Rancang Bangun Kolektor Surya Sebagai Pengsasil 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

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

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

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.

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.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xi

BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Matahari ... 5

2.1.1 Bagian-Bagian Matahari ... 8

2.1.2 Manfaat dan Peran Matahari... 11

2.2 Kolektor Surya ... 12

2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya ... 12

2.2.2 Manfaat Kolektor Surya... 15

2.3 Pengeringan ... 15

2.4 Tinjauan Perpindahan Panas... 19

2.4.1 Konduksi ... 20

2.4.2 Konveksi ... 21

2.4.3 Radiasi... 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 27

3.2.1 Perancangan Pelat Absorber ... 28

3.2.2 Perancangan Penutup Kolektor ... 28

3.2.3 Perancangan Isolasi ... 29

3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan... 29

3.3.1 Peralatan Pengujian ... 29

3.3.2 Bahan Pengujian ... 36

3.4 Persiapan Penelitian ... 39

3.5 Proses Pembuatan Kolektor ... 40

3.6 Prosedur Penelitian ... 43

BAB IV RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA ... 45

4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (solar radiation) ... 45

4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran ... 45

4.2 Desain Kolektor Surya ... 46

4.3 Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya ... 47

4.3.1 Menghitung Kecepatan Udara Dalam Kolektor ... 49

4.3.2 Menghitung Kehilangan Panas pada Dinding ... 49

4.3.3 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Alas ... 55

4.3.4 Perhitungan Kehilangan Panas pada Sisi Atas ... 56

4.3.5 Menghitung Kehilangan Panas Radiasi ... 57

4.3.6 Menghitung Kehilangan Panas Total Kolektor ... 58

4.4 Total Panas yang Diserap Kolektor ... 58

4.5 Analisa Korelasi dan Regresi Kolektor Surya Terhadap Cuaca ... 71

BAB V KESIMPULAN dan SARAN ... 73

5.1 Kesimpulan ... 73

5.2 Saran ... 73

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Data tentang matahari ... 6

Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer ... 34

Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ... 34

Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ... 35

Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ... 36

Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran (Hobo) 13 Mei 2015 ... 45

Tabel 4.2 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 13 Mei 2015 ... 60

Tabel 4.3 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 13 Mei 2015 ... 62

Tabel 4.4 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 10 Mei 2015 ... 64

Tabel 4.5 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 10 Mei 2015 ... 66

Tabel 4.6 Data Perhitungan Kolektor 1 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 15 Mei 2015 ... 68

Tabel 4.7 Data Perhitungan Kolektor 2 Tiap 15 Menit Pada Tanggal 15 Mei 2015 ... 70

Tabel 4.8 Data korelasi effisiensi terhadap cuaca pada tanggal 10 Mei 2015 ... 72

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Matahari ... 5

Gambar 2.2 Hubungan antara matahari dengan bumi ... 7

Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari ... 8

Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana ... 13

Gambar 2.5 Konsentrator ... 14

Gambar 2.6 Evacuated Receiver ... 15

Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar ... 19

Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor ... 21

Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring ... 24

Gambar 3.1 Kolektor ... 28

Gambar 3.2 Laptop ... 30

Gambar 3.3 Agilient 34972 A ... 30

Gambar 3.4 Hot Wire Anemometer ... 31

Gambar 3.5 HoboMicrostation data logger ... 33

Gambar 3.6 Polyurethane... 37

Gambar 3.7 Polycarbonate... 37

Gambar 3.8 Pelat Aluminium ... 38

Gambar 3.9 Cat hitam gelap ... 38

Gambar 3.10 Rockwool ... 38

Gambar 3.11 Sterofoam ... 39

Gambar 3.12 Experimental Setup ... 39

Gambar 3.13 Desain kolektor pada software solidwork... 40

Gambar 3.14 Pembuatan rangka kolektor ... 40

Gambar 3.15 Pemasangan polyurethane ... 41

Gambar 3.16 Pemasangan sterofoam... 41

Gambar 3.18 Pemasangan pelat absorber ... 42

Gambar 3.19 Pemasangan kaca penutup ... 42

Gambar 3.20 Pemasangan kolektor pada mesin pengering ... 42

Gambar 3.21 Diagram Alir Tahapan Pengerjaan Skripsi ... 44

Gambar 4.1 Rancangan kolektor surya... 46

Gambar 4.2 Penamapang kolektor surya ... 47

Gambar 4.3 Gradient perpindahan panas pada isolator ... 48

Gambar 4.4 Grafik waktu vs temperature 13 Mei 2015 pukul 12.00 s/d 12.15 ... 48

Gambar 4.5 Grafik waktu vs intensitas radiasi tanggal 13 Mei 2015 ... 59

Gambar 4.6 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 13 Mei 2015 ... 59

Gambar 4.7 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015 ... 61

Gambar 4.8 Grafik waktu vs QLoss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015 ... 63

Gambar 4.9 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 10 Mei 2015 ... 63

Gambar 4.10 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 10 Mei 2015 ... 64

Gambar 4.11 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 10 Mei 2015 ... 65

Gambar 4.12 Grafik waktu vs QLoss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 10 Mei 2015 ... 67

Gambar 4.13 Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 15 Mei 2015 ... 67

Gambar 4.14 Grafik waktu vs temperatur kolektor 1 tanggal 15 Mei 2015 ... 68

Gambar 4.15 Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 15 Mei 2015 ... 69

Gambar 4.16 Grafik waktu vs QLoss antara kolektor 1 dengan kolektor 2 pada tanggal 15 Mei 2015 ... 71

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang m2

A Ketinggian Dari Permukaan Laut km

B Konstanta Hari

� Panas Jenis kJ/kg K

E Faktor Persamaan Waktu menit

Eb Energi Matahari Yang Diterima Bumi kal/hari

F’ Faktor Efisiensi Kolektor

g Gravitasi m/s2

� Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung

Ke Permukaan Bumi W/m2

� � Radiasi Difusi W/m2

Gon Radiasi Di Atmosfer W/m2

GrL Bilangan Grashof

Gsc Radiasi Rata-Rata Yang Diterima Bumi W/m2

� Radiasi Total W/m2

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2 K

hw Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi W/m2C

I Itensitas Radiasi Matahari W/m2

k Konduktivitas Bahan Termal W/mK

Lloc Posisi Bujur o

Lst Standart Meridian o

Nu Bilangan Nusselt

.

Q _{Laju Energi Panas} Watt

Ral Bilangan Rayleigh

Re Bilangan Reynold

S Konstanta Matahari Ly.menit-1

ST Waktu Matahari

Tr Temperatur Udara Sekitar oC

s

T

Temperatur Dinding oC

T_∞ Temperatur Udara Lingkungan oC

Kecepatan Karakteristik m/s

Kecepatan Profil Kolektor m/s

wQ Nilai Ketidakpastian

Nilai Absorbsifitas

Koefisien Udara 1/K

Sudut Deklinasi o

Tebal Lapisan Batas m

Emisivitas Bahan

� Efisiensi %

� Massa Jenis kg/m3

σ Kontanta Stefan Boltzomann W/m2 K4

̇ Laju Aliran Massa Udara kg/s

� Nilai Transmisifitas

̅ Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor oC

Δt Selang Waktu Perhitungan s

∆ Perbedaan Temperatur oC

φ Posisi Lintang o

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.

