RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK PEMANAS AIR DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLEH CHRIST JULIO BANGUN NIM. 130421021 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2016
RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK PEMANAS AIR DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM CHRIST JULIO BANGUN NIM. 130421021 Telah Disetujui Oleh: Pembimbing Skripsi, Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT NIP. 197206102000121001 Penguji I Penguji II Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. Ir. Zaman Huri, M.T. NIP. 194910121981031002 NIP. 194511051971061001 Diketahui Oleh : Departemen Teknik Mesin Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.196412241992111001
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sebab karena kasih dan karunianya penulis mampu menyelesaikan tugas sarjana ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sehingga memperoleh gelar sarjana, di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Adapun tugas sarjana yang dipilih dengan judul Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar Untuk Pemanas Air Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT., selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Univesitas Sumatera Utara. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staff laboratorium di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. 4. Orang Tua penulis Ibu Rumondang Sianipar dan Darmawan Bangun(+) yang senantiasa memberikan doa dan dorongan dalam menyelesaikan skripsi ini. 5. Abang dan kakak, Ferry Gunawan Bangun, Dony Franky Bangun, Novrida Krisyanti Bangun dan Selvy Rehulinta Bangun yang telah memberikan dukungan baik dalam doa, dana dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi ini. 6. Rekan satu tim Safriansyah Hasibuan dan teman-teman ekstensi angkatan 2013 yang telah memberikan saran dan masukan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun i
untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis mengucapkan banyak terima kasih. Medan, 13 Februari 2016 Penulis. Christ Julio bangun NIM. 130421021 ii
ABSTRAK Salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan air panas adalah energi surya. Alat ini dinamakan sebagai pemanas air tenaga surya. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air pada pipa penukar kalor. Salah satu kelemahan pemanas air tenaga surya tekhusus pada kolektor surya plat datar adalah kehilangan panas yang cukup tinggi. Menggunakan kaca berlapis merupakan salah satu solusi terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya dengan kaca berlapis. Kali ini yang akan dipanasi oleh kolektor surya adalah air laut. Dimensi dari kolektor surya plat datar ini adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m, dan kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x 0,005 m sedangkan kaca penutup 2 yaitu 1,0 m x 0,5 m x 0,005 m dengan jarak antara kaca penutup 1 dan kaca penutup 2 adalah 0,005 m. Kolektor surya terdiri dari lapisan kayu, sterofoam, dan rockwoll sebagai isolator, plat alumunium sebagai penyerap panas. Dan juga dirancang tangki tempat air yang akan dipanasi yaitu 0,3 m x 0,3m x 0,4 m. Dari hasil analisis yang dilakukan diperoleh panas radiasi pada pukul 12.41 WIB adalah 870,6 W/m 2 yang dapat diserap kolektor adalah 689,09 Watt, kehilangan panas pada kolektor adalah 174,838 Watt dan efisiensi dari kolektor surya yang didapat adalah 64,7%. Kata Kunci : Pemanas Air, Kolektor Surya, Kaca Berlapis, Pindahan Panas iii
