dari bahan organik yang tersedia di alam, yaitu: serbuk gergaji batang kelapa. fungsi bahan isolator pada penelitian ini adalah sebagai penghambat panas. Karakteristik visual material isolator yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3. 87

4 Adapun dimensi tangki penyimpan air panas (water container) direncanakan terbuat dari bahan aluminium dengan ketebalan,0 mm dan plat besi akan digunakan sebagai material sarung isolasi(isolation case). Tebal isolator direncanakan sebesar 5 cm, tangki tersebut berbentuk silinder. Dimensi alat secara lebih lengkap dan detail dapat dilihat melalui Tabel dan Gambar 4. Gambar 3. Serbuk gergaji batang kelapa PERALATAN PENGUJIAN Penelitian ini dilaksanakan selama 6 (enam) bulan di Laboratorium Thermal dan Fluida Jurusan Teknik Mesin Universitas Samudra, termasuk persiapan alat hingga pengambilan data. Perencanaan Alat Penyimpan Air Panas Alat penyimpan air panas surya ini direncanakan sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan, antara lain pertimbangan pasar dan kegunaan utama alat. Alat penyimpan air panas surya ini harus mampu menyimpan air panas dengan kapasitas 90 liter air. Angka ini diperoleh berdasarkan asumsi bahwa masingmasing orang rata-rata menggunakan 30 liter air panas untuk satu kali mandi, oleh karena itu kapasitas 90 liter dapat digunakan untuk 6 kali mandi atau untuk 6 orang masing-masing satu kali mandi. Tabel. Dimensi Alat Penyimpan Air Panas Isolator yang akan diteliti, sebagaimana telah dijelaskan pada bagian sebelumnya yaituserbuk pohon kelapa. Oleh karena itu, alat pengujian dibuat sedemikian rupa sehingga memudahkan proses penelitian isolator yang akan diteliti. Gambar 4. skema rencana pembuatan alat penyimpan air panas yang akan digunakan dalam penelitian (a) Tampak Perspektif (Transparan) dan (b) Dimensi Tangki Pada pembuatan alat, yang harus menjadi pertimbangan penting adalah bahan yang digunakan untuk tangki penyimpanan air panas dan material yang digunakan untuk isolator.material yang digunakan sebagai tangki air harus memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi karena material akanselalu bersentuhan (contact)dengan air, sehingga dipilih aluminium yang relatif tahan terhadap korosi serta mudah didapat di dekat lokasi penelitian. Plat aluminium dibentuk membentuk silinder, dengan kedua sisi atas dan bawah ditutup dan dipatri sehingga silinder tidak bocor saat diisi air. Sebagai sarung isolator, digunakan plat besi, dengan asumsi bila terjadi pemadatan material, maka plat isolasi tersebut tidak gembung. Bahan baku serbuk gergajianpohon kelapa ditempatkan sebagai penyangga diantara tangki penyimpan air panas dengan sarung isolator dan ditempatkan sedemikian rupa sehingga tangki penyimpan tepat berada ditengah-tengah objek dan terjaga dari bersentuhan secara langsung dengan udara luar. Bentuk alat untuk melakukan pengujian yang telah berhasil dibuat dapat dilihat pada gambar berikut ini. 88

5 HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil pengujian dan pengukuran distribusi temperatur air panas dalam tangki pada peralatan pemanas air surya telah di peroleh. Pengukuran temperatur ini dilakukan dibagian tertentu yang dianggap mempengaruhi prestasi peralatan tangki penyimpan air panas surya selama waktu 2 jam dengan selang waktu pengukuran 30 menit. Pada penelitian ini, distribusi temperatur pada daerah yang akan dikaji sangat dipengaruhi oleh karakteristik isolator yang akan digunakan untuk pengujiannya peralatan ini menggunakan serbuk isolator pohon kelapa, hasil pengujian dari isolator yaitu:. Tangki pemanas surya tanpa isolator 2. Tangki pemanas surya menggunakan serbuk pohon kelapa KARAKTERISTIK MATERIAL DASAR ISOLATOR Sebelum digunakan untuk penelitian, bahan isolator di timbang terlebih dahulu dalam keadaan basah kemudian dijemur sampai benar-benar kering, kemudian ditimbang lagi. Penjemuran bahan isolator memerlukan