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.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pemanfaatan energi radiasi dari matahari merupakan salah satu bentuk energi alternatif yang dapat menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah untuk mengeringkan hasil panen dengan menggunakan sebuah perangkat yang disebut dengan kolektor surya.

Alat pengering tenaga surya merupakan alat pengering 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.

Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.

Dibidang Industri Kolektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti Negara jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan permasalahn ini.

Indonesia dikenal sebagai negara agraris karena sebagian besar penduduk Indonesia mempunyai pencaharian di bidang pertanian, perkebunan ataupun bercocok tanam. Namun kualitas produk pasca panen masih sangat rendah. Sangat disayangkan para petani masih menjemur hasil panen secara langsung dibawah sinar matahari dan udara terbuka.

Proses pengeringan produk-produk hasil pertanian dan perkebunan, seperti jagung, padi, singkong, kopi, karet, kakao, cengkeh, dan kemiri, ubi, kentang, seringkali terkendala faktor cuaca. Kondisi cuaca yang tidak menentu, terutama saat musim hujan, akan mengakibatkan proses pengeringan alami berlangsung

tidak optimal. Ditambah lagi ketiadaan alat pengering menjadikan hasil pertanian berjamur dan rusak karena lembapnya udara. Akibatnya, harga jual produk-produk itu rendah. Petani pun mengalami kerugian yang tidak sedikit. Untuk mencegah kerugian yang dialami para petani, diperlukan suatu alat pengering. Dengan alat itu, jamur dan mikroba yang bisa merusak produk-produk pertanian dan perkebunan bisa dihilangkan.

Mengingat wilayah Indonesia memiliki sinar matahari cukup melimpah, terletak pada daerah khatulistiwa yang mempunyai iklim tropis dan radiasi surya hampir sepanjang tahun, sehingga pengembangan teknologi tepat guna yang memanfaatkan sinar matahari sebagai energi alternatif sangat sesuai aplikasinya dalam bidang pengering berupa Pengering Tenaga Surya yang memanfaatkan sinar matahari untuk memanaskan udara pengering.

Pemanfaatan energi sinar matahari dapat digunakan pada pengering untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil yang akan menyebabkan pemanasan global. Pengolahan pasca panen hasil pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan masyarakat Indonesia, yang sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara yang cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat menjaga mutu dan kualitas produk pasca panen tersebut. Hal-hal inilah yang melatarbelakangi penelitian ini.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian skripsi ini adalah :

1. Merancang dan membuat kolektor surya untuk mesin pengering dengan

menggunakan pompa kalor.

2. Untuk mengetahui berapa besar kehilangan panas dan energi radiasi yang

dapat diserap oleh kolektor surya.

3. Untuk mengetahui isolator yang baik pada kolektor surya.

4. Untuk mengetahui penutup kolektor dan plat absorber yang baik untuk

kolektor surya.

1.3 Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada:

2. Variable yang diamati adalah temperatur, waktu, dan bahan yang dikeringkan.

3. Pegujian dilakukan pada kondisi cuaca cerah.

4. Pengujian dilakukan di kota Medan yangterletak pada posisi 4o LU - 98o

BT dengan ketinggian 2,5 - 37,5 m diatas permukaan laut.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah:

1. Memberikan rekomendasi kepada masyarakat bahwa pengeringan

menggunakan pompa kalor yang dibantu kolektor surya lebih efisien dibandingkan mengeringkan menggunakan bahan bakar fosil.

2. Memberikan alternatif lain yang lebih ramah lingkungan untuk

mengeringkan hasil pertanian ataupun hasil industri lainnya.

3. Menjaga kualitas mutu dan harga jual produk yang dihasilkan.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:

BAB I PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang yang menentukan pengambilan penelitian dan dilanjutkan dengan tujuan penelitian, batasan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan skripsi ini.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini menjelaskan tentang ulasan teori-teori yang berhubungan dengan penelitian skripsi ini baik dari teori dasar maupun teori penunjang lainnya. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari: buku-buku

pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-book, dan e-news.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai

langkah-langkah penelitian, pengolahan, dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

BAB IV HASIL DAN DISKUSI

Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan hasilnya.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari semua penelitian yang dilakukan untuk skripsi ini dan saran yang mendukung kedepannya.

DAFTAR PUSTAKA

Berisi seluruh referensi yang digunakan dalam penelitian untuk pembuatan tugas akhir ini.

Lampiran

Lampiran berisikan data dari hasil penelitian yang didapatkan, gambar selama proses pengerjaan alat dan tabel-tabel termodinamika dari refrigerant.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Matahari

Matahari adalah bintang di pusat tata surya. Hal ini hampir bulat sempurna dan terdiri dari plasma panas terjalin dengan medan magnet. Matahari memiliki diameter sekitar 1.392.684 km, sekitar 109 kali Bumi, dan massa (sekitar 2 × 1.030 kilogram, 330.000 kali Bumi) menyumbang sekitar 99,86% dari total massa dari tata surya. Secara kimiawi, sekitar tiga perempat dari massa matahari terdiri dari hidrogen, sedangkan sisanya sebagian besar helium. Sisanya (1,69%, yang tetap sama dengan 5.628 kali massa Bumi) terdiri dari elemen yang lebih berat, termasuk oksigen, neon karbon, dan besi.

Gambar 2.1 Matahari [18]

Letak nya yang berjarak 149 juta kilometer dari bumi membuat panas dan cahayanya sangat mendukung dan berguna bagi kehidupan. Tumbuhan membutuhkan cahaya nya setiap hari untuk berfotosintesis, manusia mengubah cahaya nya menjadi sumber energi listrik dan menggunakan panas nya sebagai salah satu cara menjemur pakaian. Dalam klasifikasi bintang kelas spectral, Matahari merupakan bintang kelas G2V. G2 mengindikasikan permukaan matahari diperkirakan sekitar 9.941° Fahrenheit atau sekitar 5.505° Celcius. V adalah angka romawi yang mengidentifikasikan matahari seperti bintang lainnya,

matahari menghasilkan energi dari hasil fusi nuklir inti hidrogen dengan inti helium dan pada Inti matahari, matahari mem-fusikan hidrogen dari 430 hingga 600 juta ton per detik nya [8].

