PEMANAS AIR SURYA Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan

Transkripsi

1 PEMANAS AIR SURYA Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung Oleh Rahadian Effendi PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Tugas Sarjana Judul PEMANAS AIR SURYA Rahadian Effendi Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Perancangan, pembuatan, instalasi dan pengujian dari pemanas air surya telah dilakukan. Pemanas air tersebut dirancang dengan kapasitas 300 liter dan luas total kolektor surya 2,8 m 2. Aliran air didalam sistem terjadi secara natural (thermosyphon). Pemanas air tersebut dipasang di rumah tinggal di daerah Bandung dan diuji secara riil selama dua bulan berturut-turut. Pengujian lapangan dilakukan untuk mengetahui sejarah temperatur tangki ketika sistem beroperasi. Selain itu pengujian dilakukan untuk mengetahui efisiensi harian sistem pemanas air surya. Dilakukan juga perhitungan teoritik dan membandingkan hasilnya dengan hasil pengujian. Hasil pengujian menunjukkan air panas dalam tangki dapat melebihi 50 C pada hari yang cerah dan 40 C pada hari yang mendung. Efisiensi rata-rata harian sistem adalah 30,64%. Perbandingan hasil perhitungan dan hasil pengukuran menunjukkan adanya perbedaan, akan tetapi secara keseluruhan perbedaan ini tidak signifikan. Prediksi sejarah temperatur tangki pada hari sangat cerah (Intensitas radiasi maximum 1000 W/m 2 ) menunjukkan bahwa sistem dapat mencapai temperatur 55 C pada pukul 14:36. Secara umum performansi sistem pemanas air surya yang dibuat adalah cukup baik.

3 Final Project Title SOLAR WATER HEATER Rahadian Effendi Production, Instalation and Field Test Major Mechanical Engineering Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Institute of Technology Bandung Abstract Design, production, installation and field test of a solar water heater have been done. This water heater is designed with 300 litre capacity and 2.8 m 2 total area of solar collector. Water flow inside the system occured naturally (thermosyphon). This water heater is installed on a residence in Bandung area and tested for directly two months. Field test is done to know the history of water temperature inside the tank while the system is operating. Besides that, the purpose of the test is to know the daily mean efficiency of this solar water heater. Theoretical calculation also has been made and the results are compared with test results. Test results show that the hot water inside the tank can surpasses 50 C in sunny days and reaches 40 C in cloudy days. Daily mean efficiency of the system is 30.64%. Comparation of theoretical calculation and test results are differ, but overall, this differences is not significant. The prediction of temperature history in very sunny days (maximum intensity of radiation is 1000 W/m 2 ) show that the system can reach temperature of 55 C at 14:36 in the first day. Overall, the performance of this solar water heater is fairly good.

4 KATA PENGANTAR Dengan mengucap Alhamdulillah, segala puji kepada Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana dengan judul Pemanas Air Surya; Pembuatan, Instalasi dan Pengujian Lapangan diajukan sebagai prasyarat kelulusan program sarjana di Program Studi Teknik Mesin, FTI ITB. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah memberikan sumbangan besar dalam penyelesaian tugas sarjana ini, antara lain: Bapak Dr. Ir. Abdurrachim Halim sebagai pembimbing yang telah memberikan ilmu dan nasehat-nasehatnya. Ibu, Ayah, Didit dan sanak keluarga lainnya yang telah mendorong dan mendoakan penulis untuk menyelesaikan tugas sarjana ini. Bapak Oman, Bapak Koswara, Bapak Jimmy, Bapak Endang, Bapak Istiono, Bapak Enjang dan karyawan Laboratorium Surya lainnya atas bantuan dan kerja samanya. Bapak dan Ibu Anom yang telah mengizinkan penulis untuk melakukan pengujian di rumahnya. Bapak dan Ibu Waslim dan karyawan Apotek Mona lainnya, atas kebaikan hati dan keramahannya. Sahabat-sahabat dekat penulis: Arif a.k.a Tatang, Irwan, Andra, Wahid, Ari, Leo, dan alm. Andre yang telah berbagi suka dan duka dengan penulis. Teman-teman asisten Laboratorium Surya antara lain Rexa, Juli, Adrie, Ferdinan, Andra, Iwan, Putro, serta teman-teman M01 yang tidak bisa disebutkan satu per satu, atas bantuan, saran, dan persahabatannya selama ini. i

