DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

Transkripsi

1 PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

2 PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM Diketahui / Disahkan Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Disetujui Dosen Pembimbing, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu NIP NIP

3 PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM : Telah Disetujui Oleh : Pembimbing Ir. Tekad Sitepu NIP Penguji I, Penguji II, Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP NIP Diketahui Oleh : Departemen Teknik Mesin USU Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP

4 PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-695 Tanggal 25 Juli 2014 Disetujui Oleh: Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP NIP

5 PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-695 Tanggal 25 Juli 2014 Disetujui Oleh: Pembimbing Ir. Tekad Sitepu NIP

6 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2167/ TS / 2014 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : 18 Februari 2014 MEDAN PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : ZULVIA CHARA NOSA GINTING NIM : MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS LANJUT SPESIFIKASI : Lakukanlah pengujian pada sebuah kompor surya tipe kotak yang dilengkapi absorber miring dengan penambahan sekat pada bagian miring dengan luas absorber datar dan sekat miring adalah 0,59 m x 0,59 m dan 0,70 m x 0,59 m. Ujilah kompor tersebut dengan memanaskan air (H 2 O) secara langsung pada kondisi cuaca cerah. Lakukan pengukuran temperatur maksimum dan efisiensi pemakaian kompor tersebut. DIBERIKAN TANGGAL : 18 Februari 2014 SELESAI TANGGAL : 18 Agustus 2014 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 18 Februari 2014 DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu NIP NIP

7 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA NO: 2167 / TS / 2014 Sub. Program studi Bidang Tugas Judul Tugas : Konversi Energi : Perpindahan Panas Lanjut : Pengujian Sebuah Kompor Surya Tipe Kotak yang Dilengkapi Absorber Miring dengan Modifikasi Penambahan Sekat pada Bidang Miring Diberikan Tanggal : 18 Februari 2014 Selesai Tgl : 18 Agustus 2014 Dosen Pembimbing : Ir. Tekad Sitepu Nama Mahasiswa : Zulvia Chara Nosa Ginting NIM : No Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN 1 18 Februari 2014 Pemberian spesifikasi tugas skripsi 2 27 Februari 2014 Asistensi BAB I dan BAB II 3 3 Maret 2014 Asistensi BAB III 4 15 Maret 2014 Pembuatan alat 5 12 Mei 2014 Pengujian alat 6 7 Juni 2014 Pengambilan data 7 14 Juni 2014 Asistensi data 8 21 Juni 2014 Asistensi BAB IV 9 10 Juli 2014 Asistensi BAB V Juli 2014 Asistensi keseluruhan Juli 2014 ACC Seminar Tanda Tangan Dosen Pembimbing Diketahui Ketua Departemen Teknik Mesin FT. USU CATATAN: 1. Kartu ini harus diperlihatkan Kepada Dosen Pembimbing setiap Asistensi 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri 3. Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan NIP Bila kegiatan Asistensi telah selesai

8 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala berkat, rahmat dan karunia-nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul PENGUJIAN SEBUAH KOMPOR SURYA TIPE KOTAK YANG DILENGKAPI ABSORBER MIRING DENGAN MODIFIKASI PENAMBAHAN SEKAT PADA BIDANG MIRING Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirit dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu, sebagai manusia yang harus tahu berterima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua tercinta, Mardan Ginting dan Mariani Br Bangun, S.Pd yang tak pernah henti memberikan segala doa dan dukungan tak terhingga baik moril maupun materil kepada penulis. 2. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, selaku dosen pembanding I dan II yang telah memberikan masukan dan saran dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin. 6. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen wali. 7. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. i