Tabel 2.1 Data tentang matahari

Ciri-ciri fisik

Diameter rata-rata 1,392684×106 km

Radius khatulistiwa 6,96342×105 km 109 × Bumi

Keliling khatulistiwa 4,379×106 km 109 × Bumi

Kepepatan 9×10−6

Luas permukaan 6,0877×1012 km2 11.990 × Bumi

Volume 1,412×1018 km3

1.300.000 × Bumi

Massa 1,9891×1030 kg

333.000 × Bumi

Matahari

Data pengamatan Jarak rata-rata

dari Bumi

1,496×108 km

8 menit 19 detik (kecepatan cahaya)

Kecerahan visual (V) −26,74

Magnitudo absolut 4,83

Klasifikasi spektrum G2V

Metalisitas Z = 0,0122

Kepadatan rata-rata 1,408×103 kg/m3

Kepadatan Pusat (model): 1,622×105 kg/m3

Fotosfer bawah: 2×10−4 kg/m3

Kromosfer bawah: 5×10−6 kg/m3

Korona (rt): 1×10−12 kg/m3

Gravitasi permukaan khatulistiwa

274,0 m/s2

27,94 g

27.542,29 cgs

28 × Bumi

Kecepatan lepas

(dari permukaan)

617,7 km/detik 55 × Bumi

Suhu Pusat (model): ~1,57×107 K

Fotosfer (efektif): 5.778 K

Korona: ~5×106 K

Luminositas (Lsol) 3,846×1026 W

~3,75×1028 lm

~98 lm/W daya

Intensitas rata-rata (Isol) 2,009×107 W·m−2· sr−1

Usia 4,57 miliar tahun

Sumber: From www.blogspot.com/m_yq_7VZQsA/s1600/matahari.JPG [18]

Pada gambar juga ditampilkan nilai konstanta matahari GSC, yang

merupakan daya radiasi rata-rata yang yang diterimabumi (diluar atmosfer) dari matahari pad aarah tegak lurus permukaan.

Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak dari matahari ke bumi

tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh

1.52 x 1011 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni

sekitar 4.8 KWh/m2 atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah

dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Matahari merupakan sumber energi yang

benar-benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki Matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya dapat dikatakan gratis.

Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk daerah-daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru mencapai 55-60 % dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik. Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi yang dipancarkan oleh matahari. Energi matahari sangat efektif karena tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis.

Setiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 1026 kalori. Energi

matahari persatuan luas pada jarak dari permukaan bola dengan matahari sebagai pusat bulatan dan jari-jari bulatan 150 juta km (jarak rata-rata bumi dengan matahari) adalah :

S

=

. � −

�

...

(2.1)

S ≈ 2,0 kal.cm-2.menit-1 (pembulata) = Langley menit-1

Maka energy matahari yang diterima bumi dengan jari-jari 6370 km adalah :

Eb= π a2 S ………(2.2)

= 3,14 x (637 x 106 cm)2 x 2 kal cm-2menit-1

= 2,55 x 1018 kal.menit-1

= 3,67 x 1021 kal/hari

2.1.1 Bagian-bagian matahari

Matahari memiliki bagian-bagian penting yang membentuknya, berikut adalah bagian dari matahari.

Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari [4]

A. Inti Matahari

Inti adalah area terdalam dari Matahari yang memiliki suhu sekitar 15 juta

o

C. Berdasarkan perbandingan diameter, bagian inti berukuran seperempat jarak dari pusat ke permukaan dan 1/64 total volume Matahari. Kepadatannya adalah sekitar 150 g/cm3. Suhu dan tekanan yang sedemikian tingginya memungkinkan adanya pemecahan atom-atom menjadi elektron, proton, dan neutron.

Sementara itu, energi panas di dalam inti menyebabkan pergerakan elektron dan proton sangat cepat dan bertabrakan satu dengan yang lain menyebabkan reaksi fusi nuklir. Inti Matahari adalah tempat berlangsungnya reaksi fusi nuklir helium menjadi hidrogen. Energi hasil reaksi termonuklir di inti berupa sinar gamma dan neutrino memberi tenaga sangat besar sekaligus menghasilkan seluruh energi panas dan cahaya yang diterima di Bumi. Energi tersebut dibawa keluar dari Matahari melalui radiasi.

B. Zona Radiatif

Zona radiatif adalah daerah yang menyelubungi inti Matahari. Energi dari inti dalam bentuk radiasi berkumpul di daerah ini sebelum diteruskan ke bagian Matahari yang lebih luar. Kepadatan zona radiatif adalah sekitar 20 g/cm3 dengan suhu dari bagian dalam ke luar antara 7 juta hingga 2 juta derajat Celcius. Suhu dan densitas zona radiatif masih cukup tinggi, namun tidak memungkinkan terjadinya reaksi fusi nuklir.

C. Zona konvektif

Zona konvektif adalah lapisan di mana suhu mulai menurun. Suhu zona

konvektif adalah sekitar 2 juta 0C. Energi dari inti Matahari membutuhkan waktu

170.000 tahun untuk mencapai zona konvektif. Saat berada di zona konvektif, pergerakan atom akan terjadi secara konveksi di area sepanjang beberapa ratus kilometer yang tersusun atas sel-sel gas raksasa yang terus bersirkulasi.

D. Fotosfer

Fotosfer atau permukaan matahari meliputi wilayah setebal

500 kilometer dengan suhu sekitar 5.500 derajat Celcius (10.000 derajat Fahrenheit). Sebagian besar radiasi Matahari yang dilepaskan keluar berasal dari fotosfer. Energi tersebut diobservasi sebagai sinar Matahari di Bumi, 8 menit setelah meninggalkan Matahari.

E. Kromosfer

Kromosfer merupakan lapisan gas di atas fotoser yang tebalnya sekitar l6.000 km. Oleh karena itu, kromosfer sering disebut lapisan atmosfer matahari. suhu

kromosfer diperkirakan sekitar 4.000 oC. Makin ke atas. suhu kromosfer makin

tinggi. Pada lapisan yang paling atas.,suhu kromosfer diperkirakan mencapai

10.000 0C. Warna dari kromosfer biasanya tidak terlihat karena tertutup cahaya

yang begitu terang yang dihasilkan fotosfer. Kromosfer hanya dapat dilihat pada saat terjadi gerhana matahari total. Pada saat itu. Kromosfer tampak seperti gelang atau cincin yang berwarna merah.

F. Korona

Korona merupakan lapisan terluar dari Matahari. Lapisan ini berwarna putih, namun hanya dapat dilihat saat terjadi gerhana karena cahaya yang dipancarkan tidak sekuat bagian Matahari yang lebih dalam. Saat gerhana total terjadi, korona terlihat membentuk mahkota cahaya berwarna putih di sekeliling Matahari. Lapisan korona memiliki suhu yang lebih tinggi dari bagian dalam Matahari dengan rata-rata 2 juta derajat Fahrenheit, namun di beberapa bagian bisa mencapai suhu 5 juta derajat Fahrenheit.

G. Bintik matahari

Bintik Matahari adalah granula-granula cembung kecil yang ditemukan di bagian fotosfer Matahari dengan jumlah yang tak terhitung. Bintik Matahari tercipta saat garis medan magnet Matahari menembus bagian fotosfer. Ukuran bintik Matahari dapat lebih besar daripada Bumi. Bintik Matahari memiliki daerah yang gelap bernama umbra, yang dikelilingi oleh daerah yang lebih terang disebut penumbra.

Warna bintik Matahari terlihat lebih gelap karena suhunya yang jauh lebih rendah dari fotosfer. Suhu di daerah umbra adalah sekitar 2.200 °C sedangkan di daerah penumbra adalah 3.500 °C.

H. Lidah api (prominensa)

Prominensa adalah salah satu ciri khas Matahari, berupa bagian Matahari menyerupai lidah api yang sangat besar dan terang yang mencuat keluar dari

bagian permukaan serta seringkali berbentuk loop (putaran).

