Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg, dan 35 cmHg dengan Variasi Sudut Kolektor 200 dan 300

PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA

PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN

R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35

cmHg DENGAN VARIASI SUDUT KOLEKTOR 20

0

DAN 30

0

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

IMMANUEL RICHART P. SEMBIRING

(110401130)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial. Dengan menggunakan alat yang disebut dengan Pemanas Air Tenaga Surya (PATS), dapat dilakukan pemanas air secara terus menerus tanpa mengeluarkan biaya yang besar. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air, biasanya dalam modus sirkulasi alami. Kelemahan utama dari pemanas air tenaga surya adalah proses perpindahan panas rendah. Menggunakan refrigeran sebagai fluida sekunder untuk mentransfer panas merupakan solusi yang terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan fluida kerja refrigeran R-718 dengan memvakum fluida tersebut pada tekanan yang berbeda serta dengan pengaturan kemiringan absorber yang berbeda pula. Tiga kolektor digabungkan dalam satu unit yang dirancang dan dibuat sebagai peralatan eksperimen. Dimensi masing-masing kolektor adalah pelat absorber berukuran 20 x 100 (cm), dua pipa panas dengan diameter 3/4 inci dan satu tangki air berisi 4 liter. Penelitian dengan memanfaatkan refrigeran bertekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg. Adapun penelitian terhadap tiga tekanan yang berbeda tersebut dilakukan bersamaan dengan tiap penelitian dilakukan variasi sudut kemiringan pada sudut 200dan 300 dengan tahap penelitian sebagai berikut: 1) Mengisi pipa panas pada kolektor 1, 2 dan 3 masing masing dengan refrigeran R-718 vakum 45 cmHg. 40 cmHg dan 35 cmHg, 2) Melakukan pengujian dengan kemiringan absorber tiap pengujian sebesar 200 dan 300 . Adapun hasil penelitian ini adalah: 1)Pada tekanan fluida kerja vakum 45 cmHg dan sudut kemiringan 300 didapat suhu pemanasan air tertinggi 2) Temperatur kolektor berbanding lurus dengan temperatur air pada tangki. 3) Efisiensi pada temperatur air maksimum dari kolektor pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan fluida sekunder refrigeran R-718 sudut 200 tertinggi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 30,02% dengan temperatur air maksimum 56,210C dan pada sudut 300 efesiensi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 43,75% dengan temperatur air maksimum 59,69 0C. 4) Efisiensi terbaik adalah pada kolektor dengan fluida kerja vakum 35 cmHg.

ABSTRACT

Solar energy is one of renewable energy resource potential. By using an instrument called the Solar Water Heater, water heating can be carried out continuously without spending huge costs. At this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water, usually in natural circulation mode. The main drawback of solar water heater is the process of heat transfer is low. Using refrigerant as a secondary fluid to transfer heat is the best solution. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heating systems using the heat pipe working fluid refrigerant R-718 by vacuuming the fluid at different pressures and with the slope setting different absorber. Three collectors are combined in a single unit designed and manufactured as experimental equipment. The dimensions of each collector is the absorber plate measuring 20 x 100 (cm), two heat pipes with a diameter of 3/4 inch and a water tank contains 4 liters. Research by utilizing a vacuum pressure refrigerant 45 cmHg, 40 cmHg and 35 cmHg. The study of three different pressures is performed in conjunction with each variation of the angle of research conducted on the corner of 200 and 300 with the phase of the study as follows: 1) Fill the heat pipes on the collector 1, 2 and 3 respectively with refrigerant R-718 vacuum 45 cmHg , 40 cmHg and 35 cmHg, 2) Conducting tests with each test absorber slope of 200 and 300. The results of this study are: 1) In the working fluid pressure of 45 cmHg vacuum and the angle of 300obtained the highest temperature of the water heating 2) The temperature of the collector is proportional to the temperature of the water in the tank. 3) The efficiency at maximum water temperature of solar water heater collector heat pipe system with a secondary fluid refrigerant R-718 at 200 top corner on 35 cmHg vacuum pressure is 30.02%, and the maximum water temperature is 56,210C. At 300, efficiency in 35 cmHg vacuum pressure is 43,75% with the rate of maximum temperature water is 59.69 0C. 4) The best efficiency for solar water heater is obtained when the vacuum pressure rate of refrigerant R-718 is 35 cmHg.

DAFTAR ISI

ABSTRAK……….. i

KATA PENGANTAR………... iii

DAFTAR ISI………... v

DAFTAR GAMBAR………... ix

DAFTAR TABEL……… xii

DAFTAR LAMPIRAN……… xiii

DAFTAR NOTASI……….. xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ……….. 1

1.2. Perumusan Masalah………... 3

1.3. Batasan Masalah… ……… 3

1.4. Tujuan Penelitian ……….. 4

1.4.1. Tujuan Umum……… 4

1.4.2. Tujuan Khusus ……….. 4

1.5. Manfaat Penelitian ……… 4

1.6. Sistematika Penulisan……… 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan Panas ……… 7

2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi……… 7

2.1.2. Teori Dasar Konveksi……… 7

2.1.3. Perhitungan Panas Radiasi ……… 8

2.2. Radiasi Surya ……… 8

2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya ……… 8

2.2.2. Absorbtivitas, Reflectivitas dan Transimitas……… 9

2.2.3. Rumusan Radiasi Surya ……… 11

2.2.4. Hipotesis Pengaruh Sudut……… 18

2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS… 19 2.3. Panas, Panas Latent, dan Panas Sensible……….. 20

2.3.2. Jenis panas ……… 21

2.3.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya . 22 2.4. Alat Pemanas Air Tenaga Surya ……….. 22

