Transkripsi

1

2

3

4

5

6 Pengaruh Jarak Pitch Longitudinal Pengganggu Aliran Tersusun Staggered Terhadap Performa Kolektor Surya Pemanas Udara Made Sucipta *, I Putu Surya Pandita, Ketut Astawa Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran, Bali m.sucipta@gmail.com, putusuryapandita@yahoo.com, awatsa@yahoo.com Abstrak Salah satu proses pengeringan dibidang perhotelan dapat kita lihat pada jasa laundry. Upaya penghematan energi yang bersumber dari minyak bumi dapat dilakukan dengan pemanfaatan salah satu energi terbarukan yaitu energi surya. Pemanfaatan energi surya ini yaitu dengan menggunakan kolektor surya pelat datar untuk pemanas udara yang dapat diaplikasikan langsung pada jasa laundry. Pada penelitian ini telah dirancang dua buah kolektor surya pemanas udara dengan aliran udara diatas pelat penyerap yang dilengkapi dengan penggangu aliran berupa besi silinder yang tersusun staggered. Susunan besi silinder sangat berpengaruh terhadap proses perpindahan panas yang terjadi. Salah satu variabel dari susunan besi silinder tersebut adalah pitch longitudinal. Untuk luasan kolektor surya yang sama, dengan variasi jarak pitch longitudinal akan berdampak pada jumlah baris konfigurasi penggangu aliran, atau secara langsung berdampak pada jumlah besi silinder yang digunakan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada laju alir masa udara tertentu yang digunakan pada penelitian ini menunjukkan bahwa kolektor surya dengan jarak pitch longitudinal yang kecil menghasilkan performa yang lebih baik dibandingkan dengan kolektor dengan jarak pitch longitudinal yang lebih besar. Kata kunci: energi surya, kolektor surya, pemanas udara, pitch longitudinal Abstract One of the drying processes that can be found in hotels sector is in a laundry service. Effort to reduce the using of energy from fossil fuel can be done by using one of the renewable energy sources such as solar energy. Solar energy can be used by applying flat plate solar collector for air heater that can be applied for the laundry service directly. In this experiment, two solar collectors with the air flow on the absorber plate have been designed. Cylindrical irons have been attached on the collector with staggered configuration as disturbance of air flow along the collector to increase heat transfer rate from the collector to the air flow. This configuration produced cross flow of the air along the collector. One of the variables of this configuration is the pitch longitudinal. For the same solar collector area, variation of the pitch longitudinal will affect to the number of row of the configuration, or directly will affect the number of cylindrical irons that should be attached on the collector. The experiment result show that at the defined mass air flow rate used in this experiment result in the better performance of the collector configuration with a narrower distance of the pitch longitudinal compared to the collector configuration with a wider distance of the pitch longitudinal.. Keywords: solar energy, solar collector, air heater, pitch longitudinal 1. PENDAHULUAN Pertumbuhan hotel di Bali terus meningkat beberapa tahun belakangan ini membuat kebutuhan energi juga terus meningkat. Salah satu aktifitas hotel yang memerlukan energi adalah pada jasa laundry. Jasa laundry ini terus menjamur di wilayah perkampungan sebagai pengaruh terhadap peningkatan jumlah tenaga kerja yang bekerja di sektor perhotelan. Akan tetapi, kebutuhan energi ini harus diimbangi dengan pemanfaatan energi alternatif yaitu energi baru dan terbarukan karena ketersediaan energi yang berasal dari minyak bumi sudah mulai menipis. Salah satu energi baru dan terbarukan tersebut yang belakangan ini terus dikembangkan di Indonesia adalah energi surya. Ketersediaannya yang ada hampir disepanjang tahun dan ramah lingkungan membuat pemanfaatan energi ini banyak diteliti untuk penggunaan yang lebih efisien. Kolektor surya adalah salah satu alat yang digunakan untuk memanfaatkan energi surya tersebut. Pada penelitian ini, telah dirancang kolektor surya pelat datar dengan penambahan pengganggu * Penulis korespondensi: m.sucipta@gmail.com Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana,