Prominensa berisi materi dengan massa mencapai 100 miliar kg. Prominensa terjadi di lapisan fotosfer Matahari dan bergerak keluar menuju korona

Matahari. Plasma prominensa bergerak di sepanjang medan magnet

Matahari. Pergerakan semburan korona tersebut terjadi pada kecepatan yang sangat tinggi, yaitu antara 20 ribu m/s hingga 3,2 juta km/s. Pergerakan tersebut juga menyebabkan peningkatan suhu hingga puluhan juta derajat dalam waktu singkat.

2.1.2 Manfaat dan peran Matahari

Matahari adalah sumber energi bagi kehidupan. Matahari memiliki banyak manfaat dan peran yang sangat penting bagi kehidupan seperti:

a) Panas Matahari memberikan suhu yang pas untuk kelangsungan

hidup organisme di Bumi.

b) Cahaya Matahari dimanfaatkan secara langsung oleh tumbuhan

berklorofil untuk melangsungkan fotosintesis

c) Mahluk hidup yang sudah mati akan menjadi fosil yang menghasilkan minyak

Bumi dan batu bara sebagai sumber energi. Hal ini merupakan peran dari energi Matahari secara tidak langsung.

d) Pembangkit listrik tenaga Matahari adalah moda baru pembangkit listrik

dengan sumber energi terbarukan. Pembangkit listrik ini terdiri dari kaca-kaca

besar atau panel yang akan menangkap cahaya Matahari dan

mengkonsentrasikannya ke satu titik

e) Pergerakan rotasi Bumi menyebabkan ada bagian yang menerima sinar

Matahari dan ada yang tidak. Hal inilah yang menciptakan adanya hari siang dan malam di Bumi. Sedangkan pergerak Bumi mengelilingi Matahari menyebabkan terjadinya musim.

f) Matahari menjadi penyatu planet-planet dan benda angkasa lain di sistem tata

surya yang bergerak atau berotasi mengelilinya. Keseluruhan sistem dapat berputar di luar angkasa karena ditahan oleh gaya gravitasi Matahari yang sangat besar.

2.2 kolektor surya

Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.

Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [8]

1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan

2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.

3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .

4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari

absorber menuju lingkungan

5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor

2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya

Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar

Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian

kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.

A. Kolektor Plat Datar

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industry [8].

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit

perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka.

Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana [8]

B. Concentrating Collectors

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu

memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga

dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking.

Temperatur fluida melebihi 400 oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini

seperti terlihat pada gambar diatas.

C. Evacuated Tube Collectors

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.

Gambar 2.6 Evacuated Receiver [8]

2.2.2 Manfaat kolektor surya

Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.

Dibidang Industri Koektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti negara Jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah

mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan permasalahn ini.

Dibidang teknologi tenaga listrik dapat dihasilkan dari kolektor surya listrik merupakan kebutuhan masyarakat, penggunaan tenaga matahari sebagai bahan yang menggubah sinar menjadi energi listrik patut dikembangkan, seperti yang pernah diterapkan oleh pemerintah pada tahun 2002 di daerah Bireun, Aceh Utara, pemerintah mencoba memberikan listrik tenaga surya bagi masyarakat setempat, tetapi karena peralatan yang tidak mencukupi dan tidak memadai maka proyek ini hanya berjalan ditempat, Output dari tenaga matahari tersebut hanya

menghasilkan tenaga sebesar 10 – 20 volt dalam semalam. Padahal kalau jika

dikembangkan dan diadakan penelitian lebih lanjut kemungkinan besar akan berhasil, tetapi mungkin mengingat dana yang juga sangat besar mungkin pemerintah menunda dulu proyek tersebut. Tetapi pada intinya tenaga surya bisa bermanfaat dan dapat menghasilkan listrik.

2.3 Pengeringan

Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke waktu. Perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin meningkatnya jumlah penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan pertanian dan perkebunan makin menyempit. Hal tersebut menyebabkan dibutuhkannya teknologi-teknologi pemrosesan produk pertanian dan perkebunan yang mampu meningkatkan kualitas dan kuantitas produk tersebut, salah satunya adalah teknologi pengeringan bahan pangan.

Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembaban dari suatu bahan sampai batas kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber panas dan penerima uap cairan [16]. Pengeringan merupakan proses pemindahan panas dan uap air secara simultan, yang memerlukan energi panas untuk

menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan, yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Tujuan pengeringan itu sendiri adalah untuk mengurangi kadar air bahan sampai batas dimana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti.

Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lebih lama. Metode pengeringan secara umum terbagi menjadi dua, pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami membutuhkan lahan yang luas, sangat tergantung pada cuaca, dan sanitasi hygiene sulit dikendalikan sedangkan pada pengeringan buatan kendala tersebut dapat diatasi [15].

Kelemahan Pengeringan buatan adalah memerlukan keterampilan dan peralatan khusus, serta biaya lebih tinggi dibanding pengeringan alami. Mekanisme pengeringan ketika benda basah dikeringkan secara termal dan berlangsung secara simultan ada dua. Mekanisme pertama perpindahan energi dari lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat.

Perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi, konveksi, radiasi, atau kombinasi dari ketiganya. Proses ini dipengaruhi oleh temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan.

Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film tipis udara. Mekanisme yang kedua perpindahan massa air yang terdapat di dalam benda ke permukaan. Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat menuju ke permukaan benda padat. Struktur benda padat tersebut akan menentukan mekanisme aliran internal air.

Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : [15]

1. Baki atau wadah

Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.

2. Rotary

Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi.

3. Flash

Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.

4. Spray

Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk

padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone.

5. Fluidized bed

Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.

6. Vacum

Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.

7. Membekukan

Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.

8. Batch dryer

Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia. Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering.

2.4 Tinjauan perpindahan panas

Dalam perencanaan suatu alat dengan pemanfaatan tenaga surya perlu diketahui semua jenis perpindahan panas yang terjadi selama siklus terjadi. Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara konveksi dan konduksi ke udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan semua jenis perpindahan panas yang terjadi.

Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar [4]

Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain yang terjadi karena perbedaan suhu. Panas ini akan mengalir dari tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis besar dapat dibagi menjadi 3 bagian :

a. Konduksi

b. Konveksi

c. Radiasi

2.4.1 Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran

(flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat,

sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan panjangnya.

Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu :

L t kA

Q 

...

(2.3)

dengan : Q = laju aliran energi (W)

A = luas penampang (m2₎

Δt = beda suhu (K)

L = panjang (m)

K = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)

Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat terdapat pada bahan bukan logam.

Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :

dx dT kA

Q_x

...

(2.4)

Bahan yang mempunyai konduktifitas termal yang tinggi dinamakan konduktor, sedangkan bahan yang konduktifitas termal rendah disebut isolator. Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu.

Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor [4]

Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi

pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwool, steroform, dan kayu. Energi

panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).

2.4.2 Konveksi

Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan panas secara konveksi telah diajukan oleh Newton pada tahun 1701 yang berasal dari pengamatan fisika.

)

(_{s f}

c

c h At t

Q  

...

(2.5)

dengan : hc = koefisien konveksi (W/m2K)

ts = suhu permukaan (0C)

tf = suhu fluida (0C)

Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :

a. Bilangan Reynold (Re)

Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran

fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re<2300 dikatakan aliran laminar; Re>2300 dikatakan aliran turbulen.







D

R_e  . .

...