ABSTRACT One of the potential renewal energy resources in producing hot water is solar energy. This device is called solar energy water heater. In this device, solar energy is collected and transfered to water. The weakness of this solar energy water heater is that the process of transfering in pipe. One disadvantage of solar water heaters especially those on a flat plate solar collector is high enough heat loss. Using a layered glass is one of the best solution. The objective of the research was to find out the performance of solar energy water heater with glasslined. This time will be heated by the solar collectors is sea water. Dimension of the flat-plate collector is 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m and glass cover one is 1,2 m x 0,6 m x 0,005 m and glass cover two is 1,0 m x 0,5 m x 0,005. Solar collector consist of a layer of wood, sterofoam and rockwoll as insulators, alumunium plate as a heat sink. And also designed the tank where the water will be heated namely 0,3m x 0,3m x 0,4m. From the result obtained by the analysis at.12.41 is 870 W/m 2 carried an average heat radiation that can be absorbed by the collector is 689,09 Watts, the average heat loss in collector is 174,838 Watts and the average efficiency of the solar collector obtained during the testing process is 64,7 %. Keywords : Heat Water, Solar Collector, Glass-lined, Heat Transfer iv
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR LAMPIRAN... xii DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan penelitian... 3 1.3. Manfaat Penelitian... 3 1.4. Batasan Masalah... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1. Kolektor Surya Plat Datar... 5 2.2. Klasifikasi Kolektor Surya... 7 2.2.1. Jenis Kolektor Surya... 8 2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya... 10 2.3. Posisi Matahari... 12 2.4. Perpindahan Panas... 13 2.4.1. Konduksi... 13 v
2.4.2. Konveksi... 15 2.4.3. Radiasi... 18 2.5. Penukar Kalor (Heat Exchanger)... 22 2.5.1 Jenis Penukar Kalor... 23 2.6. Kehilangan Panas pada Bagian Atas... 24 2.7. Tinjauan Mekanika Fluida... 27 2.7.1 Viskositas... 27 2.7.2 Bilangan Reynold... 27 2.7.3 Persamaan Kontinuitas... 28 2.7.4 Perpindahan Klaor pada Air... 28 2.8. Desalinasi Air Laut...... 29 2.9. Energi Panas yang dikumpulkan Kolektor...... 31 2.10. Efisiensi Termal Kolektor...... 31 BAB III METODE PENELITIAN... 32 3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian... 32 3.2. Waktu dan Tempat Penelitian... 33 3.3. Metode Perancangan... 33 3.4. Perancangan Kolektor Surya... 33 3.4.1. Perancangan Kaki Penyangga... 33 3.4.2. Perancangan Absorber... 34 3.4.3. Perancangan Kaca Penutup... 34 3.4.4. Perancangan Isolasi... 35 vi
3.5. Alat dan Bahan... 35 3.5.1. Alat... 35 3.5.2. Bahan... 39 3.6. Set Up Experimental... 45 BAB IV RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA... 47 4.1. Rancang Bangun Alat... 47 4.1.1 Penyangga Kolektor Surya... 47 4.1.2 Perancangan Tangki Air Laut... 47 4.1.3 Perancangan Pipa Air Sirkulasi... 48 4.1.4 Perancangan Kolektor Surya... 49 4.2 Perhitungan dan Hasil Data... 51 4.2.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)... 51 4.2.2 Perhitungan Kolektor Surya... 51 4.2.3 Menghitung Koefisien Konveksi... 53 4.2.4 Menghitung Kehilangan Panas... 56 4.2.5 Menghitung Panas Masuk pada Kolektor... 65 4.3 Efisiensi Kolektor Surya Plat Datar Kaca Berlapis... 66 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 67 5.1 Kesimpulan... 67 5.2 Saran... 67 DAFTAR PUSTAKA...... 69 LAMPIRAN vii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Nilai Parameter m, K, dan n... 28 Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya... 49 Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan... 52 Tabel 4.2 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari... 54 Tabel 4.3 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 309,35 K... 56 Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 338,37 K... 57 Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 328,44 K... 64 Tabel 4.6 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 334,34 K... 66 viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Bagian Kolektor Surya Plat Datar... 5 Gambar 2.2 Kolektor Surya Plat Datar.... 9 Gambar 2.3 Kolektor Surya Konsentrator... 9 Gambar 2.4 Evacuted Receiver... 10 Gambar 2.5 Pemanas Air Sistem Langsung... 11 Gambar 2.6 Pemanas Air Sistem Aktif Tidak Langsung... 11 Gambar 2.7 Deklinasi Matahari... 