7 aliran udara menggunakan besi silinder yang dipasang melintang di sepanjang arah aliran. Pemasangan pengganggu aliran ini akan menghasilkan arah aliran melintang melintasi sekumpulan besi silinder yang berbentuk tabung (flow across banks of tubes). Salah satu geometri dari banks of tubes ini adalah dengan susunan staggered atau posisi menyilang terhadap arah aliran. Wahyudi (2012) telah melakukan penelitian dengan desain ini tetapi aliran udara yang terjadi adalah dibawah pelat penyerap, atau dengan kata lain susunan banks of tubes ini diletakkan disaluran udara diantara pelat penyerap dan pelat bawah kolektor [1]. Selanjutnya dari penelitian tersebut telah dilakukan penelitian awal dengan melepaskan pelat penyerap sehingga banks of tubes tersebut langsung terpapar tertimpa radiasi matahari, dalam hal ini pelat bawah otomatis menjadi pelat penyerap. Tidak seperti kolektor surya pelat datar pada umumnya untuk aliran diatas pelat penyerap [2-6], dimana posisi pelat penyerap sejajar dengan penutup transparan, maka pada rancangan ini dibuat sedemikian rupa sehingga menyerupai bentuk rongga. Rongga yang dibuat ini dengan mempertimbangkan efek cavity receiver pada kolektor surya, yang diharapkan akan dapat memaksimalkan penyerapan radiasi surya pada kolektor. Hal ini dilakukan dengan cara mengatur ketinggian dinding kolektor yang diatur sedemikin rupa sehingga penutup kaca sedikit terangkat. Posisi arah aliran udara diatas pelat penyerap akan dapat memberikan keuntungan yaitu radiasi surya yang masuk ke kolektor dapat langsung memanaskam besi silinder sebagai pengganggu aliran (memperluas muka perpindahan panas), sehingga perpindahan panas yang terjadi akibat kontak langsung udara dengan permukaan besi silinder akan meningkat. Secara teoritis, penggunaan banks of tubes ini akan berpengaruh pada peningkatan perpindahan panas yang terjadi [7]. Faktor yang dapat mempengaruhi proses perpindahan panas tersebut salah satunya adalah jarak pitch longitudinal dari banks of tubes tersebut. Oleh karena itu, penelitian ini mengkaji performa kolektor surya dengan pengganggu aliran tipe staggered untuk aliran diatas pelat penyerap dengan memvariasikan jarak pitch longitudinal dari susunan besi silinder tersebut. 2. METODE Rancangan kolektor ini hampir sama dengan rancangan kolektor surya pelat datar standar, bedanya adalah adanya penambahan pengganggu aliran udara yang terbuat dari besi silinder dipasang melintang dengan arah aliran tersusun staggered, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Pelat penyerap berada di bagian bawah susunan pengganggu aliran, dan pada penelitian ini ketinggian dinding kolektor pada kedua sisinya diangkat sedikit sehingga membentuk rongga penerima radiasi surya dengan tujuan untuk memaksimalkan penyerapan radiasi surya yang masuk. Gambar 2.1 Skema kolektor surya pelat datar dengan pengganggu aliran udara berupa besi melintang Dinding kolektor dapat berfungsi pula sebagai permukaan yang diperluas (sirip), dalam hal ini dinding kolektor itu akan dapat menambah luas bidang penyerapan radiasi surya yang masuk kedalam kolektor. Radiasi yang dipancarkan matahari dapat menembus cover (kaca bening) pada kolektor. Akibatnya radiasi panas yang masuk dapat memanaskan komponen-komponen yang berada di dalam kolektor seperti dinding, besi silinder penganggu dan pelat penyerap. Komponen-komponen kolektor tersebut akan kembali memancarkan radiasi, tetapi panjang gelombang radiasinya menjadi jauh lebih panjang sehingga tidak dapat menembus dinding dan akibatnya radiasi akan terjebak di dalam kolektor. Dengan kondisi tersebut diharapkan penyerapan radiasi surya akan meningkat yang secara tidak langsung akan meningkatkan temperatur permukaan didalam kolektor. Aliran udara yang masuk kedalam kolektor pada temperatur lingkungan akan menyerap panas kolektor sehingga Prosiding KNEP V 2014 ISSN X 164