(2.6)

dengan :



= rapat massa (kg/m3)

v = kecepatan aliran fluida (m/s)

D = diameter aliran fluida (m)

μ = viskositas fluida (Pa.det)

b. Bilangan Prandtl (Pr)

Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi

dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan

viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu :

k C

P_r  p.



...

(2.7)

dengan : Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K)

μ = viskositas fluida (Pa.det)

k = konduktivitas thermal (W/m2K)

c. Bilangan Nusselt (Nu)

k D h

Nu c.

_...

(2.8)

dengan : hc = koefisien konveksi (W/m2K)

D = diameter efektif aliran fluida (m) k = konduktifitas thermal fluida (W/mK)

Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu

sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan :

) )(Pr

(Ren m

C

Nu

...

(2.9) Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut:

1. Bidang vertikal

Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida sehingga fluidanya mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda. Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang bidang L dan dinyatakan dengan L Ra. Untuk kasus ini ada beberala alternatif yang dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada McAdams (1954), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu:

Nu = 0,59 RaL0,25 untuk 104≤ RaL≤ 9 ...(2.10)

Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109≤ RaL ≤ 13...(2.11)

2. Bidang miring

Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan

90o. Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut

kemiringannya kurang dari 90o. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural,

maka semua persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah pelat yang panas dimiringkan

Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring [4]

Pada ruang pengering (kanal) kolektor surya ini perpindahan panas yang terjadi menuju ruang pengering (drying chamber) adalah perpindahan panas konveksi natural, sehingga aliran udara bergerak yang terjadi melalui kolektor adalah akibat perpindahan panas konveksi natural. Perpindahan panas pada kolektor dianalisa dengan plat absorber adalah plat miring dan dengan temperatur seragam. Profil kecepatan dalam lapisan batas adalah:

=

( )

�

−

�

...

(2.12)

Dengan adalah tebal lapisan batas (m) adalah daerah yang mengalami hambatan karena adanya tegangan geser pada permukaan plat dan kaca sehingga partikel fluida terpaksa berhenti pada sekitar permukaan benda, baik di permukaan plat maupun di permukaan kaca. Vc(y) adalah kecepatan karakteristik yang merupakan fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y). Pada posisi y yang sama, kecepatan karakteristik ini sama sepanjang x. persamaan untuk mencari kecepatan karakteristik adalah:

Dan tebal lapisan batas adalah :

Konstanta gravitasi pada persamaan diatas adalah gravitasi yang searah

dengan plat miring (g cos Ө).

Pada gambar dapat dilihat bahwa pada bidang miring dengan sudut

kemiringan θ terhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi

g cos θ yang sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat dianggap

sebagai pelat vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi g cos θ. Maka untuk

bidang miring semua persamaan pada kasus bidang vertikal dengan Ts dan q′′

konstan dapat digunakan. Tetapi gravitasi g harus diganti menjadi g cos θ saat

menghitung bilangan Ra.

Ra

L

=

cos � −

...

(2.15)

Setelah menghitung bilangan Ra, maka semua persamaan untuk pelat vertikal, dapat digunakan. Kita tinggal memilih persamaan mana yang sesuai untuk kasus yang sedang dibahas.

2.4.3 Radiasi

Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton dipancarkan dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu permukaan ke permukaan lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui permukaan tersebut

Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya

pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya

pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya. Untuk

Daya pancar :

Eb = σ. T

4

...

(2.16)

dimana : Eb = daya pancar benda hitam (W/m2)

σ = tetapan Stefan-Boltzmann = 5.669 x 10 -8W/m2K4

T = suhu absolute (K)

Perpindahan panas secara radiasidipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:

1. Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar

kecil jumlahpancaran yang akan dapat dilepaskan.

2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau

menyerap panas.

3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan

menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan lain.

Karakteristik Radiasi dari Permukaan Benda Hitam:

1. Emisi Permukaan

Sifat dari permukaan radiasi (emisivitas) didefinisikan sebagai perbandingan radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas mempunyai nilai yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang dan arahnya. Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1, di mana benda hitam mempunyai nilai emisivitas 1.

2. Absorbsivitas (Penyerapan)

Absorbsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.

3. Transmisivitas

Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu Dan Tempat

Lokasi perancangan dan pembuatan alat pengering bertempat di Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Waktu penelitian ± 7 bulan.

3.2 Metode Desain

Perancangan merupakan kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu produk yang kebutuhannya dibutuhkan oleh masyarakat. Setelah perancangan selesai maka kegiatan yang menyusul adalah pembuatan produk. Cara merancang terdiri dari 4 tahap atau fase, yang masing-masing terdiri dari beberapa langkah (Pahl danBeitz). Keempat fase tersebut adalah :

1. Fase Perumusan . (Formulation Phase)

2. Fase Fungsi (Functional Phase)

3. Fase Perancangan (Design Phase)

4. Hasil (Result)

Perencanaan alat pengering meliputi kolektor. Kolektor yang dipilih dalam perancangan ini adalah kolektor pelat datar, karena tingkat kesulitan pembuatan yang rendah namun memiliki efisiensi yang cukup baik dan sesuai dengan kebutuhan untuk penelitian. Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi triplek, pelat absorber, penutup transparan (akrilik), dan isolasi pada kolektor.

Perencanaan alat pengering bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah hasil produksi perkebunan dan pertanian. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pengering yaitu: ekonomis,

Rockwool Poly carbonate sterofoam

Plat aluminium Poly urethane 5mm

Gambar 3.1 Kolektor

3.2.1 Perancangan Pelat Absorber

Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan

mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara lain:

 Absorbsivitas tinggi (α)

 Emisifitas panas rendah ( )

 Kapasitas panas kecil (Cp).

 Konduktifitas besar (k)

 Refleksi rendah (ρ)

 Tahan panas dan tahan korosi

 Kaku dan mudah dibentuk

 Ada dipasaran

Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat pengumpul yaitu: seng, aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Dalam perancangan ini digunakan aluminium sesuai pertimbangan di atas. Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan 0,5 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam, agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.

3.2.2 Perancangan penutup kolektor

Penutup kolektor berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harusmempunyai sifat:

 Transmisivitas tinggi (�)

 Absorsivitas rendah (α)

 Refleksivitas rendah (ρ)

 Tahan panas

 Ada dipasaran dan kuat

Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan dua lapis polycarbonate

dengan ketebalan 3mm. Transmisivitas(�)= 0.88, emisifitas ( ) = 0.93.

3.2.3 Perancangan Isolasi

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan.Isolasi yang digunakan adalah:

 Konduktifitas termal bahan (k) kecil.

 Mudah dibentuk dan praktis

 harga murah dan ada dipasaran

 Tahan lama.

Isolator yang dipilih dalam perancangan ini adalah 1 lapisan polyurethane dengan tebal 5mm dimana kehantaran thermalnya 0,023 W/m.K, rockwool dengan tebal 50mm dimana kehantaran termalnya 0,04 W/m.K, dan sterofoam dengan kehantaran thermalnya 0.036 W/m.K.

3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan 3.3.1 Peralatan pengujian

Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah :

1. kolektor

Spesifikasi :

Tipe = Pelat datar

Panjang kolektor = 3 m

Lebar kolektor = 1,5 m

Luas kolektor = 4.5 m2

Kemiringan = 0o (180o)

2. Laptop

Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan

dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.

