RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FADLY RIAN ARIKUNDO NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2

3

4

5

6

7

8

9

10 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN. 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, nasihat dan bantuan baik materil, maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.sc selaku dosen pembimbing yang telah membantu dalam bimbingan serta dukungan dalam penulisan skripsi ini. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera dan sebagai dosen pembanding I yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin dan sebagai dosen pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST, MT. sebagai dosen yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 5. Bapak Ir. Zaman Huri, M.T selaku dosen wali yang telah membimbing dan memberikan nasihat selama penulis kuliah. 6. Kedua orang tua penulis, Alm. Suryana Hardjadinata dan Zuliani Yendani yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do a, nasihat serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada penulis. 7. Abang penulis, Hendra Indrawan, Riza Suryan Putra, SP., kakak penulis Erica Dina M.Eng, adik penulis Indah Rizki Mahfira dan keluarga lainnya

11 yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam penyelesaian skripsi ini. 8. Ibu S. Farah Dina dan Bapak Haznam yang juga telah membantu penulis selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir. 9. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 10. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Indra Gunawan dan Nehemia Sembiring yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi 11. Eka Harditya Yonanda Srg ST., yang selalu senantiasa mengingatkan, mendukung, dan memberi semangat kepada penulis. 12. Teman-teman penulis khususnya Fitra Ali, Zaki Miswari, Willy Erlangga, Paramitha Rara, Nurul Aini, Qarina yang telah memberikan dukungan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 13. Rekan-rekan khususnya Felix Asade, Ramadhan, Harry Pramana, Ari Fadillah, yang bersama-sama dengan penulis menuntaskan kerja praktek. 14. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 khususnya, Ferdinand, Michael, Joshua, Fauzi, Alexander, Howard Lee, Otto, Munawir, Sahir Bani, Frans, Agorlif, Herto dan rekan-rekan lainnya, para abang senior dan adik-adik junior semua 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 berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih sempurna. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih. Medan, April 2013 FADLY RIAN ARIKUNDO

12 ABSTRAK Proses pengeringan merupakan salah satu kegiatan penting yang dilakukan pada produk pertanian dan perkebunan untuk meningkatkan kualitas dengan cara menghilangkan sebagian kadar air sampai batas dimana mikroba tidak dapat tumbuh. Untuk itu, pada tugas akhir ini dirancang sebuah ruang pengering berukuran 0,5m x 0,5m x 0,7m yang menggunakan kolektor surya pelat datar dengan ukuran 2m x 0,5m serta menggunakan ubi kayu sebagai sampel. Perancangan alat pengeringan ini bertujuan untuk mengeringkan ubi kayu dari kadar air awal ±60% menjadi >10%. Kolektor surya diisolasi dengan rockwoll, sterofoam dan kayu sehingga kehilangan panas dapat diminimalisasi. Medium pengering adalah udara panas yang dihasilkan melalui kolektor yang menangkap radiasi sinar matahari dan dialirkan secara alamiah keruang ruang pengering selanjutnya akan digunakan untuk mengeringkan ubi kayu. Setelah dilakukan penelitian dengan metode eksperimen yakni dengan cara mengamati dan mengukur langsung hal-hal yang dilakukan pada alat pengering tersebut kemudian dilakukan pengolahan serta evaluasi data penelitian. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pada pukul 08:00 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 372,21 watt, kehilangan panas rata-rata pada kolektor adalah 161,32 watt dan efisiensi rata-rata dari kolektor surya yang didapat selama proses pengujian adalah 40,13%. Kata kunci : pengering, kolektor surya, perpindahan panas

13 ABSTRACT The drying process is one of important activities on agricultural and plantation products to increase quality by deaden water content partly till limit of microbes can't grow. Therefore, in this final project designed a drying chamber measuring 0.5 m x 0.5 m x 0.7 m using flat plate solar collector sized 2m x 0.5m and used cassava as sample. Design of this drying tool aim to dry cassava from the initial moisture content of ± 60% to >10%. Isolated solar collector with rockwool, sterofoam and wood are used to isolate the solar collector to minimize the heat loss. Medium dryer is hot air which produced through collector which caught the solar radiation and flowed naturally to drying chamber. Furthermore it will be used to dry the cassava. The research used experimental method, that is, observe and quantify directly the drying tool. Then it will be processing and evaluate the data. From research was conducted at 8 am until 5 pm in sunny weather, the result show that the average radiation heat which can be absorbed by the collector is watt, the average heat loss is watt and the average efficiency from the solar collector during test is 40.13%. Keywords: dryer, solar collectors, heat transfer

14 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR GRAFIK... ix DAFTAR SIMBOL... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Manfaat Batasan Masalah Sistematika Penulisan 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengeringan Ubi (Cassava) Kolektor dan Jenis Jenisnya Pemanfaatan Energi Matahari Tinjauan Perpindahan Panas Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konveksi Natural Perpindahan Panas Radiasi 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Waktu Dan Tempat Penelitian Metode Desain Perancangan Pelat Absorber Perancangan Kaca Penutup 27