waktu 2 sampai 3 hari, bahan isolator ditimbang menggunakan timbangan gantung. Untuk menghitung kepadatan material isolator, perlu dihitung volume isolator yaitu V i = πr 3 2 l 2 πr 2 2. l... () di mana: r 2 = 0,276 m dan l = 0,8 m, r 3 = 0,425 m,l 2 =,0 m sehingga dapat dihitung volume isolator sebesar 0,4325 m 3. Berdasarkan perhitungan menggunakan pendekatan di atas, maka diperoleh hasil sebagaimana diperlihatkan pada tabel 2. Tabel 2.. Karakteristik dasar isolator alami yang digunakan dalam penelitian Jenis Isolator Serbuk Gergaji Batang Kelapa Berat Basah (kg) Berat Kering (kg) Kadar Air (%) Kepadat an (kg/m3) ,97 367,63 Gambar 5. Grafik Perubahan Temperatur pada pemanas air surya tanpa isolator Pada Tangki penyimpan air panas surya tanpa menggunakan isolator, temperatur awal air panas adalah 73 o C, selama 2 jam berikutnya, penurunan temperatur dicatat setiap 30 menit sekali. Terjadi penurunan temperatur o C setiap 30 menit sekali selama,5 jam (70 o C) dan 30 menit berikutnya temperatur tetap bertahan (70 o C), kemudian temperatur turun lagi menjadi 69 o C. Selanjutnya temperatur turun secara teratur o C setiap 30 menit selama.30 WIB menit dan temperatur ahir menjadi 50 o C. Jadi air panas yang disimpan kehilangan temperatur 23 o C selama 2 jam. Grafik hasil pengujian pada tangki penyimpan air panas tanpa menggunakan isolator diperlihatkan pada Gambar 5. PENGARUH ISOLATOR TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR Isolator berfungsi sebagai penghambat panas, dengan kata lain agar panas tidak dapat melewati batas sistem yang mempunyai temperatur tinggi ke sistem lain atau ke lingkungan nya yang bertemperatur rendah. Percobaan ini telah dilakukanmenggunakan tangki pemanas air surya berisi 90 liter air dengan isolator. Setiap persobaan selalu menggunakan tangki dengan kapasitas yang samapada setiap penelitian. secara ringkas dapat dapat dilihat dalam bentuk grafik pada gambar 6. 89

6 Gambar 6. Perubahan temperatur air dalam tangki pemanas air surya per satuan waktu pada jenis isolator alami Pada penggunaan isolator serbuk gergaji batang kelapa, terjadi penurunan temperatur o C setiap 30 menit sekali selama jam (7 o C) dan 30 menit berikutnya temperatur tetap bertahan (7 o C), kemudian temperatur turun lagi menjadi 70 o C. Selanjutnya temperatur bertahan selama 3 jam dan turun menjadi 69 o C. Kemudian temperatur turun secara tidak teratur setiap jam -.30 jam yaitu o C selama percobaan selesai. Jadi air panas yang disimpan kehilangan temperaturnya selama 2 jam adalah 5 o C. Jika penurunan temperatur air dalam tangki penyimpan air panas yang menggunakan isolator alami (serbuk gergaji pohon kelapa), dibandingkan dengan dengan grafik hasil pengujian tanpa isolator, maka isolator serbuk gergaji pohon kelapa memperlihatkan penurunan temperatur yang relatif lebih lambat dibandingkan grafik hasil pengujian tanpa isolator. Kehilangan temperatur yang terjadi selama kurun waktu 2 jam hanya 9 o C. Sedangkan pengujian tanpa isolator mengalami kehilangan temperatur yang relatif lebih besar dari 5 o C. Sehingga serbuk gergaji pohon kelapa memperlihatkan daya redam kalor yang lebih baik. Pembahasan. Pada tangki penyimpanan air panas surya tanpa isolator, suhu air panas turun secara teratur dan relatif cepat karena energi termal yang keluar melalui dinding tangki tidak dihambat oleh penghambat panas (isolator). Suhu air dapat dipertahankan dari temperatur 73 C turun menjadi 50 C selama 2 jam, sehingga total kehilangan temperatur adalah 23 C. Kemudian pada pengujian menggunakan serbuk gergaji batang kelapa sebagai isolator. Butiran-butiran sebuknya pada saat pemadatan besar kemungkinan terjadinya rongga-rongga udarayang cukup berarti, dikarenakan butiran serbuk saling mengikat secara sempurna (rapat) satu sama lain. Sehingga energi termal tidak mudah menembus isolator dan keluar lingkungan. Maka oleh karenanya suhu air turun lebih