8 menghasilkan temperatur udara keluar kolektor yang semakin meningkat. Penelitian ini menguji dua buah kolektor surya pelat datar dengan menggunakan metode eksperimental. Penelitian ini diawali dengan pembuatan kolektor surya pelat datar dengan pengganggu aliran berupa besi silinder yang tersusun staggered dengan jarak pitch longitudinal sebesar 40 mm dan 20 mm dengan merancang komponen yang lainnya dalam kondisi yang sama, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2, dan proses pengerjaan pembuatan banks of tubes dari kolektor surya yang diteliti ditunjukkan pada Gambar 2.3. Lalu dilanjutkan dengan pemasangan alat pengukur temperatur di titik-titik tertentu pada kolektor serta alat ukur lainnya. Setelah persiapan selesai maka dilakukan pengujian pada kolektor surya dengan cara pengamatan dan pencatatan data-data yang ditunjukkan oleh alat ukur. Dari data-data yang didapat pada pengujian, dilakukan perhitungan energi berguna secara aktual dan efisiensi termalnya. Kemudian kedua hasil perhitungan dibandingkan sehingga diketahui perbandingan performa dari kedua kolektor surya tersebut. Dan dari analisis tersebut, dapat ditarik suatu kesimpulan tentang pengaruh jarak pitch longituidal pada susunan staggered dari sekumpulan besi silinder yang diguanakan sebagai penggangu aliran udara. (a) Kolektor STG-40 (b) Kolektor STG-20 Gambar 2.2 Rancangan kolektor dengan pengganggu aliran udara untuk (a) kolektor STG-40 dan (b) kolektor STG-20 Gambar 2.3 Proses pengerjaan pembuatan banks of tubes dengan variasi jarak pitch longitudinal pada sebuah kolektor surya Luas kolektor yang digunakan adalah 0,6 m 2, yaitu dengan lebar kolektor, W = 0,5 m dan panjang kolektor, L c = 1,2 m. Pelat penyerap menggunakan pelat besi dengan ketebalan 1,2 mm yang di cat hitam kusam (doff). Penutup transparan menggunakan kaca bening dengan ketebalan 5 mm. Pengganggu aliran, besi silinder dibuat dengan diameter besi 12 mm. Bagian bawah dan samping kolektor diberi isolasi yang terdiri dari gabus (styrofoam) dengan ketebalan 10 mm dan triplek dengan Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana,

9 ketebalan 4 mm. Karena pengganggu aliran pada kedua alat tersusun staggered, maka akan diasumsikan alat pertama adalah kolektor dengan jarak pitch longitudinal 40 mm disebut STG-40 dan alat kedua adalah kolektor dengan jarak pitch longitudinal sebesar 20 mm atau disebut dengan STG- 20. Kedua kolektor tersebut dirancang dengan jarak transversal sebesar 10 mm, sehingga akan memerlukan jumlah besi silinder yang berbeda. Jumlah besi silinder pada kolektor STG-40 adalah sebanyak 83 buah, sedangkan untuk perbandingan jumlah besi silinder pada kolektor STG-20 menggunakan besi silinder sebanyak 156 buah. Sifat sifat fisik material penyusun kolektor ini diperoleh dari Ref. [7]. Prosedur yang dilakukan selama pengujian kolektor surya tersebut dapat dijelaskan bahwa pengujian dilakukan mulai pukul Wita sampai dengan pukul Wita dengan selang waktu pengambilan data dilakukan setiap 10 menit sekali. Blower dijalankan untuk mengalirkan udara sebagai fluida kerja ke dalam kolektor. Atur katup masukan udara kedalam kolektor untuk memperoleh laju aliran masa yang sama untuk kedua kolektor sesuai dengan laju alir masa udara yang diinginkan, yaitu sebesar 0,03 kg/s dalam penelitian ini. Untuk menjaga kerja blower agar lebih stabil ditambahkan by-pass udara sebelum memasuki katup masukan udara. Manometer digunakan untuk menjaga laju alir masa udara pada penelitian ini, setelah dilakukan perhitungan awal untuk menentukan besarnya kecepatan aliran udara yang dapat ditunjukkan oleh adanya kenaikan fluida pada manometer. Selanjutnya dilakukan pengukuran terhadap parameter-parameter terukur yaitu diantaranya temperatur udara luar yang sekaligus diasumsikan sebagai temperatur udara masuk kedalam kolektor, Temperatur udara keluar kolektor, dan intensitas radiasi surya. Untuk besaran intensitas radiasi matahari tertentu yang diterima kolektor surya dengan temperatur udara masuk kolektor yang dijaga sama, temperatur udara keluar kolektor dapat menggambarkan pengaruh perbedaan jarak pitch longitudinal dari banks of tubes pada kolektor surya yang dirancang. Dari temperatur udara keluar kolektor akan dapat dihitung besarnya energi pemanasan udara melalui persamaan: dimana: : Energi berguna pemanasan udara (W). : Laju alir masa udara (kg/s). : Panas jenis udara (J/kg. o C). : Temperatur udara keluar kolektor ( o C). : Temperatur udara masuk kolektor ( o C). = (1) Sedangkan efisiensi termal sesaat pemanasan udara pada kolektor surya merupakan perbandingan antara besarnya energi pemanasan udara yang diperoleh dan besarnya intensitas radiasi matahari total yang menimpa kolektor, yang dapat dihitung melalui persamaan yang telah dikembangkan oleh Duffie dan Beckman (1991) [8]: k c dimana: : Efisiensi termal sesaat pemanasan udara. : Luasan kolektor (m 2 ). : Intensitas radiasi surya (W/m 2 ). : Selang waktu pengujian (s). = A Q u dt η (2) I. dt 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada pengujian yang dilakukan dengan laju aliran masa yang sama yaitu 0,03 kg/s diketahui bahwa untuk perbandingan temperatur udara keluar pada kedua kolektor yaitu kolektor STG-40 dan kolektor STG-20 dapat dilihat pada Gambar 3.1. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa temperatur udara keluar kolektor STG-20 lebih tinggi dibandingkan dengan tipe kolektor STG-40 selama selang waktu pengujian dengan temperatur udara masuk yang sama. Temperatur udara keluar kolektor tertinggi yang bisa dicapai pada kolektor STG-20 adalah sekitar 53 o C pada besaran intensitas radiasi surya sekitar 1200 W/m 2, yaitu diantara pukul Wita. Dari hasil perhitungan diperoleh juga bahwa rata-rata temperatur udara keluar kolektor STG-20 selama pengujian adalah sebesar 48,3 T Prosiding KNEP V 2014 ISSN X 166