9 8. Kakak dan adik penulis, Ovalina Sylvia Br Ginting, S.Farm, Apt, dan Ananda Putri Br Ginting, yang senantiasa saling memotivasi untuk meraih cita-cita dan membahagiakan kedua orang tua. 9. Rekan kerja satu tim, Heru Manimbul Hutasoit, yang telah banyak meluangkan waktu untuk saling diskusi dalam penyelesaian skripsi ini. 10. Rekan-rekan asisten di Laboratorium Menggambar Mesin / CAD yaitu Zuhdi Mahendra, Tri Septian Marsah, Juliono Susanto, Purwatmo, Afrinedi, Ilham, Sigit, Yogi, Feby, Harry, dan Jerry. 11. Rekan-rekan, para staff dan junioran di Satuan Resimen Mahasiswa USU/ KP, khususnya Roni Rezeki, SS dan Niko Sianipar, SE yang telah banyak memberikan dukungan semangat kepada penulis. 12. Rekan-rekan satu perguruan, dan para pelatih di UKM Beladiri Merpati Putih USU, khususnya Mailinda Wati Chaniago, Amd, Afdal Aminuddin dan Sudirman, yang senantiasa memberi dukungan dan motivasi kepada penulis. 13. Rekan-rekan seperjuangan, khususnya Indro Pramono, Algris Hopiar Mor S, Ary Santoni, dan rekan-rekan mahasiswa 2009 yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu, para abang senior, serta adik-adik junior yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis. Penulis menyadari bahwa masih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik lagi. Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada para pembaca. Terima kasih. Medan, Agustus 2014 Penulis, Zulvia Chara Nosa Ginting NIM : ii

10 ABSTRAK Kompor surya tipe kotak yang dilengkapi dengan absorber miring merupakan sebauh desain baru yang pemakaiannya diharapakan menjadi lebih efektif dan efisien dalam memasak dan memanaskan. Absorber miring tersebut akan manangkap dan kemudian menyalurkan panas ke ruang masak secara konveksi alamiah. Kemudian dengan penambahan sekat pembatas pada bidang miring tersebut diharapkan sirkulasi penyaluran udara panas menuju ruang masak akan semakin baik. Ruang masak terdiri dari kaca double glass sebagai pintu penutup, plat aluminium dibagian dinding dalam dan alas sebagai absorber panas, serta dinding isolasi yang terdiri dari lapisan rockwool, styrofoam dan kayu. Komponen pada bidang miring sama halnya dengan bidang datar, hanya saja dibagian tegah bidang miring dipasangkan sekat pembatas berupa plat aluminium untuk menyempurnakan sirkulasi udara panas menuju ruang masak. Pengujian kompor surya dengan penambahan sekat pada bidang miring dilakukan selama 8 jam mulai pukul 09:00 17:00 WIB pada kondisi cuaca cerah dengan bahan uji yang dimasak adalah air (H 2 O). Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui temperatur maksimum yang dapat dicapai kompor surya dalam memanaskan air, jumlah energi panas yang mampu diserap dan digunakan, serta mengetahui nilai efisiensi maksimumnya. Dengan luas absorber rata dan sekat pembatas 0,59 m x 0,59 m dan 0,70 m x 0,59 m, kompor surya ini mampu memanaskan air hingga mencapai temperatur 89,90 o C, dan menyerap energi panas sebesar 9,489 MJ/ hari, serta mampu menggunakan energi panas tersebut sebesar 7,238 MJ/ hari. Sehingga didapat nilai efisiensi tertinggi dalam pengujian ini adalah 14,07 %. Kata kunci : kompor surya, memasak, konveksi alamiah, absorber miring, sekat pembatas iii

