DAFTAR ISI Halaman SAMPUL DALAM i PRASYARAT GELAR. ii LEMBAR PERSETUJUAN.. iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI.. iv UCAPAN TERIMA KASIH. v ABSTRAK.. vii ABSTRACT.. viii RINGKASAN... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR.. xiv DAFTAR TABEL. xvi BAB I PENDAHULUAN.. 1 1.1.Latar Belakang.. 1 1.2. Rumusan Masalah.. 4 1.3. Batasan Masalah.. 4 1.4.Tujuan Penelitian.. 5 BAB II KAJIAN PUSTAKA. 6 2.1. Pipa Kalor (Heat Pipe). 6 xi
2.2. Tipe Pipa Kalor 10 2.2.1. Pipa Kalor Konvensional.. 10 2.2.2. Pipa Kalor Melingkar 11 2.2.3. Pipa Kalor Datar (Vapor Chamber).. 12 2.3. Solar Collector Pipa Kalor.. 13 2.4. Fluida Kerja Pipa Kalor... 14 2.5. Kinerja Termal Pipa Kalor.. 16 BAB III KERANGKA BERFIKIR, KONSEP DAN HIPOTESA 17 3.1. Kerangka Berfikir. 17 3.2. Konsep.. 18 3.3. Hipotesis... 19 BAB IV METODE PENELITIAN. 20 4.1. Rancangan Penelitian... 20 4.2. Tahap Perancangan.. 21 4.3. Tahap Pengujian... 23 4.3.1. Skematik Pengujian 23 4.3.2. Variabel Penelitian. 25 4.4. Alat dan Bahan. 26 4.4.1. Data Acquisition (DAQ) 26 4.4.2. Thermocouple 27 4.4.3. Pipa Kalor.. 28 xii
4.4.4. Tabung Kaca.. 29 4.4.5. Solar Energy Meter 29 4.5. Lokasi dan Waktu Pengujian 30 4.6. Ruang Lingkup Penelitian 30 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 31 5.1. Karakterisasi Temperatur 31 5.2. Distribusi Temperatur Heat Pipe Solar Water Heater 37 5.2.1. Laju Aliran air 1 lpm 37 5.2.2. Laju Aliran Air 2 lpm 39 5.2.3. Laju Aliran Air 3 lpm 42 5.3. Hambatan Termal Pipa Kalor. 44 5.4. Laju Perpindahan Kalor. 45 BAB VI SIMPULAN 48 DAFTAR PUSTAKA xiii
DAFTAR GAMBAR Halaman 2.1 Pipa Kalor 7 2.2 Kondisi Kerja Pipa Kalor. 8 2.3 Perubahan Temperatur dan hambatan Termal pada Pipa Kalor. 9 2.4 Skema Pipa Kalor Konvensional. 11 2.5 Skema Pipa Kalor Melingkar 12 2.6 Pipa Kalor Datar 13 2.7 Solar Collektor Pipa Kalor 14 3.1 Kerangka Berfikir 17 4.1 Flow Chart Penelitian 20 4.2 Kolektor Surya Berbasis Pipa Kalor 22 4.3 Sistem Pemanas Air Dengan Kolektor Surya Berbasis Pipa Kalor 23 4.4 Pemasangan Alat Uji Kolektor Surya 24 4.5 Modul dan Chasis DAQ 26 4.6 Thermocouple 28 4.7 Pipa Kalor Tembaga.. 28 4.8 Solar Energy Meter. 29 5.1 Grafik Karakterisasi Temperatur 32 5.2 Grafik energi Panas Matahari yang diterima Kolektor. 34 5.3 Grafik Hambatan Thermal Pipa Kalor. 36 5.4 Grafik Perubahan Temperatur Pada Laju Aliran Air 1 lpm. 39 xiv
5.5 Grafik Perubahan Temperatur Pada Laju Aliran Air 2 lpm 41 5.6 Grafik Perubahan Temperatur Pada Laju Aliran Air 3 lpm. 43 5.7 Grafik hambatan Termal Pipa Kalor. 44 5.8 Grafik Nila Perpindahan Kalor 46 xv
DAFTAR TABEL Halaman 2.1 Kisaran Suhu Kerja Fluida Kerja Pipa Kalor 15 5.1 Data Hasil Karakterisasi Temperatur pada Kolektor Surya 31 5.2 Hasil Pengukuran Temperatur Kolektor Dengan LajuAliran Air 1 lpm. 38 5.3 Hasil Pengukuran Temperatur Kolektor Dengan LajuAliran Air 1 lpm. 40 5.4 Hasil Pengukuran Temperatur Kolektor Dengan LajuAliran Air 1 lpm. 42 xvi
ABSTRAK Untuk mengurangi penggunaan energi listrik yang bersumber dari fosil tersebut sudah banyak dikembangkan solar water heater dengan menggunakan evacuated tube collectors yang memanfaatkan sirkulasi fluida secara alami. Karena sirkulasi fluida kerja pada evacuated tube collectors hanya memanfaatkan efek grafitasi dan lintasan uap dan cairan pada lintasan yang sehingga terjadi kekeringan dan kollektor menjadi tidak berfungsi. Dalam penelitian ini kolektor surya dibuat menggunakan tabung kaca yang divakum dengan berbasis pipa kalor yang kemudian dirangkaikan sehingga menjadi sistem pemanas air yang berbasis pipa kalor. Pengujian dilakukan pada pagi hingga siang hari mulai pukul 09.00 wita sampai 14.00 wita. Hasil pengujian menunjukkan bahwa temperatur kerja pipa kalor mulai pagi hingga siang hari cenderung meningkat, hal ini dipengaruhi oleh energi panas matahari yang diterima oleh pipa kalor, dimana energi panas matahari dari pagi hingga siang terus mengalami peningkatan. Dari hasil pengujian kolektor surya berbasis pipa kalor mampu memanaskan air hingga temperatur 71 o C dengan laju aliran air 1 lpm. Hambatan termal tertinggi terjadi pada pukul 09.00 sebesar 0,388 Watt/ o C, terkecil pada pukul 14.30 sebesar 0,027 Watt/ o C. Kata kunci: Kolektor surya, pipa kalor, tabung vakum xvii
