RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA SEBAGAI PENGHASIL FLUIDA PANAS PADA ALAT PENGERING HIBRIDA POMPA KALOR DAN SURYA
RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA SEBAGAI PENGHASIL FLUIDA PANAS PADA ALAT PENGERING HIBRIDA POMPA KALOR DAN SURYA SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLEH : BUDI HARRY CIPTA 100401004 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul
“RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA SEBAGAI PENGHASIL FLUIDA PANAS PADA ALAT PENGERING HIBRIDA POMPA KALOR DAN SURYA”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
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 Dr.Eng. Himsar Ambarita ST.MT. selaku dosen pembimbing yang telah membantu dalam bimbingan serta dukungan dalam penulisan skripsi ini.
2. Bapak Ir. Abdul Halim Nasution MSc. selaku dosen pembanding 1 penulis yang telah memberi masukan dan saran tentang penulisan laporan skripsi ini.
3. Bapak Tulus Burhanudin S. ST.MT. selaku dosen wali yang telah membimbing dan memberikan nasihat selama penulis kuliah dan menjadi dosen pembanding 2 penulis sehingga skripsi ini menjadi lebih baik lagi.
4. Bapak Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina MT. yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
6. Kedua orang tua penulis, Sucipto Bsc. dan Indah Budi Bsc. yang tidak pernah putus- putusnya memberikan dukungan, do’a, nasihat serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada penulis.
7. Kakak penulis Ria Agustina Str.keb, adik penulis Adytia Indra Cipta dan keluarga lainnya yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam penyelesaian skripsi ini.
8. Ibunda Sabda Tuah Raja Bangun yang telah menjaga asupan gizi kami dalam bentuk makan siang yang sehat dan lezat.
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 Sabda Tuah Raja Bangun dan Nico Hermanto Simarmata yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi.
11. Teman-teman penulis khususnya anggota Laboratorium Foundry Candra, Abdurrahman, Ade, Aji Pajar, Zaki, Septian, decki yang telah memberikan dukungan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
12. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 Khususnya M Ilham, Aldi, Jeri, Bowo, Roji, Irwan, Yogi, Andika, Suhandika, Afri, Febi, Sigit 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, Juni 2015 BUDI HARRY CIPTA
ABSTRAK
Alat pengering tenaga surya merupakan alat untuk mengeringkan bahan dalam ruang tertutup yang memanfaatkan radiasi matahari secara langsung dengan menggunakan kolektor. Prinsip kerjanya adalah dengan sinar matahari yang masuk menembus tutup yang berbahan kaca dan memanasi pelat kolektor hitam yang ada di bawahnya. Untuk itu, pada skripsi ini dirancang sebuah kolektor surya berukuran 1,5m x 3m x 0,171m. Perancangan kolektor surya ini bertujuan untuk mengeringkan coklat dari kadar air awal ±60% menjadi >7%. Kolektor surya diisolasi dengan rockwoll, sterofoam dan polyurethane 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 coklat. 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 09:00 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 3014.0933 watt, dan kehilangan panas rata-rata pada kolektor 1 adalah 1025.0267 watt dan kolektor 2 adalah 737.832 watt.
Kata kunci : kolektor, perpindahan panas, total panas
ABSTRACT
Solar drier is a tool for drying object in an enclosed space which utilize direct solar radiation by using collectors. The principle works is the incoming sunlight to penetrate the lid are made of glass and heats the black collector plate underneath. To that end, in this final project designed a solar collector measuring 1.5m x 3m x 0,171m. The design of solar collectors is intended for drying cocoa from initial moisture content of ± 60% to > 7%. Solar collector isolated with rockwool, Styrofoam and polyurethane so that heat loss can be minimized. Medium hot air dryer is generated through the collector which captures solar radiation and naturally flowed chamber drying chamber will then be used to dry cocoa. After doing research with the experimental method by observing and measuring directly the things done in the drier is then performed the processing and evaluation of research data. From the results of research and analysis conducted at 09:00 - 17:00 pm during the sunny weather conditions, obtained an average heat radiation that can be absorbed by collector is 3014.0933 watts, and an average heat loss in the first collector is 1025.0267 watt and second collector is 737.832 watts.