5 Tak lupa penulis mengucapkan pula permintaan maaf apabila ada kesalahan yang dilakukan. Demikian kata akhir dari penulis, semoga tugas akhir ini sungguh bermanfaat bagi masyarakat. Saran dan kritik yang membangun akan selalu ditunggu. Bandung, 3 Februari 2008 Penulis ii

6 DAFTAR ISI Hal Halaman Judul Lembaran Pengesahan Abstrak Abstract Kata Pengantar i Daftar Isi iii Daftar Tabel vi Daftar Gambar vii BAB I Pendahuluan Latar Belakang Tujuan Batasan Masalah Metode Penyelesaian Sistematika Penulisan 3 BAB II Teori Dasar Pemanas Air Surya Pelat Datar Kolektor Pelat Datar Tangki Penyimpan Air Pelat Penutup Permukaan Pelat Absorber Teori Kolektor Pelat Datar Persamaan Kesetimbangan Energi pada Kolektor Pelat Datar Koefisien Kehilangan Panas Kolektor Keseluruhan Faktor Efisiensi Kolektor Heat Removal Factor Performansi Kolektor 18 BAB III Proses Produksi 20 iii

7 3.1 Perancangan Komponen Utama Kolektor Tangki Air Panas Pemilihan Material Tangki Air Panas Kolektor Pipa Penghubung Kolektor dan Tangki Air Panas Proses Produksi Kolektor Absorber Rumah Kolektor Tangki air panas Tangki dan Pemipaan Rumah Tangki Penyambungan Kolektor dengan Tangki Air Panas Instalasi 39 BAB IV Pengujian Pengujian Sistematika Pengujian Data Hasil Pengujian Perbandingan Hasil Pengujian terhadap Teoritik Formulasi Matematika dan Diagram Alir Perhitungan Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Perhitungan Analisis Sejarah Temperatur Efisiensi Harian Sistem Perbandingan Hasil Pengujian dengan Teoritik Prediksi Sejarah Temperatur Tangki pada Hari Cerah 95 BAB V Penutup Kesimpulan Saran 98 iv

8 DAFTAR PUSTAKA 99 LAMPIRAN A LAMPIRAN B v

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat-sifat kaca 8 Tabel 4.1 Data pengujian 12 November Tabel 4.2 Data pengujian 13 November Tabel 4.3 Data pengujian 14 November Tabel 4.4 Data pengujian 15 November Tabel 4.5 Data pengujian 16 November Tabel 4.6 Data pengujian 17 November Tabel 4.7 Data pengujian 19 November Tabel 4.8 Data pengujian 20 November Tabel 4.9 Data pengujian 21 November Tabel 4.10 Data pengujian 22 November Tabel 4.11 Data pengujian 23 November Tabel 4.12 Data pengujian 26 November Tabel 4.13 Data pengujian 27 November Tabel 4.14 Data pengujian 28 November Tabel 4.15 Data pengujian 3 Desember Tabel 4.16 Data pengujian 4 Desember Tabel 4.17 Data pengujian 5 Desember Tabel 4.18 Data pengujian 6 Desember Tabel 4.19 Data pengujian 7 Desember Tabel 4.20 Data pengujian 8 Desember Tabel 4.21 Data pengujian 12 Desember Tabel 4.22 Data pengujian 13 Desember Tabel 4.23 Data pengujian 14 Desember Tabel 4.24 Data pengujian 15 Desember Tabel 4.25 Efisiensi harian sistem pemanas air surya 93 Tabel B.1 Perhitungan teoritik tanggal 12 Desember 2007 vi

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pemanas air surya pelat datar 4 Gambar 2.2 Sirkulasi alami pemanas air surya 5 Gambar 2.3 Kolektor pelat datar untuk air 6 Gambar 2.4 Tipikal tangki penyimpan air panas 7 Gambar 2.5 Rangkaian thermal kolektor dengan satu pelat penutup 11 Gambar 2.6 Rangkaian thermal ekivalen kolektor pelat datar 12 Gambar 2.7 Konfigurasi pipa dan absorber 15 Gambar 2.8 Efisiensi sirip untuk pipa dan absorber kolektor matahari 16 Gambar 2.9 Efisiensi kolektor sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk 19 Gambar 3.1 Denah penempatan pemanas air pada rumah 21 Gambar 3.2 Diagram alir perancangan pemanas air tenaga surya 23 Gambar 3.3 Pipa kuningan dan tembaga setelah dipotong sesuai ukuran 26 Gambar 3.4 Penyambungan pipa tembaga dengan menggunakan proses brazing 27 Gambar 3.5 Pipa kuningan dilubangi dengan mata bor 16 mm 27 Gambar 3.6 Ujung pipa tembaga digerinda 27 Gambar 3.7 Proses brazing untuk penyambungan pipa 28 Gambar 3.8 Proses brazing untuk penyambungan sirp dan pipa 28 Gambar 3.9 Absorber 30 Gambar 3.10 Bagian alas, samping dan penguat rumah kolektor 31 Gambar 3.11 Bagian samping kolektor ditekuk dan dipotong 31 Gambar 3.12 Bagian samping kolektor dilubangi 32 Gambar 3.13 Rumah Kolektor 32 Gambar 3.14 Tangki 33 Gambar 3.15 Pipa-pipa pada tangki 34 Gambar 3.16 Tangki setelah pengelasan 35 Gambar 3.17 Rangka rumah tangki 36 Gambar 3.18 Bentuk akhir rumah tangki air panas (tampak luar) 37 vii

