PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmhg, 40 cmhg DAN 35 cmhg DENGAN VARIASI SUDUT KOLEKTOR 20 0 DAN 30 0 Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh: IMMANUEL RICHART P. SEMBIRING (110401130) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial. Dengan menggunakan alat yang disebut dengan Pemanas Air Tenaga Surya (PATS), dapat dilakukan pemanas air secara terus menerus tanpa mengeluarkan biaya yang besar. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air, biasanya dalam modus sirkulasi alami. Kelemahan utama dari pemanas air tenaga surya adalah proses perpindahan panas rendah. Menggunakan refrigeran sebagai fluida sekunder untuk mentransfer panas merupakan solusi yang terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan fluida kerja refrigeran R-718 dengan memvakum fluida tersebut pada tekanan yang berbeda serta dengan pengaturan kemiringan absorber yang berbeda pula. Tiga kolektor digabungkan dalam satu unit yang dirancang dan dibuat sebagai peralatan eksperimen. Dimensi masingmasing kolektor adalah pelat absorber berukuran 20 x 100 (cm), dua pipa panas dengan diameter 3/4 inci dan satu tangki air berisi 4 liter. Penelitian dengan memanfaatkan refrigeran bertekanan vakum 45 cmhg, 40 cmhg dan 35 cmhg. Adapun penelitian terhadap tiga tekanan yang berbeda tersebut dilakukan bersamaan dengan tiap penelitian dilakukan variasi sudut kemiringan pada sudut 20 0 dan 30 0 dengan tahap penelitian sebagai berikut: 1) Mengisi pipa panas pada kolektor 1, 2 dan 3 masing masing dengan refrigeran R-718 vakum 45 cmhg. 40 cmhg dan 35 cmhg, 2) Melakukan pengujian dengan kemiringan absorber tiap pengujian sebesar 20 0 dan 30 0. Adapun hasil penelitian ini adalah: 1)Pada tekanan fluida kerja vakum 45 cmhg dan sudut kemiringan 30 0 didapat suhu pemanasan air tertinggi 2) Temperatur kolektor berbanding lurus dengan temperatur air pada tangki. 3) Efisiensi pada temperatur air maksimum dari kolektor pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan fluida sekunder refrigeran R-718 sudut 20 0 tertinggi pada tekanan vakum 35 cmhg sebesar 30,02% dengan temperatur air maksimum 56,21 0 C dan pada sudut 30 0 efesiensi pada tekanan vakum 35 cmhg sebesar 43,75% dengan temperatur air maksimum 59,69 0 C. 4) Efisiensi terbaik adalah pada kolektor dengan fluida kerja vakum 35 cmhg. Kata kunci: pipa panas, refrigeran, pemanas air, energi surya i
ABSTRACT Solar energy is one of renewable energy resource potential. By using an instrument called the Solar Water Heater, water heating can be carried out continuously without spending huge costs. At this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water, usually in natural circulation mode. The main drawback of solar water heater is the process of heat transfer is low. Using refrigerant as a secondary fluid to transfer heat is the best solution. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heating systems using the heat pipe working fluid refrigerant R-718 by vacuuming the fluid at different pressures and with the slope setting different absorber. Three collectors are combined in a single unit designed and manufactured as experimental equipment. The dimensions of each collector is the absorber plate measuring 20 x 100 (cm), two heat pipes with a diameter of 3/4 inch and a water tank contains 4 liters. Research by utilizing a vacuum pressure refrigerant 45 cmhg, 40 cmhg and 35 cmhg. The study of three different pressures is performed in conjunction with each variation of the angle of research conducted on the corner of 20 0 and 30 0 with the phase of the study as follows: 1) Fill the heat pipes on the collector 1, 2 and 3 respectively with refrigerant R-718 vacuum 45 cmhg, 40 cmhg and 35 cmhg, 2) Conducting tests with each test absorber slope of 20 0 and 30 0. The results of this study are: 1) In the working fluid pressure of 45 cmhg vacuum and the angle of 30 0 obtained the highest temperature of the water heating 2) The temperature of the collector is proportional to the temperature of the water in the tank. 3) The efficiency at maximum water temperature of solar water heater collector heat pipe system with a secondary fluid refrigerant R-718 at 20 0 top corner on 35 cmhg vacuum pressure is 30.02%, and the maximum water temperature is 56,21 0 C. At 30 0, efficiency in 35 cmhg vacuum pressure is 43,75% with the rate of maximum temperature water is 59.69 0 C. 4) The best efficiency for solar water heater is obtained when the vacuum pressure rate of refrigerant R-718 is 35 cmhg. Keywords: heat pipes, refrigerant, water heaters, solar energy ii
DAFTAR ISI ABSTRAK.. i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL xii DAFTAR LAMPIRAN xiii DAFTAR NOTASI.. xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang.. 1 1.2. Perumusan Masalah... 3 1.3. Batasan Masalah 3 1.4. Tujuan Penelitian.. 4 1.4.1. Tujuan Umum 4 1.4.2. Tujuan Khusus.. 4 1.5. Manfaat Penelitian 4 1.6. Sistematika Penulisan 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan Panas 7 2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi 7 2.1.2. Teori Dasar Konveksi 7 2.1.3. Perhitungan Panas Radiasi 8 2.2. Radiasi Surya 8 2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya 8 2.2.2. Absorbtivitas, Reflectivitas dan Transimitas 9 2.2.3. Rumusan Radiasi Surya 11 2.2.4. Hipotesis Pengaruh Sudut 18 2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS 19 2.3. Panas, Panas Latent, dan Panas Sensible.. 20 2.3.1. Pengaruh Heat (Panas) Terhadap Wujud Benda... 20 v