10 o C, sedangkan rata-rata temperatur udara keluar kolektor STG-40 sedikit lebih rendah yaitu sebesar 46,5 o C. Peningkatan temperatur ini dapat disebabkan oleh karena jumlah pengganggu aliran udara dengan besi silinder melintang pada kolektor STG-20 lebih banyak, jadi udara yang mengalir di dalam kolektor mengalami pemanasan yang lebih banyak pula sebagai akibat dari peningkatan luas permukaan perpindahan panas. Disamping itu pula, peningkatan temperatur ini juga dapat disebabkan karena gangguan aliran udara yang dialami udara pada kolektor STG-20 akan lebih banyak yang dapat menyebabkan peningkatan n turbulensi aliran udara, yang pada akhirnya dapat meningkatkan laju perpindahan panas dari permukaan besi silinder sebagai penggaggu aliran dan permukaan dalam kolektor ke aliran udara. Pada Gambar 3.1 tersebut dapat juga ditunjukkan bahwa perubahan temperatur udara keluar kolektor pada kedua tipe kolektor menunjukkan kecenderungan yang hampir sama dengan perubahan besarnya intensitas radiasi surya yang terjadi. Hal ini sudah secara jelas disebabkan karena sumber energi pemenasan udara ini adalah energi surya. Jadi, semakin tinggi besarnya intensitas radiasi surya yang menimpa kolektor maka akan semakin tinggi pula besarnya temperatur udara keluar kolektor, begitu pula sebaliknya dengan penurunan besaran intensitas radiasi surya maka akan dihasilkan pula penurunan temperatur udara keluar kolektor. Tampak bahwa pengaruh penyimpanan energi pada komponen kolektor cukup kecil dengan laju alir masa udara yang ditentukan pada penelitian ini. Dari hasil perhitungan yang diperoleh, diketahui bahwa energi berguna (QQ u ) pada tipe kolektor STG-20 lebih besar dibandingkan dengan tipe kolektor STG-40. Hasil energi berguna tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.2. Jika dilihat dari persamaan (1) bahwa energi berguna lebih dominan tergantung pada temperatur udara keluar kolektor. Hal ini karena laju alir masa udara yang dijaga konstan, dan temperatur udara masuk adalah temperatur udara lingkungan yang dijaga pula masuk pada temperatur yang sama ke kedua tipe kolektor yang diuji. Sedangkan sifat udara tidak banyak berubah karena temperatur film tidak berbeda jauh yang diperoleh dari temperatur udara keluar kolektor yang juga tidak berbeda jauh, sehingga menghasilkan nilai sifat-sifat fluida yang tidak begitu banyak berubah. Gambar 3.1 Temperatur udara keluar kolektor (T o ) untuk kedua tipe kolektor dan Intensitas radiasi surya (I T ) sebagai fungsi waktu selama pengujian Gambar 3.2 Energi berguna kolektor (Q u ) dan efisiensi termal sesaat ( )untuk kedua tipe kolektor Hasil yang serupa diperoleh juga untuk efisiensi termal kolektor, seperti ditunjukkan pula pada Gambar 3.2. Tampak bahwa efisiensi termal kolektor STG-20 lebih besar dibandingkan dengan Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana,