11 ABSTRACT Box-type solar cookers are equipped with tilted absorber is a new design that use expected to be more effective and efficient in cooking and heating. The tilted absorber will catch and then distribute the heat into the room by convection cooking naturally. Then with the addition of insulation barrier on the incline expected distribution of hot air circulation towards the room the better cook. Cooking space consists of the glass as a double glass door closers, aluminum plate in the wall section and the base as a heat absorber, and wall insulation consisting of a layer of rockwool, styrofoam and wood. Components on an inclined plane as well as a flat surface, it's just the incline section center paired bulkhead barrier of aluminum plate to enhance the circulation of hot air to the cooking chamber. Testing solar cooker with the addition of insulation on an inclined plane do for 8 hours starting at 09:00 to 17:00 pm on the sunny conditions with the test material is cooked water (H2O). This test is performed to determine the maximum temperature that can be achieved in a solar cooker to heat the water, the amount of heat energy that can be absorbed and used, as well as knowing the value of maximum efficiency. With an area of flat absorber and insulation barrier of 0.59 m x 0.59 m and 0.59 m x 0.70 m, this solar cooker capable of heating water to a temperature C, and absorbs the heat energy of MJ / day, as well as being able to use the heat energy of MJ / day. In order to get the highest efficiency value in this test is 14.07%. Key words: solar cookers, cooking, natural convection, slanted absorber, bulkhead divider iv

12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR SIMBOL... xii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Tinjauan Perpindahan Panas Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan Panas Radiasi Radiasi Surya Teori Dasar Radiasi Surya Rumusan Radiasi Surya Menentukan Besarnya Radiasi Surya Konveksi Alamiah Konveksi Alamiah Pada Permukaan Luar Konveksi Alamiah Pada Ruang Tertutup Kompor Surya Sejarah Kompor Surya Tipe-Tipe Kompor Surya Bagian-Bagian Utama Kompor Surya Prinsip Memasak v

13 2.6 Kalor Laten dan Kalor Sensibel Kalor Laten Kalor Sensibel BAB III METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Peralatan Pengujian Bahan Pengujian Experimental Set-Up Prosedur Pengujian BAB IV ANALISIS DATA Dimensi Kompor Surya Data Pengujian Pengujian Kompor Surya Tanpa Sekat Pengujian Kompor Surya Dengan Penambahan Sekat Analisis Energi Panas Analisis Energi Panas Kompor Surya Tanpa Sekat Analisis Energi Panas Kompor Surya Dengan Penambahan Sekat Perbandingan Energi Panas Kompor Surya Tanpa Sekat dan Dengan Penambahan Sekat Pengujian Memasak Air Pengujian Memasak Air Kompor Surya Tanpa Sekat Pengujian Memasak Air Pada Kompor Surya Dengan Penambahan Sekat Perhitungan Efisiensi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sudut kritis ruang tertutup miring Tabel 4.1 Temperatur maksimum pengujian pertama tanpa sekat Tabel 4.2 Temperatur maksimum pengujian kedua tanpa sekat Tabel 4.3 Temperatur maksimum pengujian ketiga tanpa sekat Tabel 4.4 Temperatur maksimum pengujian pertama dengan penambahan sekat Tabel 4.5 Temperatur maksimum pengujian kedua dengan penambahan sekat Tabel 4.6 Temperatur maksimum pengujian ketiga dengan penambahan sekat Tabel 4.7 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian pertama untuk bidang datar Tabel 4.8 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian pertama untuk bidang miring Tabel 4.9 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian kedua untuk bidang datar Tabel 4.10 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian kedua untuk bidang miring Tabel 4.11 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian ketiga untuk bidang datar Tabel 4.12 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian ketiga untuk bidang miring Tabel 4.13 Perbandingan radiasi yang diserap kolektor bidang datar dan bidang miring kompor surya tanpa sekat Tabel 4.14 Data hasil pengujian rata-rata perhari untuk pengukuran temperatur bidang datar kompor surya tanpa sekat Tabel 4.15 Data hasil pengujian rata-rata perhari untuk pengukuran temperatur bidang miring kompor surya tanpa sekat vii