2.3.2. Jenis panas 21 2.3.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya. 22 2.4. Alat Pemanas Air Tenaga Surya.. 22 2.4.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya. 23 2.4.2. Plat Absorber Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya 24 2.4.3. Isolator Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya. 25 2.4.4. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya.. 25 2.4.5. Energi yang Diserap oleh air. 27 2.4.6. Efisiensi dari Kolektor.. 28 2.5. Refrigeran R-718.. 28 BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu 31 3.1.1. Tempat Penelitian.. 31 3.1.2. Waktu Pelaksanaan 31 3.2 Bahan dan Peralatan. 31 3.2.1. Bahan 31 3.2.2. Peralatan 32 3.3. Pelaksanaan Penelitian.. 40 3.3.1. Pemeriksaan Peralatan.. 41 3.3.2. Persiapan Pendahuluan. 41 3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran. 42 3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor. 42 3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian. 42 3.4. Eksperimen Set-UP 43 3.5. Variabel Penelitian 43 3.5.1. Variabel bebas.. 43 3.5.2. Variabel terikat. 44 3.6. Analisa Data.. 44 3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian.. 45 vi
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Penelitian 46 4.2. Analisa Suhu Kolektor dan Air pada Tangki dari Hasil Penelitian.. 46 4.2.1. Penelitian Tahap I 46 4.2.2. Penelitian Tahap II... 48 4.2.3. Penelitian Tahap III.. 50 4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 20 o.. 52 4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) 52 4.3.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) 56 4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum.... 57 4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 30 o.. 58 4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident )... 58 4.4.2. Energi yang Diserap Air (Q u )... 61 4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum.. 62 4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 20 o 63 4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident )... 63 4.5.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) 67 4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum.. 68 4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 30 o. 69 4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ). 71 4.6.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) 73 4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum 74 4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 20 o.. 75 4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) 76 4.7.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) 78 4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum 80 4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 30 o.. 81 4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ). 81 4.8.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) 84 4.8.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum.. 85 vii
4.9. Fluktuatif Tekanan Saat Pengujian.. 87 4.10. Data cuaca saat penelitian berlangsung... 89 4.11. Pembahasan. 95 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan. 98 5.2.Saran... 99 DAFTAR PUSTAKA. xv LAMPIRAN. xvii viii
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1. 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2. 4.3 4.4 4.5 4.6 Interaksi Energi Surya... Pola Absorpsi Radiasi Surya..... Hubungan antara Matahari dan Bumi Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari...... Pengaruh Koefisien Sudut Pengubah Terhadap Kemiringan Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)... Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber. Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi.... Tata Letak Lokasi Penelitian Skema Pemanas Air Tenaga Surya...... Pompa Vacum... Manifold Gauge... Agilient 34972 A.. Laptop Hobo Microstation data logger. Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya..... Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 20 o Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 30 o... Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 20 o... Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 30 o... Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 20 o... Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padavacum 45 cmhg, 40cmHg dan 35 cmhg Vs Waktu pada Sudut 30 o... 9 10 10 11 14 20 23 26 26 31 33 34 34 35 36 37 43 47 48 49 50 51 52 ix
