PENDEKATAN TEORI A. Perpindahan Panas Perpindahan panas didefinisikan seagai ilmu umtuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya peredaan suhu diantara enda atau material (Holman,1986). Perpindahan panas erhuungan dengan laju perpindahan panas dan penyearan suhu dalam sistem. Pada alat penukar panas, perpindahan panas erlangsung dengan cara: 1. Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas melalui kontak langsung antara molekul zat yang ereda suhu. Besaran perpindahan panas secara konduksi tergantung pada nilai konduktivitas panas ahan. 2. Konveksi Konveksi merupakan perpindahan panas yang dihuungkan dengan pergerakan fluida. Jika fluida ergerak karena adanya gaya gerak dari luar maka diseut konveksi paksa, sedangkan jika pergerakan fluida terjadi karena peredaan masa jenis yang diseakan oleh peredaan suhu diseut konveksi alami. 2.1. Konveksi Alami Konveksi alami dipengaruhi oleh perandingan antara gaya apung dan kekentalan fluida atau diseut dengan ilangan Grashof. Semakin esar ilangan Grashof maka perpindahan panasnya semakin efektif. Konveksi eas dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan (Holman,1986) erikut: Gr = g β ( T T 2 ν 3 ϖ ) x... (1) Nu = C( Gr Pr) m... (2) h= Nu k x... (3) 9
g = gravitasi (9.8m/s) β = koefisien muai panas udara (1/K) ν = viskositas kinematik (m 3 /s) Pr = ilangan Prandtl Nud = ilangan Nusselt Gr = ilangan Grashof T w = suhu dinding ( o C ) T = suhu antara dua dinding( o C ) x = tinggi idang tegak (m) C,m = konstanta erdasar nilai GrPr pada geometri tertentu. 2.2. Konveksi Paksa Untuk aliran yang terjadi karena adanya gaya tamahan dari luar, maka koefisien pindah panas pada penukar panas yang disusun erupa pipa, dapat dicari dengan menggunakan persamaan (Holman, 1986) erikut. Nu d = 1.86(Re Pr) 1 3 d L 1 3 µ µ w 0.14... (4) Persamaan diatas erlaku untuk perpindahan kalor aliran laminer (Re < 5 x10 5 ). Sedangkan untuk aliran turulen (Re > 5 x10 5 ) digunakan persaman: Nu d = 0.027 Re 0.8 Pr 1 3 µ µ w 0.14... (5) ρν md Re =... (6) µ 10
B. Kolektor Surya Jumlah panas yang terkumpul pada suatu kolektor merupakan keseimangan antara jumlah panas terserap dan panas yang hilang dari sistem kolektor terseut. Untuk menghitung jumlah panas yang terkumpul digunakan persamaan Kamaruddin (1998) seagai erikut : erikut : Q = Q c Q l... (7) Q = jumlah panas terkumpul (W/ m 2 ) Q c = jumlah panas terserap (W/ m 2 ) Q l = jumlah panas hilang dari kolektor (W/ m 2 ) Jumlah panas yang masuk ditentukan dengan menggunakan persamaan Q c = IA p (τα)... (8) (τ α ) = hasil perkalian koefisien temus cahaya penutup I transparan dan koefisien penyerap panas energi surya oleh plat penyerap. = laju radiasi surya yang ditangkap oleh permukaan kolektor (W/ m 2 ) A p = luas plat kolektor (m 2 ) Sedangkan jumlah panas yang hilang dari kolektor dapat ditentukan dengan menggunakan persaman erikut : Q A ( T T ) s l = U t + U + U s c a A... (9) c U t = kehilangan panas agian atas kolektor (W/ m 2 o C ) U = kehilangan panas dari agian awah kolektor (W/ m 2 o C ) U s = kehilangan panas dari agian samping kolektor (W/ m 2 o C ) A s = luas sisi kolektor (m 2 ) A c = luas permukaan kolektor (m 2 ) T c = suhu permukaan asorer ( o C) T a = suhu udara sekeliling ( o C) 11
Kehilangan panas pada agian atas kolektor dicari dengan menggunakan persamaan : U t 1 = 1 x + h k tk tk... (10) U t = kehilangan panas pada agian atas kolektor ( W/m 2 o C) h = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir di agian dalam polikaronat atau konveksi secara alami (W/ m 2 o C ) x tk = teal tutup kolektor (m) k tk = konduktivitas panas tutup kolektor (W/ m 2 o C ) Kehilangan panas pada agian awah kolektor dicari dengan menggunakan persamaan : U 1 = 1 x + h k g g... (11) U = kehilangan panas pada agian awah kolektor ( W/m 2 o C) h = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir di agian dalam glas wool atau konveksi secara alami (W/ m 2 o C) x xp = teal glas wool (m) k p = konduktivitas panas glas wool (W/ m 2 o C) Karena iasanya luas agian samping kolektor sangat kecil diandingkan dengan permukaan atas atau permukaan awah dari kolektor, maka iasanya panas yang hilang dari agian samping tadi diaaikan. 12