15 3.2.3 Perancangan Isolasi Perancangan Rangka Mesin Pengering Perancangan Boks Pengering Alat dan Bahan yang Digunakan Peralatan Pengujian Bahan Pengujian Persiapan Pengujian Prosedur Pengujian 41 BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation) Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran Perbandingan Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Desain Kolektor Surya Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya Menghitung Kecepatan Profil Dalam Kolektor (v) Menghitung Kehilangan Panas Pada Dinding Perhitungan Kehilangan Panas Pada Sisi Alas Perhitungan Kehilangan Panas Pada Sisi Atas Menghitung Kehilangan Panas Radiasi Menghitung Kehilangan Panas Total Kolektor (Q total ) Efisiensi Kolektor Surya 63 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 76 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Daftar Komposisi Kimia Ubi (Cassava) 100 gr bahan... 9 Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran 1 Maret Tabel 4.2 Perbandingan Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Tabel 4.3 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada Tanggal 01 Maret Tabel 4.4 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada Tanggal 02 Maret Tabel 4.5 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada Tanggal 05 Maret Tabel 4.6 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada Tanggal 06 Maret

17 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Mesin Pengering 10 Gambar 2.2 Kolektor Surya Konsentrator, (a) Line Focus, (b) Point Focus 12 Gambar 2.3 Evacuated Tube Collector 12 Gambar 2.4 Hubungan Matahari Dan Bumi 13 Gambar 2.5 Energi Yang Masuk Bumi 14 Gambar 2.6 Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya Pelat Datar 16 Gambar 2.7 Perpindahan Panas Konduksi 17 Gambar 2.8 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor 18 Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural. 19 Gambar 2.10 Konveksi Natural Dan Tebal lapisan Batas Pada Bidang Miring 21 Gambar 3.1 Kolektor 26 Gambar 3.2 Boks Pengering 28 Gambar 3.3 Alat Pengering 29 Gambar 3.4 Laptop 30 Gambar 3.5 Agilient 31 Gambar 3.6 Hobo Microstation data logger 32 Gambar 3.7 USB load cell 35 Gambar 3.8 Sampel Ubi Kayu 36 Gambar 3.9 Triplek 36 Gambar 3.10 Rockwool 37 Gambar 3.11 Kaca 37 Gambar 3.12 Sterofoam 38 Gambar 3.13 Pelat Seng 38 Gambar 3.14 Experimental Setup 39 Gambar 4.1 Rancangan Kolektor Surya 46 Gambar 4.2 Penampang Kolektor Surya 47 Gambar 4.3 Gradient Perpindahan Panas Pada Isolator 47

18 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 01 Maret Grafik 4.2 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 02 Maret Grafik 4.3 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 05 Maret Grafik 4.4 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 06 Maret Grafik 4.5 Waktu vs Temperatur 1 Maret 2013 pukul Grafik 4.6 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 01 Maret Grafik 4.7 Grafik Waktu vs Temperatur Pada Tanggal 01 Maret Grafik 4.8 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 01 Maret Grafik 4.9 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 02 Maret Grafik 4.10 Grafik Waktu vs Temperatur Pada Tanggal 02 Maret Grafik 4.11 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 02 Maret Grafik 4.12 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 05 Maret Grafik 4.13 Grafik Waktu vs Temperatur PadaTanggal 05 Maret Grafik 4.14 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 05Maret Grafik 4.15 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 06 Maret Grafik 4.16 Grafik Waktu vs Temperatur PadaTanggal 06 Maret Grafik 4.17 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas RadiasiMatahari Pada Tanggal 06 Maret

19 DAFTAR SIMBOL SIMBOL KETERANGAN SATUAN A Luas Penampang m 2 A Ketinggian Dari Permukaan Laut km B Konstanta Hari C p Panas Jenis kj/kg K E Faktor Persamaan Waktu menit E b Energi Matahari Yang Diterima Bumi kal/hari F Faktor Efisiensi Kolektor g Gravitasi m/s 2 G beam Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung Ke Permukaan Bumi W/m 2 G diffuse Radiasi Difusi W/m 2 G on Radiasi Di Atmosfer W/m 2 Gr L Bilangan Grashof G sc Radiasi Rata-Rata Yang Diterima Bumi W/m 2 G total Radiasi Total W/m 2 h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m 2 K hw Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi W/m 2 C I Itensitas Radiasi Matahari W/m 2 k Konduktivitas Bahan Termal W/m K L loc Posisi Bujur o Lst Standart Meridian o Nu Bilangan Nusselt. Q Laju Energi Panas Watt Ral Bilangan Rayleigh Re Bilangan Reynold S Konstanta Matahari Ly.menit -1 ST Waktu Matahari STD Waktu Lokal

20 T r Ts Temperatur Udara Sekitar Temperatur Dinding o C o C T Temperatur Udara Lingkungan V c Kecepatan Karakteristik m/s v Kecepatan Profil Kolektor m/s wq Nilai Ketidakpastian α Nilai Absorbsifitas β Koefisien Udara 1/K δ Sudut Deklinasi δ Tebal Lapisan Batas m ε Emisivitas Bahan η Efisiensi % ρ Massa Jenis kg/m 3 σ Kontanta Stefan Boltzomann W/m 2 K 4 m Laju Aliran Massa Udara kg/s τ Nilai Transmisifitas T Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor Δt Selang Waktu Perhitungan s T Perbedaan Temperatur φ Posisi Lintang Ө Kemiringan Kolektor o C o o C o C o o