4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu.. Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap I Sudut 20 o..... Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap I Sudut 20 o..... Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu.. Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap I Sudut 30 o. Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap I Sudut 30 o..... Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu.. Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap II Sudut 20 o... Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap II Sudut 20 o... Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu. Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap II Sudut 30 o... Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap II Sudut 30 o.... Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu...... Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap III Sudut 20 o.. Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap III Sudut 20 o.. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu. Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian Tahap III Sudut 30 o.. Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian Tahap III Sudut 30 o...... Tekanan Saat Awal Pengujian... Tekanan Pada Pukul 09.00... 53 56 57 59 62 63 64 68 69 70 74 75 76 79 80 82 85 86 91 91 x
4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 4.38 4.39 4.40 Tekanan Pada Pukul 10.00... Tekanan Pada Pukul 11.00... Tekanan Pada Pukul 12.00... Tekanan Pada Pukul 13.00... Tekanan Pada Pukul 14.00... Tekanan Pada Pukul 15.00... Tekanan Pada Pukul 16.00... Perubahan Tekanan Dan Temperatur Air Terhadap Waktu.. Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap I Sudut 20 o.... Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap I Sudut 30 o.... Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap II Sudut 20 o....... Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap II Sudut 30 o....... Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap III Sudut 20 o..... Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap III Sudut 30 o..... 92 92 93 93 94 94 95 95 96 96 97 98 98 99 xi
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1. 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Urutan Hari Berdasarkan Bulan... Faktor Koreksi Iklim Emisivitas Material... Sifat R-718 pada tekanan vacum 45 cmhg (0,4001 bar absolut). Sifat R-718 pada tekanan vacum 40 cmhg (0,466 bar absolut)....... Sifat R-718 pada tekanan vacum 35 cmhg (0,533 bar absolut)... Spesifikasi Measurement Apparatus... Spesifikasi Pyranometer...... Spesifikasi Wind Velocity Sensor.... Spesifikasi T dan RH Smart Sensor.... Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap... Perbandingan Efisiensi. Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada Kemiringan Kolektor 20 0. Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada Kemiringan Kolektor 30 0. Efisiensi pada Temperatur Air Maksimum dari Setiap Penelitian... 12 16 24 29 29 30 37 38 39 40 46 90 100 101 102 xii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data Pengujian tahap I Sudut 20 Derajat Tangggal 18 Maret 2015... Lampiran 2. Data Pengujian tahap I Sudut 30 Derajat Tangggal 17 Maret 2015... Lampiran 3. Data Pengujian tahap II Sudut 20 Derajat Tangggal 31 Maret 2015... Lampiran 4. Data Pengujian tahap II Sudut 30 Derajat Tangggal 30 Maret 2015... Lampiran 5. Data Pengujian tahap III Sudut 20 Derajat Tangggal 4 April 2015... Lampiran 6. Data Pengujian tahap III Sudut 30 Derajat Tangggal 11 April 2015... Lampiran 7. Energi dan Efisiensi Tahap I sudut 20 0 Penelitian Tanggal 18 Maret 2015.. Lampiran 8. Energi dan Efisiensi Tahap I sudut 30 0 Penelitian Tanggal 17 Maret 2015.. Lampiran 9. Energi dan Efisiensi Tahap II sudut 20 0 Penelitian Tanggal 31 Maret 2015. Lampiran 10. Energi dan Efisiensi Tahap II sudut 30 0 Penelitian Tanggal 30 Maret 2015... Lampiran 11. Energi dan Efisiensi Tahap III sudut 20 0 Penelitian Tanggal 4 April 2015. Lampiran 12. Energi dan Efisiensi Tahap III sudut 30 0 Penelitian Tanggal 11 April 2015... xvi xviii xx xxii xxiv xxvi xxviii xxx xxxii xxxiv xxxvi xxxviii Lampiran 13. Uji Korepasi dan Regresi xxxx xiii
DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan G on Radiasi Atmosfir W/m 2 G sc Konstanta Surya W/m 2 Q incident Panas Matahari Joule A Luas Penampang Pelat Absorber (m 2 ) I Intensitas Cahaya Matahari (W/m 2 ) Q abs Panas Absorber Joule Q ref Panas Yang Dipantulkan Joule α difusifitas bahan - Q u Energi Berguna dari Kolektor Ke Air Kilojoule m w massa air kg C p,w Panas jenis dari air kj/kg. 0 C T w1 T w2 Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor Ƞ Efisiensi Kolektor PATS % 0 C 0 C xiv
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada Tekanan Vakum 45 cmhg, 40 cmhg, dan 35 cmhg dengan Variasi Sudut Kolektor 20 0 dan 30 0. Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada: 1. Orang tua penulis K. Sembiring dan Yuliana Sumiyem yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 2. Bapak Ir.Tekad Sitepu,MT selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi ini. 3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun. 4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera. 6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan. iii
7. Rekan satu tim skripsi yaitu Ardiko Pardede yang selalu menyemangati penulis dengan sabar. 8. Sahabat-sahabat saya Prina Margaret, Riky Stepanus, Plorensi dan kelompok kecil Jeflo serta seluruh keluarga besar saya di Medan. 9. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin terkhusus stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua. Terimakasih. Medan, Juni 2015 Immanuel Richart P. Sembiring iv