Keywords: collector, heat transfer, total heat
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ........................................................................................ i ABSTRAK ........................................................................................................... iii ABSTRACT......................................................................................................... iv DAFTAR ISI ....................................................................................................... v DAFTAR TABEL ............................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xi
2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya ............................................................ 12
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................. 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 27
2.4.3 Radiasi............................................................................................. 25
2.4.2 Konveksi ......................................................................................... 21
2.4.1 Konduksi ......................................................................................... 20
2.4 Tinjauan Perpindahan Panas.................................................................... 19
2.3 Pengeringan .............................................................................................. 15
2.2.2 Manfaat Kolektor Surya................................................................. 15
2.2 Kolektor Surya ......................................................................................... 12
BAB I PENDAHULUAN................................................................................... 1
2.1.2 Manfaat dan Peran Matahari.......................................................... 11
2.1.1 Bagian-Bagian Matahari ................................................................ 8
2.1 Matahari .................................................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 5
1.5 Sistematika Penulisan .............................................................................. 3
1.4 Batasan Masalah....................................................................................... 3
1.3 Manfaat Penelitian ................................................................................... 3
1.2 Tujuan Penelitian ..................................................................................... 2
1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1
3.2 Metode Desain.......................................................................................... 27
3.2.1 Perancangan Pelat Absorber .......................................................... 28
4.3.1 Menghitung Kecepatan Udara Dalam Kolektor ........................... 49
5.2 Saran ......................................................................................................... 73
5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 73
BAB V KESIMPULAN dan SARAN .............................................................. 73
4.5 Analisa Korelasi dan Regresi Kolektor Surya Terhadap Cuaca ........... 71
4.4 Total Panas yang Diserap Kolektor ........................................................ 58
4.3.6 Menghitung Kehilangan Panas Total Kolektor ............................ 58
4.3.5 Menghitung Kehilangan Panas Radiasi ........................................ 57
4.3.4 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Atas ............................. 56
4.3.3 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Alas ............................. 55
4.3.2 Menghitung Kehilangan Panas pada Dinding .............................. 49
4.3 Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya ..................................... 47
3.2.2 Perancangan Penutup Kolektor ..................................................... 28
4.2 Desain Kolektor Surya ............................................................................. 46
4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran ......................... 45
4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (solar radiation) ........................... 45
BAB IV RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA ............................... 45
3.6 Prosedur Penelitian .................................................................................. 43
3.5 Proses Pembuatan Kolektor ..................................................................... 40
3.4 Persiapan Penelitian ................................................................................. 39
3.3.2 Bahan Pengujian ............................................................................. 36
3.3.1 Peralatan Pengujian ........................................................................ 29
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan............................................................. 29
3.2.3 Perancangan Isolasi ........................................................................ 29
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Data tentang matahari ....................................................................... 6Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer ................................................................... 34Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor .................................................... 34Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ............................................... 35Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ................................................. 36Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran (Hobo)13 Mei 2015 ...................................................................................... 45
Tabel 4.2 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal13 Mei 2015 ...................................................................................... 60
Tabel 4.3 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal13 Mei 2015 ...................................................................................... 62
Tabel 4.4 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal10 Mei 2015 ...................................................................................... 64
Tabel 4.5 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal10 Mei 2015 ...................................................................................... 66
Tabel 4.6 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal15 Mei 2015 ...................................................................................... 68