ABSTRACT To reduce the use of electricity that comes from the fossil has been developed using a solar water heater with evacuated tube collectors that utilize natural circulation of fluid. Due to the circulation of the working fluid in the evacuated tube collectors utilize only the effects of gravity and the trajectory of vapor and liquid on the track, causing drought and kollektor become dysfunctional. In this study the solar collector is made using glass tubes that vacuum with pipe based heat which is then sequenced so that a water-based heating systems heat pipe. Tests done in the morning until noon from 09:00 pm until 14:00 pm. The test results showed that the temperature of the heat pipe work from morning to afternoon is likely to increase, it is influenced by solar thermal energy received by the heat pipe, where the thermal energy of the sun from morning to afternoon is constantly increasing. From the test results based solar collector heat pipe is capable of heating water to a temperature of 71 o C with the flow rate of water 1 lpm. The highest thermal barriers at 09.00 amounted to 0,388 Watt / o C, the smallest in 14.30 amounted to 0,027 Watt / o C. Keywords: solar collectors, heat pipe, vacuum tube xviii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada umumnya energi yang digunakan dalam berbagai kegiatan manusia adalah energi yang bersumber dari fosil. Kegiatan manusia tersebut menyebabkan tejadinya eksploitasi besar besaran pada sumber energi fosil yang berdampak pada perusakan lingkungan hidup. Di samping itu pemakaian energi fosil juga menghasilkan gas-gas sisa yang berbahaya seperti CO2, CO, NOX dan sebagainya yang berdampak buruk bagi kehidupan manusia dan juga menimbulkan pemanasan global.(i. Raharjo and I. Fitriana, 2005) Masalah lain yang cukup memperihatinkan adalah masalah ketersediaan dari sumber energi itu sendiri. Dengan besarnya permintaan atas sumber energi yang tidak dapat diperbaharui, maka jumlah sumber daya energi ini akan habis. Hal ini diperburuk dengan bertambahnya jumlah penduduk dan meningkatnya permintaan. Untuk itu maka diperlukan adanya suatu energi alternatif yang bisa dimanfaatkan sebagai pengganti energi yang bersumber dari fosil tersebut. Salah satu energi alternatif yang dapat kita gunakan adalah energi matahari. Secara astronomis Indonesia yang terletak antara 6 o LU-11 o LS dan 95 o BT dan 141 o BT memiliki potensi energi surya yang sangat besar yaitu sekitar 4,8 KWh/m 2, tetapi pemanfaatannya belum maksimal yakni masih kurang dari 1% dari potensi energi matahari di Indonesia (Raharjo, 2005). xix
Salah satu pemanfaatan sinar matahari adalah sebagai sumber pembangkit listrik. Sinar matahari juga digunakan sebagai sumber energi dalam pemanasan air, baik air panas dalam rumah tangga maupun air panas pada perhotelan dengan menggunakan solar water heater (G. Bourke and P. Bansal, 2012). Solar water heater yang banyak digunakan adalah solar water heater konvensiaonal dimana untuk mensirkulasikan fluida kerja pada kolektor surya menggunakan pompa sehingga masih menggunakan energi listrik yang sebagian besar bersumber dari energi fosil. Untuk mengurangi penggunaan energi listrik yang bersumber dari fosil tersebut sudah banyak dikembangkan solar water heater dengan menggunakan evacuated tube collectors yang memanfaatkan sirkulasi fluida secara alami. Karena sirkulasi fluida kerja pada evacuated tube collectors hanya memanfaatkan efek grafitasi dan lintasan uap dan cairan pada lintasan yang sehingga terjadi kekeringan dan kollektor menjadi tidak berfungsi. (Y.S. Too, dkk, 