15 Tabel 4.16 Data nilai energi kalor yang dapat dipakai perhari untuk pengujian kompor surya tanpa sekat Tabel 4.17 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya dengan penambahan sekat pada pengujian pertama untuk bidang datar Tabel 4.18 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya dengan penambahan sekat pada pengujian pertama untuk bidang miring Tabel 4.19 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya dengan penambahan sekat pada pengujian kedua untuk bidang datar Tabel 4.20 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya dengan penambahan sekat pada pengujian kedua untuk bidang miring Tabel 4.21 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya tanpa sekat pada pengujian ketiga untuk bidang datar Tabel 4.22 Perhitungan temperatur dan intensitas radiasi kompor surya dengan penambahan sekat pada pengujian ketiga untuk bidang miring Tabel 4.23 Perbandingan radiasi yang diserap kolektor bidang datar dan bidang miring kompor surya dengan penambahan sekat Tabel 4.24 Data hasil pengujian rata-rata perhari untuk pengukuran temperatur bidang datar kompor surya dengan penambahan sekat Tabel 4.25 Data hasil pengujian rata-rata perhari untuk pengukuran temperatur bidang miring kompor surya dengan penambahan sekat Tabel 4.26 Data nilai energi kalor yang dapat dipakai perhari untuk pengujian kompor surya dengan penambahan sekat Tabel 4.27 Perbandingan energi panas kompor surya tanpa sekat dan dengan penambahan sekat Tabel 4.28 Perbandingan efisiensi memasak air menggunakan kompor surya tanpa sekat dan kompor surya dengan sekat viii

16 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Radiasi surya... 7 Gambar 2.2 Pergerakan bumi terhadap matahari... 8 Gambar 2.3 Ruang tertutup yang tinggi dan rendah Gambar 2.4 Ruang tertutup Gambar 2.5 Konveksi natural pada ruang tertutup yang miring Gambar 2.6 Kompor surya tipe box Gambar 2.7 Kompor surya tipe panel Gambar 2.8 Kompor surya tipe ketel Gambar 2.9 Kompor surya tipe parabola Gambar 2.10 Kompor surya tipe sceffler Gambar 2.11 Kompor surya tipe Indirect Gambar 3.1 Laptop Gambar 3.2 Agilient A Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger Gambar 3.4 Kompor surya Gambar 3.5 Sekat pembatas Gambar 3.6 Panci masak Gambar 3.7 Gelas ukur Gambar 3.8 Air Gambar 3.9 Eksperimental set-up Gambar 3.10 Flow chart dari metodologi penelitian Gambar 4.1 Dimensi kompor surya Gambar 4.2 Grafik temperatur vs waktu pengujian pertama tanpa sekat Gambar 4.3 Grafik temperatur vs waktu pengujian kedua tanpa sekat Gambar 4.4 Grafik temperatur vs waktu pengujian ketiga tanpa sekat Gambar 4.5 Grafik temperatur vs waktu pengujian pertama dengan sekat Gambar 4.6 Grafik temperatur vs waktu pengujian kedua dengan sekat Gambar 4.7 Grafik temperatur vs waktu pengujian ketiga dengan sekat Gambar 4.8 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian pertama tanpa sekat ix

17 Gambar 4.9 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian kedua tanpa sekat Gambar 4.10 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian ketiga tanpa sekat Gambar 4.11 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian pertama dengan penambahan sekat Gambar 4.12 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian kedua dengan penambahan sekat Gambar 4.13 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global pengujian ketiga dengan penambahan sekat x

18 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan A Luas penampang Panas jenis Koefisien perpindahan panas konveksi Konduktivitas termal bahan Panjang plat t Tebal isolasi Bilangan Nusselt - Bilangan Prandtl - q Laju perpindahan panas Bilangan Reynold - Temperatur lingkungan luar Temperatur permukaan Viskositas kinematik R I Intensitas radiasi W/m al Bilangan Rayleigh - Q Energi panas MJ m Massa zat kg g Grafitasi m/s k u Kalor uap J/kg 2 2 Huruf Yunani Simbol Keterangan Satuan Perbedaan Temperatur awal dan akhir Massa Jenis kg/m 3 Effisiensi - Koefisien udara 1/K σ Kontanta Stefan Boltzomann(5,67 x 10-8 ) W/m K 4 Emisivitas bahan - o C xi