Dengan demikian maka keseimangan energi pada kolektor datar dinyatakan dengan menggunakan persamaan erikut : Q p ( ) U A ( T T ) = IA τα... (12) L t L p c a U = U + U... (13) Efisiensi kolektor datar (η c ) merupakan perandingan antara jumlah panas yang terkumpul dan panas yang datang Kamaruddin (1998) atau : Tc Ta η c = τα U L... (14) I C. Tungku Pemakaran Pada pemakaran sempurna, ahan akar akan menghasilkan sejumlah energi panas yang umumnya diseut seagai nilai kalor panas. Nilai kalor panas ahan akar yang umumnya digunakan seagai patokan adalah nilai kalor panas pada tingkat rendah ( Low Heating Value = LHV ) yang iasa diperoleh antara lain dengan cara pengukuran menggunakan alat Bom Calorimeter. Pada pemakaran secara aktual energi panas yang dihasilkan umumnya leih kecil dari nilai kalor panas ahan akar yang ersangkutan karena pemakaran erlangsung tidak hais atau tidak sempurna. Perandingan antara jumlah energi panas yang dihasilkan dengan nilai kalor panas ahan akar diseut seagai effisiensi pemakaran. Efisiensi sistem tungku merupakan perandingan antara jumlah energi yang digunakan untuk meningkatkan suhu ruangan dengan energi yang dierikan oleh tungku pemanas, dinyatakan dalam persamaan Kamaruddin (1998) erikut : mu Cpu ( Tuin Ta ) η t = m Cv... (15) 13
m u = massa udara (kg) Cp u = panas jenis udara (kj/kg o C) T uin = suhu ruang pengering ( o C ) T a = suhu lingkungan ( o C ) m = Cv = masa ahan akar (kg) nilai kalor ahan akar (kj/kg) D. Sistem Penukar Panas Analisis unjuk kerja dari penukar panas akan dipengaruhi oleh deskripsi fisik dari parameter-parameter yang terliat. Hal pertama yang perlu diketahui adalah entuk aliran dari fluida seperti Crossflow, parallelflow atau counterflow maupun penukar panas dengan model sheel and tue serta erapa kali fluida akan melewati masing-masing pipa dalam penukar panas. Kedua adalah dimensi fisik dari penukar panas seperti ukuran pipa, ahan dari pipa serta jumlah total permukaan pindah panas yang terliat. Perhitungan unjuk kerja dari penukar panas didasarkan pada konsep keseimangan energi yang terjadi sepanjang penukar panas dan efektifitas dari penukar panas. Laju perpindahan panas untuk eragai tipe penukar panas dapat ditentukan dengan menggunakan persaman erikut (Kreith,1973) : Q= UA TLog... (16) U = koefisien pindah panas keseluruhan (W/ m 2 o C ) A = total luas pindah panas ( m 2 ) T Log = eda suhu keseluruhan logaritmik ( o C) Koefisien pindah panas keseluruhan untuk penukar panas yang erentuk pipa dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan erikut (Holman,1986) : 14
U = 1 + hi 1 ro AiLn ri 2πKL + Ai Ao... (17) 1 ho k = konduktivitas panas ahan penukar panas (W/m o C ) hi = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir diagian dalam pipa atau konveksi secara alami (W/ m 2 o C ) ho= koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir diagian luar pipa atau konveksi secara paksa (W/ m 2 o C ) r o = jari - jari luar pipa (m) r i = jari - jari dalam pipa (m) Ai = luas dalam taung (m 2 ) L = panjang pipa (m) Sedangkan eda suhu keseluruhan logaritmik didapat dengan menggunakan persamaan: T Log = T1 T T1 Ln T 2 2... (18) T 1 = Th i Tc o... (19) T 2 = Th o Tc i... (20) Dengan : Th i = suhu udara pemakaran masuk penukar panas ( o C) Th o = suhu udara pemakaran ke luar dari penukar panas ( o C ) Tc i = suhu udara pengering masuk penukar panas ( o C ) Tc o = suhu udara pengering yang keluar dari penukar panas ( o C ) 15
Keefektifan penukar panas merupakan perandingan laju perpindahan panas yang seenarnya dalam penukar panas terhadap laju pertukaran panas maksimum yang mungkin. Keefektifan penukar panas dihitung dengan menggunakan persamaan (Holman,1986) : N { 1 exp[ C( e )]} 1 ε = 1... (21) C UA N = NTU =... (22) maks C min ( mcp) min ( mcp) maks Cmin C = =... (23) C ε = efektifitas penukar panas NTU = satuan perpindahan panas C = laju kapasitas udara (W/ o C) m = laju aliran massa udara (kg/dt) Cp = panas jenis udara (kj/kg. o C) Cmin = laju kapasitas udara yang leih kecil (kw/ o C) Cmax = laju kapasitas udara yang leih esar (kw/ o C) 16