2009) Untuk mengatasi permasalahan energi fosil maka dilakukan pengembangan pipa kalor dengan sumbu pipa kapiler sebagai tube kolektor solar water heater. Sumbu kapiler merupakan media berpori yang dapat memisahkan antara lintasan uap yang menuju bagian kondensor dengan lintasan cairan yang menuju bagian evaporator, dimana sumbu kapiler ini merupakan salah satu factor yang sangat menentukan kinerja pipa kalor yang tentunya juga akan mempengaruhi kinerja solar water heater (T. Kaya and J. Goldak, 2006) Menurut N. Putra, dkk, pengembangan pipa kalor dengan sumbu kapiler screen mesh masih belum optimal karena screen mash memiliki kapilaritas yang xx
rendah sehingga sirkulasi fluida kerja tidak optimal yang mengakibatkan perpindahan kalor ke bagian kondensor juga tidak optimal. Disamping itu kolektor yang hanya berupa silinder pipa mengakibatkan sinar matahari masih banyak terlewatkan akibat terbatasnya area tangkapan panas sinar matahari. D.A.G. Redpath menyebutkan pemanfaatan heat pipe pada solar collector bertipe tabung vakum merukapan pengembangan yang baru. D.A.G. Redpath pada risetnya tentang Thermosyphon heat-pipe evacuated tube heat-pipe solar water heaters for northern maritime climates, menyebutkan bahwa pada kondisi klimatik sementara, riset sebelumnya melaporkan bahwa solar kolektor tabung vakum dengan penyerap heat pipe adalah solusi paling efektif untuk pengumpulan energi panas. D.A.G. Redpath, dkk. juga menyebutkan bahwa sebuah ruang berselubung gelas vakum dapat mengurangi kehilangan kalor secara konveksi dan konduksi dari penyerap ke lingkungan sementara pemilihan lapisan tertentu akan mengurangi kehilangan kalor secara radiasi. Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan, pipa kalor memang memiliki keunggulan tersendiri. Disamping kinerjanya yang sangat baik karena berlangsung secara dua fasa, pipa kalor juga merupakan alat yang memindahkan kalor secara pasif atau tidak memerlukan daya tambahan dari luar sehingga secara tidak langsung dapat mengurangi konsumsi energi dari bahan fosil. Keuntungan dalam pemanfaatan pipa kalor sebagai penukar kalor atau pendingin diantaranya siklus pemindahan kalor yang relatif lebih singkat, kekompakan dimensi, menigkatkan koefisien perpindahan kalor yng cukup tinggi serta tidak xxi
diperlukannya daya tambahan karena sirkulasi terjadi secara natural (Vasiliev, 2005). Dari beberapa penelitian tersebut maka dalam penelitian ini akan dibuat sistem pemanas air (solar water heater) dengan menggunakan kolektor surya berbasis pipa kalor yang diharapkan mampu menyerap dan memindahkan kalor dengan cepat untuk memanaskan air tanpa menggunakan energi listrik atau energi lainnya yang bersumber dari fosil. 1.2. Rumusan Masalah Pada penelitian ini permasalahan yang ada adalah : a. Seberapa besar kemampuan tube kolektor dalam menyerap dan memindahkan kalor yang diserap dari matahari untuk memanaskan air pada sistem pemanas air. b. Berapa besar hambatan termal pipa kalor dalam pemanfaatannya sebagai sistem pemanas air kolektor surya 1.3. Batasan masalah Untuk lebih memfokuskan penelitian ini maka perlu dibuat batasanbatasan sebagai berikut: a. Kolektor surya dibuat dari 4 (empat) buah tabung kaca berbasis pipa kalor dengan diameter 10 mm dan panjang 700 mm b. Penelitian pusatkan pada tingkat penyerapan energi matahari dan kinerja kolektor surya sebagai pemanas air xxii
c. Dalam penelitian ini kinerja termal yang dihitung difokuskan pada hambatan termal pipa kalor dan besarnya laju perpindahan kalor yang terjadi pada sisi kondensor pipa kalor. 1.4. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: c. Untuk mengetahui kemampuan tube kolektor dalam menyerap dan memindahkan kalor yang diserap dari matahari untuk memanaskan air pada sistem pemanas air. d. Untuk mengetahui besarnya hambatan termal pipa kalor dalam pemanfaatannya sebagai sistem pemanas air kolektor surya xxiii