11 Gambar 3.19 Sistem pemanas air surya 39 Gambar 3.20 Kawat penyangga tangki 40 Gambar 3.21 Kawat penyangga kolektor 40 Gambar 3.22 Skema instalasi Sistem pemanas air surya 41 Gambar 3.23 Sistem pemanas air surya yang telah terinstalasi 41 Gambar 4.1 Pipa untuk mengukur temperatur air panas tangki 42 Gambar 4.2 Pengeluaran air untuk pengukuran temperatur air panas tangki 43 Gambar 4.3 Termokopel tipe K 44 Gambar 4.4 Alat ukur intensitas radiasi global, pyranometer 45 Gambar 4.5 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 12 November Gambar 4.6 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 57 tanggal 13 November 2007 Gambar 4.7 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 58 tanggal 14 November 2007 Gambar 4.8 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 15 November Gambar 4.9 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 59 tanggal 16 November 2007 Gambar 4.10 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian 59 tanggal 17 November 2007 Gambar 4.11 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 19 November Gambar 4.12 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 20 November Gambar 4.13 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 21 November Gambar 4.14 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 22 November viii

12 Gambar 4.15 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 23 November Gambar 4.16 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 26 November Gambar 4.17 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 27 November Gambar 4.18 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 28 November Gambar 4.19 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 3 Desember Gambar 4.20 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 4 Desember Gambar 4.21 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 5 Desember Gambar 4.22 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 6 Desember Gambar 4.23 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 7 Desember Gambar 4.24 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 8 Desember Gambar 4.25 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 12 Desember Gambar 4.26 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 13 Desember Gambar 4.27 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 14 Desember Gambar 4.28 Grafik temperatur tangki dan intensitas radiasi hasil pengujian tanggal 15 Desember Gambar 4.29 Kesetimbangan energi pada kolektor 69 Gambar 4.30 Efisiensi kolektor sebagai fungsi temperatur inlet 70 ix

13 Gambar 4.31 Efisiensi kolektor sebagai fungsi temperatur inlet 73 Gambar 4.32 Kesetimbangan energi di tangki penyimpan 74 Gambar 4.33 Diagram alir perhitungan 76 Gambar 4.34 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 12 November Gambar 4.35 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 13 November Gambar 4.36 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 14 November Gambar 4.37 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 15 November Gambar 4.38 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 16 November Gambar 4.39 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 17 November Gambar 4.40 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 19 November Gambar 4.41 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 20 November Gambar 4.42 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 21 November Gambar 4.43 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 22 November Gambar 4.44 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 23 November Gambar 4.45 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 26 November Gambar 4.46 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 27 November Gambar 4.47 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 28 November x

14 Gambar 4.48 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 3 Desember Gambar 4.49 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 4 Desember Gambar 4.50 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 5 Desember Gambar 4.51 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 6 Desember Gambar 4.52 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 7 Desember Gambar 4.53 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 8 Desember Gambar 4.54 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 12 Desember Gambar 4.55 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 13 Desember Gambar 4.56 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 14 Desember Gambar 4.57 Perbandingan temperatur tangki hasil perhitungan dengan hasil pengujian tanggal 15 Desember Gambar 4.58 Efisiensi harian sistem pemanas air surya 94 Gambar 4.59 Radiasi matahari vs waktu untuk hari cerah dan hari sangat mendung 95 Gambar 4.60 Perbandingan hasil model radiasi dengan data pengukuran tanggal 19 November Gambar 4.61 Prediksi temperatur tangki pada hari cerah pertama 97 Gambar 4.62 Prediksi temperatur tangki pada hari cerah kedua 97 xi