12 Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari... 13 Gambar 2.9 Radiasi Sorotan Tiap Jam Pada Permukaan Miring... 14 Gambar 2.10 Komponen Radiasi Pada Permukaan Miring... 15 Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi... 16 Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor... 16 Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural... 17 Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar... 18 Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas... 20 Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi... 21 Gambar 2.17 Skema Kehilangan Energi Panas Pada Kolektor... 26 Gambar 2.18 Penampang Saluran Pipa... 30 Gambar 2.19 Skema Desalinas Sistem Vacum Natural..... 33 Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian... 35 Gambar 3.2 Tube Cutter... 38 ix
Gambar 3.3 Las Gas... 39 Gambar 3.4 Pompa... 39 Gambar 3.5 Gelas Ukur... 40 Gambar 3.6 Agilent (termokopel)... 40 Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger... 41 Gambar 3.8 Anemometer...... 42 Gambar 3.9 Kerangka Besi... 42 Gambar 3.10 Kayu Triplek... 43 Gambar 3.11 Rockwool... 43 Gambar 3.12 Gabus (Sterofoam)... 44 Gambar 3.13 Kaca... 44 Gambar 3.14 Plat Alumunium... 45 Gambar 3.15 Pipa Tembaga... 45 Gambar 3.16 Poros (Pejal)... 46 Gambar 3.17 Tangki Air Sirkulasi... 46 Gambar 3.18 Tangki Air Laut... 47 Gambar 3.19 Penyangga Kolektor Surya... 47 Gambar 3.20 Set Up Experimental... 48 Gambar 4.1 Kolektor Surya... 50 Gambar 4.2 Tangki Air Laut... 51 Gambar 4.3 Pipa Distribusi... 51 Gambar 4.4 Pipa Penukar Kalor... 51 x
Gambar 4.6 Dimensi Kolektor Surya... 52 Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari... 54 Gambar 4.8 Grafik Temperatur Pada Tiap Titik Kolektor... 55 Gambar 4.9 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor... 60 Gambar 4.10 Dimensi Kolektor Surya... 62 Gambar 4.11 Grafik Temperatur Kaca Penutup 1 dan Penutup 2... 63 Gambar 4.11. Grafik Kehilangan Panas pada Dinding, Alas, dan Atas... 68 xi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Intensitas Matahari 04 Januari 2016... 71 Lampiran 2 Sifat Fisik Udara... 73 Lampiran 3 Sifat Fisik Air... 74 Lampiran 4 Sifat Fisik Air... 74 Lampiran 5 Koefisien Konveksi... 75 Lampiran 6 Kehilangan Panas... 79 Lampiran 7 Efisiensi Kolektor Surya... 83 xii
DAFTAR NOTASI A Temperatur rata-rata air masuk dan air keluar ( o C) A Massa jenis air (kg/m 3 ) Q a q a Laju aliran air yang melewati pipa penukar kalor (m 3 /menit) Kapasitas panas pada air (Joule) h 1 Koefisien konveksi permukaan luar (W/m 2 K) h 2 Koefisien konveksi permukaan dalam (W/m 2 K) Q 1 Q 2 Q 3 Kehilangan panas pada sisi dinding (Watt) Kehilangan panas pada sisi alas (Watt) Kehilangan panas pada sisi atas (Watt) Aa Luas sisi kolektor bagian atas (m 2 ) T Pa Temperatur plat absorber ( o C) T k1 Temperatur kaca penutup 1 ( o C) T k2 Temperatur kaca penutup 2 ( o C) T G1 Temperatur ruangan antara kaca penutup 1 dan 2 ( o C) T G2 Temperatur ruangan kolektor surya ( o C) T L Temperatur Lingkungan ( o C) U a h v-k1 Koefisien kehilangan panas dari bagian atas (W/m 2 K) Kehilangan panas secara konveksi diatas permukaan kaca penutup 1 (W/m 2 K) h d-k1 Kehilangan energi panas karena konduktivitas termal kaca 1 dan 2 (W/m 2 K) h v-k2 h v-pa h r-pa Q loss η Kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2 (W/m 2 K) Kehilangan panas akibat konveksi pada permukaan plat absorber (W/m 2 K) Kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan (W/m 2 K) Kehilangan panas total pada kolektor surya (Watt) Efisiensi kolektor surya (%) xiii
I Intensitas matahari(w/m 2 ) k Konduktifitas termal (W/m.K) σ Konstanta Stefan Boltzman (W/m 2 K 4 ) Cp Kapasitapanas spesifik (kj/kg.k) μ Viskositas (N.s/m 2 ) v Q ṁ A q A K ky K st K p K rw Q rad Viskositas kinematik (m 2 /s) Debit aliran (m 3 /s) Laju aliran massa (kg/s) Kapasitas panas (J/s) Konduktivitas termal kayu (W/m.K) Konduktivitas termal sterofoam (W/m.K) Konduktivitas termal plat absorber (W/m.K) Konduktivitas termal rockwoll (W/m.K) Panas yang masuk pada kolektor (Watt) xiv