Gambar 3.2 Laptop

Spesifikasi:

a. G42 series

b. Intel core i3 processor

c. 14"widescreen

d. Os: Microsoft windows 7

3. Agilient 34972 A

Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya. Pencatatan data pengukuran disimpan

Gambar 3.3 Agilient 34972 A

Dengan Spesifikasi :

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah saluran termokopel 20 buah

c. Tegangan 250 Volt

d. Mempunyai 3 saluran utama

e. Ketelitian termokopel 0.03o C

f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik

g. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol

h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistance

Temperature Detector (RTD), dan termistor, serta arus listrik AC

4. Anemometer

Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang mengalir didalam

suatu aliran. Jenis Anemometer yang digunakan adalah Hot Wire

Gambar 3.4 Hot Wire Anemometer

Spesifikasi:

General Specification

Display 46.7 mm x 60 mm LCD display

Dual fu ctio eter’s display

Measurement m/s (meters per second) Km/h (kilometers per hour0 Ft/min (feet per minute) MPH (miles per hour)

Knot (nautical miles per hour) Temp. oC, oF

Data hold

Memory Maximum and minimum with recall Sampling Approx. 0.8 sec

Operating Humidity Less than 80% RH Power Supply 9V battery

Power Current Approx. DC 60-90 mA

Weight 280g

Dimension 210mmx75mmx50mm Accessories Hot wire sensor 9V battery

Electrical Specifications Air Velocity

Measurement: Range: Resolution: Accuracy:

m/s 0.1 – 25.0 m/s 0.01 m/s ± (5%+1d) reading or ±(1%+1d) full scale Km/h 0.3 – 90.0 km/h 0.1 km/h

Ft/min 20 – 4925/min 1ft/min MPH 0.2 – 55.8 MPH 0.1MPH Knot 0.2 – 55.8knots 0.1knots Temperature

Measuring Range

0oC to 50oC (32oF to 122oF)

Accuracy ±1oC/1.8oF

5. Hobo Microstation Data Logger

Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke komputer untuk diolah datanya. Dengan Spesifikasi :

a. Skala pengoperasian: 20 o C -50 o C dengan baterai alkalin40oC -70 o C

dengan baterai lithium

c. Ukuran: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

d. Berat: 0,36 Kg

e. Memori: 512 Kb Penyimpanan data nonvolatile flash

f. Interval Pengukuran: 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)

g. Akurasi Waktu: 0 – 2 detik

Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Micro station data logger yaitu :

Gambar 3.5 HoboMicrostation data logger

Keterangan

1) Pyranometer

Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu

lokasi.Satuan alat ukur ini adalah W/m2.

Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer

Parameter

pengukuran intensitas radiasi dengan interval 1 detik

Rentang

Pengukuran 0 sampai 1280 W/m

2

Temperatur kerja Temperature: -40°C to 75°C (-40°F to 167°F)

Akurasi

±10.0 W/m2 or ±5% . Tambahan temperatur error

0.38 W/m2/°C from 25°C (0.21 W/m2/°F from

77°F)

Resolusi 1.5 W/m2

Penyimpangan <±2% per Year

Panjang kabel 3 Meters (9.8 ft)

1 2 3

Berat 120 grams (4.0 oz)

Dimensi 41mm Height x 32mm Diameter (1 5/8" x 1 1/4")

Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]

2) Wind Velocity Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat

ukur ini adalah m/s. Berikut adalah spesifikasi wind velocity sensor.

Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor

Parameter pengukuran

Kecepatan angin rata-rata Kecepatan angin terttinggi

Data Channels 2 Channel, 1 Port

Rentang pengukuran 0 to 45 m/s (0 to 100 mph)

Operasi kerja Temperatur: -40C to 75C (-40F to 167F)

Akurasi ±1.1 m/s (2.4 mph) atau 4%

Resolusi 0.38 m/s (0.85 mph)

Ambang batas awal 1 m/s (2.2 mph)

Kecepatan angin maksimum

54 m/s (120 mph)

Radius pengukuran 3 Meter

Housing 3 buah Anemometer dengan bantalan

Teflon Bearings dan poros Hardened Beryllium

Panjang kabel 3.0 Meters (10 ft)

Dimensi 190 cm x 51 cm (7.5" x 3.2")

Berat 300 gram (10 oz)

Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]

3) Ambient Measurement apparatus

Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar. Satuan alat ukur ini adalah °C. Dengan spesifikasi:

Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus

Rentang pengukuran

Akurasi ±0.22°C at 25°C (±0.4°F at 77°F) see Diagram

Resolusi 0.02°C @ 25°C (0.04°F @ 77°F)

Penyimpangan 0.05°C/yr + 0.1°C/1000 hrs above 100°C

Waktu Respon Water: 3.5 minutes to 90%

Air: 10 minutes to 90% ( Moving at 1m/sec)

Akurasi Waktu ±2 Minutes per Month at 25°C (77°F)

Sampling Rate 1 Second to 18 Hours

kapasitas

penyimpanan data

43,000 12-bit Samples/Readings

Konstruksi housing 316L Stainless Steel with O-ring seal Tekanan/kedalaman

kerja

2200 psi (1500 m/4900 ft) maximum

Lingkungan kerja Air, Water, Steam (0 to 100% RH)

Berat 72 g (2.5 oz)

Dimensi 10.1cm long x 1.75cm diameter

Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]

4) T and RH Smart Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban.Besarnya nilai yang diukur oleh alat ini dalam persen (%).

Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor

Channel 1 Channel kelembapan

Rentang pengukuran -40°C - 100 °C (-40°F - 212°F)

Akurasi < ±0.2°C - 0°C sampai 50°C (< ±0.36°F @

32°C-122°F)

Resolusi < ±0.03°C dari 0 °C - 50°C

(< ±0.054°F dari 32°F - 122°F)

Penyimpangan < ±0.1°C (0.18°F)/tahun

Waktu Respon kurang 2.5 Menit sampai RH 90% dalam 1

m/det gerakan udara

Pilihan operasi pengukuran Tersedia

Kondisi Lingkungan Kabel dan Sensor Tahan air selama 1

tahun dengan Temperatur sampai 50°C

Berat w/ 17 Meter Cable: 880 grams (12.0 oz)

Dimensi 7 mm x 38 mm (.28" x 1.50") - (Sensor

saja)

Sumber: From Rian Arikundo, Fadly, USU, Medan, 2013. [4]

3.3.2 Bahan Pengujian

Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya sudah dibahas pada tahap perancangan.Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah:

1. Polyurethane sheet

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator,digunakan untuk mencegah

panas dari solar collector hilang keluar. Jenis Polyurethane yang dipakai

adalah jenis sheet (sintetis) dengan kehantaran thermal 0,023 W/m.K

Gambar 3.6Polyurethane 2. Polycarbonate

Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari. Digunakan

jenis double glasses, untuk meningkatkan performance dari solar

collector. Digunakan dua lapis polycarbonate dengan ketebalan 3mm.

Gambar 3.7Polycarbonate

3. Pelat aluminium

Bahan ini digunakan sebagai absorber. Pelat aluminium yang memiliki konduktivitas yang bagus dan diberi cat hitam agar radiasi yang masuk

pada solar collector akan diserap sepenuhnya oleh pelat aluminium.