11 efisiensi termal kolektor STG-40. Dari hasil perhitungan diperoleh bahwa rata-rata efiseinsi termal kolektor STG-20 adalah sekitar 63,0% sedangkan untuk tipe kolektor STG-40 efisiensi termal yang diperoleh rata-rata sekitar 54,2%. Hal ini disebabkan karena dengan besarnya intensitas radiasi surya yang menimpa kedua tipe kolektor yang sama, dan luasan kolektor yang juga sama, maka faktor yang dominan adalah dari energi berguna yang diperoleh dimasing-masing tipe kolektor. 4. SIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat diambil simpulan yaitu dengan adanya perbedaan jarak pitch longitudinal pada banks of tubes yang tersusun staggered yang diaplikasikan langsung pada kolektor surya pemanas udara maka akan diperoleh performa kolektor surya yang berbeda pula. Untuk jarak pitch longitudinal yang lebih kecil ternyata mampu menghasilkan laju perpindahan panas yang lebih baik. Temperatur udara keluar kolektor dan efisiensi termal sesaat yang dipakai sebagai acuan utama untuk performa kolektor surya ternyata dapat diperoleh lebih besar pada jarak pitch longitudinal yang lebih kecil. Dengan jarak pitch longitudinal yang kecil akan memerlukan jumlah besi silinder yang lebih banyak sebagai pengganggu aliran udara, sehingga luas penyerapan perpindahan panas ke fluida kerja menjadi lebih besar, yang akan menghasilkan temperatur udara keluar juga akan meningkat. Karena temperatur udara keluaran kolektor meningkat maka energi berguna dan efisiensi yang dihasilkan juga akan ikut meningkat. Akan tetapi perlu dicatat pula bahwa pada penelitian ini tidak ditekankan pada penurunan tekanan yang terjadi pada kolektor dan biaya produksinya. DAFTAR PUSTAKA [1] Wahyudi, I.K.H., Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Datar Dengan Pengganggu Aliran Berupa Besi SIlinder Melintang Yang Disusun Staggered, Skripsi Teknik Mesin Universitas Udayana, [2] Sukadana, I.G.K., Sucipta, M., dan Wijaya, I.M.D., Analisa Performa Kolektor Surya Pelat Datar Bersirip dengan Aliran di Atas Pelat Bersirip, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakram, Vol. 4, No. 1, hal. 7 15, [3] Sucipta, M., Suardamana, I.M., dan Astawa, K., Analisa Performa Kolektor Surya Pelat Bersirip dengan Variasi Luasan Permukaan Sirip, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakram, Vol. 4, No. 2, hal , [4] Suardamana, I.M., Sucipta, I.M.W.A., Astawa, K., dan Sucipta, M., Kajian Kolektor Surya Pemanas Udara Dengan Pelat Bersirip Sebagai Alternatif Alat Untuk Proses Pengeringan Pada Jasa Binatu, Prosiding Konferensi Nasional Engineering Perhotelan (KNEP), Juli 2010, Denpasar, , [5] Sucipta, M., Analisis Performa Kolektor Surya Pelat Datar yang Menggunakan Tabung Vakum Sebagai Penutup Kolektor, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin VIII (SNTTM- VIII), Agustus 2009, Semarang, [6] Sucipta, M., dan Ichsani, D., Analisa Performansi Alat Pengering Gabah Tenaga Surya, Jurnal Poros, Vol. 7, No. 4, 2004 [7] Incropera, F. P., and De Witt, D. P., Fundamental of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Inc, Singapore, [8] Duffie, J. A., and Backman, W. A., Solar Engginering of Thermal Processes, 2 nd ed. John Wiley & Sons, Inc, New York, Prosiding KNEP V 2014 ISSN X 168