Tabel 4.7 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal15 Mei 2015 ...................................................................................... 70
Tabel 4.8 Data korelasi effisiensi terhadap cuaca pada tanggal10 Mei 2015 ...................................................................................... 72
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Matahari ............................................................................................ 5Gambar 2.2 Hubungan antara matahari dengan bumi ........................................ 7Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari ................................................................... 8Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana ......... 13Gambar 2.5 Konsentrator ..................................................................................... 14Gambar 2.6 Evacuated Receiver .......................................................................... 15Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar ................................... 19Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor .................................................... 21Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring ...... 24Gambar 3.1 Kolektor ............................................................................................ 28Gambar 3.2 Laptop ............................................................................................... 30Gambar 3.3 Agilient 34972 A ............................................................................... 30Gambar 3.4 Hot Wire Anemometer ....................................................................... 31Gambar 3.5 HoboMicrostation data logger ........................................................ 33Gambar 3.6 Polyurethane..................................................................................... 37Gambar 3.7 Polycarbonate................................................................................... 37Gambar 3.8 Pelat Aluminium .............................................................................. 38Gambar 3.9 Cat hitam gelap ................................................................................. 38Gambar 3.10 Rockwool .......................................................................................... 38Gambar 3.11 Sterofoam .......................................................................................... 39Gambar 3.12 Experimental Setup .......................................................................... 39Gambar 3.13 Desain kolektor pada software solidwork....................................... 40Gambar 3.14 Pembuatan rangka kolektor ............................................................. 40Gambar 3.15 Pemasangan polyurethane ............................................................... 41Gambar 3.16 Pemasangan sterofoam..................................................................... 41Gambar 3.17 Pemasangan rockwool ...................................................................... 41Gambar 3.18 Pemasangan pelat absorber .............................................................. 42Gambar 3.19 Pemasangan kaca penutup ............................................................... 42Gambar 3.20 Pemasangan kolektor pada mesin pengering .................................. 42Gambar 3.21 Diagram Alir Tahapan Pengerjaan Skripsi ..................................... 44Gambar 4.1 Rancangan kolektor surya................................................................ 46Gambar 4.2 Penamapang kolektor surya ............................................................. 47Gambar 4.3 Gradient perpindahan panas pada isolator ...................................... 48Gambar 4.4 Grafik waktu vs temperature 13 Mei 2015 pukul12.00 s/d 12.15 ................................................................................. 48
Gambar 4.5 Grafik waktu vs intensitas radiasi tanggal 13 Mei 2015 ................ 59Gambar 4.6 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 13 Mei 2015 ....... 59Gambar 4.7 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 pada tanggal13 Mei 2015 ...................................................................................... 61
Gambar 4.8 Grafik waktu vs Q antara kolektor 1 dengan kolektor 2 padaLoss
tanggal 13 Mei 2015 ........................................................................ 63
Gambar 4.9 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 10 Mei 2015 .................. 63Gambar 4.10 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 10 Mei 2015 ....... 64Gambar 4.11 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 10 Mei 2015 ....... 65Gambar 4.12 Grafik waktu vs Q Loss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 10 Mei 2015 ........................................................................ 67Gambar 4.13 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 15 Mei 2015 .................. 67Gambar 4.14 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 15 Mei 2015 ....... 68Gambar 4.15 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 15 Mei 2015 ....... 69Gambar 4.16 Grafik waktu vs Q Loss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 15 Mei 2015 ........................................................................ 71DAFTAR SIMBOL SIMBOL KETERANGAN SATUAN
2 A Luas Penampang m
A Ketinggian Dari Permukaan Laut km B Konstanta Hari
Panas Jenis kJ/kg K E Faktor Persamaan Waktu menit E b Energi Matahari Yang Diterima Bumi kal/hari
Faktor Efisiensi Kolektor F’
2
g Gravitasi m/s
Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung
2 Ke Permukaan Bumi W/m
2 Radiasi Difusi W/m
2 G Radiasi Di Atmosfer W/m on
Gr L Bilangan Grashof
2 G sc Radiasi Rata-Rata Yang Diterima Bumi W/m
2 Radiasi Total W/m
2
h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m K
2
hw Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi W/m C
2 I Itensitas Radiasi Matahari W/m
k Konduktivitas Bahan Termal W/m K
o
L Posisi Bujur
loc o
Lst Standart Meridian Nu Bilangan Nusselt .
Q
Watt Laju Energi Panas
Ral Bilangan Rayleigh Re Bilangan Reynold
- 1
S Konstanta Matahari Ly.menit ST Waktu Matahari STD Waktu Lokal
T r Temperatur Udara Sekitar
2 K
Ө Kemiringan Kolektor
o
Posisi Lintang
C φ
o
Perbedaan Temperatur
Selang Waktu Perhitungan s ∆
C Δt
o
̅ Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor
̇ Laju Aliran Massa Udara kg/s Nilai Transmisifitas
4
σ Kontanta Stefan Boltzomann W/m
o
3
% Massa Jenis kg/m
ε Emisivitas Bahan Efisiensi
δ Tebal Lapisan Batas m
o
Sudut Deklinasi
Koefisien Udara 1/K δ
C Kecepatan Karakteristik m/s Kecepatan Profil Kolektor m/s wQ Nilai Ketidakpastian Nilai Absorbsifitas
o
C T ∞ Temperatur Udara Lingkungan
s T Temperatur Dinding o
C
o