Gambar 3.8 Pelat Aluminium

4. Cat

Bahan ini digunakan untuk mencat pelat seng.Cat yang digunakan adalah cat berwarna gelap (hitam).

5. Rockwool

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator,digunakan untuk mencegah

panas dari solar collector hilang keluar. Jenis Rockwool yang dipakai

adalah jenis Wire Mesh yang memiliki konduktivitas 0.043 .

Gambar 3.10 Rockwool

6. Sterofoam

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator,digunakan untuk mencegah

panas dari solar collector hilang keluar.

Gambar 3.11 Sterofoam

3.4 Persiapan Penelitian

Penelitian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel antara

agilient dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Flashdisk

Setelah agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diatur, flashdisk

dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer.

Gambar 3.12 Experimental Setup

Adapun beberapa parameter yang diukur ialah :

1. Temperatur permukaan plat absorber (T1)

2. Temperatur permukaan glass1 (T2)

3. Temperatur permukaan glass2 (T3)

4. Temperatur permukaan plat absorber (T4)

5. Temperatur permukaan glass1 (T5)

6. Temperatur permukaan glass2 (T6)

Parameter diatas digunakan untuk menghitung besarnya nilai energi panas yang hilang pada kolektor surya dan nilai dari effisiensi kolektor surya.

3.5 Proses pembuatan Kolektor

Gambar 3.13 Desain kolektor pada software solidwork

2.Membuat rangka kolektor

Gambar 3.14 Pembuatan rangka kolektor

Gambar 3.15 Pemasangan polyurethane

4.Pemasangan sterofoam sebagai isolator kedua

Gambar 3.16 Pemasangan sterofoam

5.Pemasangan rockwool sebagai isolator ketiga

Gambar 3.17 Pemasangan rockwool

Gambar 3.18 Pemasangan pelat absorber

7.Pemasangan kaca penutup kolektor

Gambar 3.19 Pemasangan kaca penutup

8.Pemasangan penutup kolektor

9.Pemasangan kolektor pada mesin pengering

Gambar 3.21 Pemasangan kolektor pada mesin pengering

3.6 Prosedur Penelitian

Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan energi surya ke dalam energi panas. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas. Pada absorber, radiasi surya di serap, kemudian dilalui fluida kerja udara sebagai pembawa energi panas menuju kotak pengering.

Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah :

1. Alat pengering kolektor surya dipersiapkan (portable).

2. Kolektor diletakkan dalam posisi yang baik dan benar.

3. Semua alat ukur yang dibutuhkan selama pengujian dipersiapkan.

4. Kabel-kabel termo couple dari agilient dipasang pada kolektor dan mesin

pengering.

5. Proses perekaman data dimulai.

6. Pengujian dilakukan hingga 8 jam yang dimulai pada pukul 09-00 sampai

17.00 WIB.

Berikut diagram alir tahapan dalam pengerjaan skripsi :

Gambar 3.21 Diagram Alir Tahapan Pengerjaan Skripsi Perhitungan dan Diskusi Perancangan kolektor

Pabrikasi dan Memodifikasi kolektor

Pengambilan Data kolektor

Hasil Pengambilan data HOBO dan Agilent

Analisa hasil percobaan

Kesimpulan

Selesai Mulai

Studi Literatur Buku Referensi,

Jurnal, Internet, dll

Validasi

BAB IV

RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA

4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation) 4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran

Kita dapat menghitung data intensitas radiasi matahari secara pengukuran dengan menggunakan sensor radiasi. Sensor radiasi yang digunakan pada

penelitian ini adalah Hobo Micro station Data Logger. Alat ukur Hobo Micro

station Data Logger ini dapat menghitung data intensitas radiasi matahari, kecepatan angin, temperatur, dan RH. Sehingga kita dapat melihat data-data dari

sensor tersebut secara bersamaan dalam bentuk Microsoft Excel. Sensor ini dapat

mencatat data-data dalam interval waktu 1 menit. Alat ukur Hobo Micro station

Data Logger ini berada di Laboratorium Teknik Pendingin Departemen Pasca Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin. Berikut data intensitas radiasi matahari per 15 menit pada tanggal 13 Mei 2015.

Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran (Hobo) 13 Mei 2015

Waktu (WIB)

I= Radiation W/m²

Waktu (WIB)

I = Radiation W/m²

Waktu (WIB)

I = Radiation W/m² 8:00 _46.54 11:15 _600.36 14:30 _121.04 8:15 _104.626 11:30 _434.78 14:45 _69.96 8:30 _149.293 11:45 _642.04 15:00 _54.87 8:45 _184.38 12:00 _370.786 15:15 _41.8 9:00 _234.546 12:15 _620.72 15:30 _22.286 9:15 _289.286 12:30 _438.96 15:45 _19.96 9:30 _334.38 12:45 _802.546 16:00 _40.12 9:45 _380.63 13:00 _573.54 16:15 _80.386 10:00 _432.126 13:15 _483.953 16:30 _102.606 10:15 _479.786 13:30 _497.286 16:45 _148.12 10:30 _525.126 13:45 _258.706 17:00 _209.05 10:45 _561.786 14:00 _302.63

Dari data intensitas radiasi matahari pengukuran, radiasi rata-rata pada tanggal 13

Mei 2015 mulai pukul 08.00 WIB – 17.00 WIB adalah 346.53 W/m2.

4.2 Desain Kolektor Surya

Desain Kolektor Surya adalah tipe box bentuk persegi panjang tanpa

dengan mengunakan penutup yang berlapiskan dua kaca. Berikut adalah gambar Kolektor Surya beserta ukurannya dengan satuan mm.

Gambar 4.1 Rancangan kolektor surya

Kolektor Surya diisolasi dengan empat lapisan dinding berupa polyurethane, sterofoam, rockwool, dan aluminium. Berikut dimensi dan ukuran dari Kolektor Surya:

Diketahui :

A = Luas ; p = panjang ; l = lebar ; t = tebal

� = � = , = ,

� = � = , = ,

� = � = , = ,

� = � = , = ,

� = � = , = , � = � = , = ,

� = � = , = ,

� = � = , = ,

= = 0,005 m

= = , = = , = = ,

Gambar 4.2 Penamapang kolektor surya Keterangan :

A1 = luas dinding polyurethane

A2 = luas dinding sterofoam

A3 = luas dinding rockwool

A4 = luas dinding aluminium (plat absorber)

A5 = luas alas aluminium (plat absorber)

A6 = luas alas rockwool

A7 = luas alas sterofoam

A8 = luas alas polyurethane

t1 = tebal dinding polyurethane

t2 = tebal dinding sterofoam

t3 = tebal dinding rockwool

t4 = tebal dinding aluminium (plat absorber)

t5 = tebal alas aluminium (plat absorber)

t6 = tebal alas rockwool

t7 = tebal alas sterofoam

t8 = tebal alas polyurethane

Konduktivitas bahan (Sumber: Incropera, 1985).

� ℎ = 0.023 . /�

� = 0.042 . /�

� = 0.036 . /�

� � � = 237 . /�

4.3 Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya

Pada perhitungan kehilangan panas berikut digunakan data pengujian pada sampel kedua tanggal 13 Mei 2015 pada pukul 12.00 WIB sampai dengan pukul

12.15 WIB. Temperatur permukaan plat, permukaan kayu, permukaan kaca dan temperatur dalam kolektor diperoleh dari data agilent rata-rata. Temperatur lingkungan dan intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo rata-rata.