lambat dari percobaan. Suhu air dapat dipertahankan dari temperatur 73 C turun menjadi 58 C selama 2 jam, dengan total kehilangan temperaturnya adalah 5 C. Dari kesemua percobaan, temperatur air turun tidak seragam antara percobaandan 2, ini semua dikarenakan material isolator yang digunakan dan tanpa isolator, berbeda pada setiap percobaan dan faktor lain dimungkinkan juga adanya celah (pori-pori) udara pada isolator atau pemadatan isolator tidak merata sehingga turunnya temperatur air panas tidak teratur (temperaturnya naik turun). Namun demikian dari percobaan tersebut, ternyata material (serbuk gergaji pohon kelapa) sangat baik digunakan sebagai isolator karena suhu air dapat dipertahankan tetap tinggi dan air mengalami kehilangan energi termal dalam jumlah yang relatif cukup kecil, yaitu 5 C, setelah masa pengujian 2 jam. 5. KESIMPULAN Dari hasil pengujian dan pembahasan data pada penelitian ini dapat diambil kesimpulan yaitu:. Dari kedua percobaan menggunakan material isolator dengan yang tidak menggunakan isolator pada penelitian ini, bila dibandingkan datanya dapat diambil kesimpulan bahwa tangki penyimpan air panas yang menggunakan isolator serbuk gergaji pohon kelapa sangat baik digunakan sebagai penghambat panas (isolator), pada pengujian serbuk gergaji pohon kelapa hanya kehilangan temperatur 5 setelah 2 jam penyimpanan air (temperatur awal 73, temperatur akhir 58 karena konduktivitas dari serbuk gergaji pohon kelapa kecil yaitu 0,

7 semangkin kecil konduktivitas dari suatu material, semangkin kecil pula daya hantar panas material tersebut. 2. Kepadatan material isolator sangat penting, semangkin tinggi kepadatannya semangkin kecil kehilangan laju perpindahan panas dan kemungkinan kecil terjadinya pori pori (rongga rongga) pada isolator, tujuannya agar panas tidak mudah terlepas dari sistem; 3. Kekeringan material isolator sangat penting, bila materialnya basah maka kehilangan energi termal sangat cepat, karena energi termal terserap oleh material isolator yang basah. 6. SARAN Pada pengujian ini, material isolator belum pernah dihitung kadar air dalam masing-masing material isolator secara detail menggunakan alat pengukur kadar air. Sehingga ke depan, bagi peneliti yang berniat melanjutkan penelitian ini, dapat menambah atau mengukur variasi kadar air dalam material isolator untuk melihat pengaruh temperatur air terhadap laju pengurangan panas dalam air yang telah dipanaskan oleh sinar matahari. DAFTAR PUSTAKA []. Dracker, R., Rifflemann, K.J., (2008, July), Integrated Thermal Storage For Concentrating Solar Power, Integrated Energy Policy Report Workshop July , Solar Millennium LLC, Berkeley, CA. [2]. Duffie, J.A., Beckman, B.A., (99), Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd edition, Singapore: John Wiley and Sons, Inc,. [3]. Incropera, F.P., De Witt, D.P., (990), Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 3rd edition, Singapore: John Wiley and Sons, Inc. [4]. J.P. Holman, 990. Heat Transfer, 7th ed. McGraw Hill, New York. [5]. Pikra G., Salim A., Admono T., Devi I., 200, Analisis Rugi-rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari, Journal of Mechatronics, Electrical Power and Vehicular Technology Vol. 0 No., 200, p. 3-8 [6]. Pitts D. R., Sissom E. L. 20, Perpindahan Kalor, edisi 2, Erlangga, Jakarta. [7]. Reynolds,W. C., Perkins, H. C. 99, Termodinamika Teknik, terjemahan Filino H., Silaban P., Erlangga, Jakarta. [8]. Rush, T.A., Newell, T.A., Jacobi, A.M. 999, An Experimental study of flow and heat transfer in sinusoidal wavy passages, Int. J. Heat Mass Transfer 42, p [9]. Stoecker W. F., Jones J. W., 983, Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill Education, Singapore [0]. Tamme, R., Laing, D., Steinmann, W.D., (2003), Advanced Thermal Energy Storage Technology For Parabolic Trough, Proceedings of ISEC 2003, 2003 International Solar Energy Conference, Hawaii, pp