Gambar 4.3 Gradient perpindahan panas pada isolator

Berikut adalah grafik temperatur permukaan kaca, temperatur dalam ruang kolektor, temperatur permukaan kayu, temperatur lingkungan dan temperatur

permukaan plat pada tanggal 13 Mei 2015 pukul 12.00 WIB – 12.15 WIB.

Gambar 4.4 Grafik waktu vs temperature 13 Mei 2015 pukul 12.00 s/d 12.15 20

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

T

E

M

P

E

R

A

T

UR

(

OC)

WAKTU (WIB)

plat

kaca dalam

temp lingkungan kaca luar

Temp kolektor polyuretane

4.3.1 Menghitung Kecepatan Dalam Kolektor (�

Pada perancangan kolektor ini kecepatan profil dalam kolektor tidak dihitung karena pada kolektor ditambahkan blower sehingga kecepatan udara di dalam kolektor dapat diperoleh dari alat ukur. Kecepatan udara di dalam kolektor

1 (�) adalah 0,735 m/s, dan kecepatan kolektor 2 (�) adalah 0.385 m/s

4.3.2 Menghitung Kehilangan Panas Pada Dinding

1. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar

Koefisien konveksi melalui udara lingkungan terhadap permukaan

polyurethane, h1 (koefisien konveksi natural). Temperatur lingkungan (Tr) vs

Temperatur permukaan polyurethane (Ts).

Penyelesaian : Diketahui :

Temperatur Lingkungan (Tr) = 35.19 oC = 308.19 K

Temperatur polyurethane (Ts) = 39.60 oC = 312.60 K

Temperatur Film (Tf) = + = 310.391 K

Sifat fisik udara pada temperatur 37.391 oC :

 Menghitung bilangan Grashof (GrL):

Rumus: 2 3 2 ) ( cos







g T T L

Gr_L  s  r

Dimana :

� = Massa jenis = 1.12682 (kg/m3)

� = Gravitasi = 9.81(m/s )

Ө = Kemiringan kolektor = 0o

Tf (K)

ρ

(kg/m3)

Cp (J/kg K)

� x 107

(N.s/m2)

k x103

(W/m.k)

α x106

(m2/s) Pr

= Koefisien udara = =

. = 0.003221743 (1/K)

L = Panjang kolektor = 3 (m)

� = Viskositas = 189.50455 x 10-7 (N.s/m2)

Maka :

GrL =

. _mkg x . _sm xcos x . /K x . K− . K x

. − _N.s/

GrL= 1.3306 x 1010

 Menghitung bilangan Rayleigh (RaL):

Rumus:

RaL = GrL x Pr

Dimana:

RaL = Bilangan Rayleigh

GrL = Bilangan Grashoff = 1.3306 x 10+10

� = Bilangan Prandt = 0.70555

Maka:

RaL = 1.3306 x1010 x 0.70555

RaL = 9.3877 x109

 Menghitung bilangan Nusselt (Nux):

Rumus:

25 , 0 59 , 0

Nu_x  Ra_L

untuk 104 RaL109

3 1 1 , 0

Nux  RaL _untuk 109RaL1013

Karena RaL diantara 109 < RaL < 1013 maka bilangan Nusselt yang dipakai

adalah:

Nux = 0.1 RaL1/3

Lampiran 9

Grafik temperatur kolektor 2 pada tanggal 15 Mei 2015

Data temperatur kolektor 2 pada tanggal 15 Mei 2015

Time polyurethane dalam kolektor kaca lingkungan plat intensitas

9:15 32.63 47.78 48.46 29.11 58.94 193.14

9:30 33.78 51.61 51.38 29.71 65.59 287.80

9:45 35.67 56.28 56.94 30.44 72.52 374.95

10:00 36.36 57.75 58.16 30.86 72.49 392.79

10:15 36.68 58.33 58.82 31.24 72.40 441.37

10:30 37.16 59.64 60.58 32.15 76.19 456.38

10:45 38.00 62.17 63.92 32.74 79.50 322.53

11:00 38.51 62.04 60.82 32.62 78.29 286.88

11:15 39.26 63.00 63.36 33.22 82.51 368.97

11:30 39.10 63.15 63.02 33.74 80.72 413.21

11:45 39.86 66.12 68.29 34.70 88.31 364.55

12:00 38.82 62.34 60.45 33.96 75.49 495.38

12:15 38.36 56.08 54.24 34.17 66.83 423.63

12:30 38.80 62.50 62.98 34.89 82.98 453.80

12:45 39.23 67.14 67.52 35.30 91.06 641.38

13:00 38.93 64.60 62.91 34.92 81.04 615.62

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00

9:15 9:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 15:45 16:15 16:45

T E M PE R A T UR ( OC) WAKTU (WIB)

13:30 37.75 55.95 53.98 34.53 67.82 504.96

13:45 38.57 60.82 60.74 34.92 77.61 252.62

14:00 38.14 58.52 56.83 34.62 71.59 300.54

14:15 37.23 54.34 51.24 34.63 65.26 229.88

14:30 37.21 55.02 52.35 34.48 66.64 274.13

14:45 36.09 50.01 46.20 34.01 58.23 244.29

15:00 36.14 53.43 52.27 34.25 67.79 160.04

15:15 35.23 47.80 44.79 33.34 55.70 218.39

15:30 34.31 43.15 39.69 32.72 47.50 340.21

15:45 33.75 42.60 38.54 32.63 48.41 313.13

16:00 34.21 46.56 43.86 32.92 57.81 267.21

16:15 34.26 45.70 43.58 33.03 53.88 372.46

16:30 34.35 45.25 43.62 33.06 53.45 437.37

16:45 34.07 42.96 39.79 32.29 50.57 217.71

Lampiran 10

Daftar biaya pembuatan kolektor surya

Banyaknya Nama barang ukuran @ harga

7 lembar polyurethane (tebal 5mm) 2 x 1 m 790,000

5,530,000.00 6 keping polycarbonate (tebal 3mm)

1.3 x 3.3

m 1,020,000

6,120,000.00 6 lembar styrofoam (tebal 50mm) 2x1 m 35,000

210,000.00

4 gulung rockwool 0.9 x 6 m 275,000

1,100,000.00 6 lembar plat aluminium (tebal 0.5 mm) 2 x 1 m 155,000

930,000.00

15 batang besi siku 25x25 mm 30,000

450,000.00

4 botol lem silikon / lem kaca 30,000

120,000.00

1 kotak paku riffet ø 4mm 60,000

60,000.00

3 kaleng thinner 18,000

54,000.00

3 kaleng cat minyak hitam gelap 40,000

120,000.00 1 gulung seng (tebal 0,3mm) 4 x 1.2 m 46,000

184,000.00

4 buah corong penutup kolektor 150,000

150,000.00

1/2 kg busur las 15,000

15,000.00

jumlah

Tabel konduktifitas thermal bahan logam

Lampiran 12

Tabel sifat udara (1 atmosfer)

Tabel sifat material isolator