2.4.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya………. 23

2.4.2. Plat Absorber Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya……… 24

2.4.3. Isolator Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya ………. 25

2.4.4. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya.. 25

2.4.5. Energi yang Diserap oleh air………. 27

2.4.6. Efisiensi dari Kolektor ……….. 28

2.5. Refrigeran R-718 ……….. 28

BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu……… 31

3.1.1. Tempat Penelitian……….. 31

3.1.2. Waktu Pelaksanaan……… 31

3.2 Bahan dan Peralatan ………. 31

3.2.1. Bahan ……… 31

3.2.2. Peralatan……… 32

3.3. Pelaksanaan Penelitian……….. 40

3.3.1. Pemeriksaan Peralatan ……….. 41

3.3.2. Persiapan Pendahuluan ………. 41

3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran ………. 42

3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor ………. 42

3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian ………. 42

3.4. EksperimenSet-UP……… 43

3.5. Variabel Penelitian ……… 43

3.5.1. Variabel bebas ………..… 43

3.5.2. Variabel terikat ………. 44

3.6. Analisa Data……….. 44

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Penelitian ……… 46

4.2. Analisa Suhu Kolektor dan Air pada Tangki dari Hasil Penelitian …….. 46

4.2.1. Penelitian Tahap I ……… 46

4.2.2. Penelitian Tahap II ………... 48

4.2.3. Penelitian Tahap III ……….. 50

4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 20o……….. 52

4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)……… 52

4.3.2. Energi yang Diserap Air (Qu)……… 56

4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……..……….. 57

4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 30o……….. 58

4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident) ………... 58

4.4.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ………... 61

4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum ……….. 62

4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 20o……… 63

4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident) ………... 63

4.5.2. Energi yang Diserap Air (Qu)……… 67

4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum ……….. 68

4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 30o………. 69

4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)……….… 71

4.6.2. Energi yang Diserap Air (Qu)……… 73

4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……… 74

4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 20o ……….. 75

4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)……… 76

4.7.2. Energi yang Diserap Air (Qu)……… 78

4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……… 80

4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 30o ……….. 81

4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)………. 81

4.8.2. Energi yang Diserap Air (Qu)……… 84

4.9. Fluktuatif Tekanan Saat Pengujian……….…………. 87

4.10. Data cuaca saat penelitian berlangsung………..……. 89

4.11. Pembahasan………. 95

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ………. 98

5.2.Saran ………... 99

DAFTAR PUSTAKA ………. xv

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1. 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2. 4.3 4.4 4.5 4.6

Interaksi Energi Surya………...

Pola Absorpsi………

Radiasi Surya..………...

Hubungan antara Matahari dan Bumi………

Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari……….…..…... Pengaruh Koefisien Sudut Pengubah Terhadap Kemiringan…………

Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)…………... Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber……….

Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi………...…….

Tata Letak Lokasi Penelitian………

Skema Pemanas Air Tenaga Surya ...………...

Pompa Vacum………...………

Manifold Gauge………..……….

Agilient 34972 A………..………

Laptop………

Hobo Microstation data logger……….

Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya…………...…..

Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg,

40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20o………

Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30o….…….….………

Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20o………….……….. Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30o………..….………

Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20o………..…….……

Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg,

40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30o……….…..

9 10 10 11 14 20 23 26 26 31 33 34 34 35 36 37 43 47 48 49 50 51 52

4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu………..………

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap I Sudut 20o……….………...……….

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap I Sudut 20o………..……...

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu……….….

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap I Sudut 30o……….………

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap I Sudut 30o………..……...

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu………..……

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap II Sudut 20o………..……….

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap II Sudut 20o………...

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu……….

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap II Sudut 30o……….…………..………

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap II Sudut 30o……….………...

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu………...…………...

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap III Sudut 20o……….……….

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap III Sudut 20o………..

Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu……….……

Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian

Tahap III Sudut 30o……….….

Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian

Tahap III Sudut 30o………...…... Tekanan Saat Awal Pengujian ………...

53 56 57 59 62 63 64 68 69 70 74 75 76 79 80 82 85 86 91

4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35

4.36

4.37

4.38

4.39

4.40

Tekanan Pada Pukul 10.00 ………... Tekanan Pada Pukul 11.00 ………... Tekanan Pada Pukul 12.00 ………... Tekanan Pada Pukul 13.00 ………...

Tekanan Pada Pukul 14.00 ………...

Tekanan Pada Pukul 15.00 ………... Tekanan Pada Pukul 16.00 ………... Perubahan Tekanan Dan Temperatur Air Terhadap Waktu…………..

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat

Penelitian Tahap I Sudut 20o……….………...

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat

Penelitian Tahap I Sudut 30o……….………...

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat

Penelitian Tahap II Sudut 20o………...……….………...

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat

Penelitian Tahap II Sudut 30o………...……….………...

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap III Sudut 20o……….……….………...

Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat Penelitian Tahap III Sudut 30o……….……….………...

92 92 93 93 94 94 95 95

96

96

97

98

98

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1. 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3

4.4

4.5

Urutan Hari Berdasarkan Bulan………...

Faktor Koreksi Iklim………

Emisivitas Material………...

Sifat R-718 pada tekanan vacum 45 cmHg (0,4001 bar absolut).…………

Sifat R-718 pada tekanan vacum 40 cmHg (0,466 bar absolut)..……..…...

Sifat R-718 pada tekanan vacum 35 cmHg (0,533 bar absolut)... SpesifikasiMeasurement Apparatus………...………

SpesifikasiPyranometer……….…..…...

SpesifikasiWind Velocity Sensor….……..……….

SpesifikasiTdanRH Smart Sensor…..………..………

Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap………..……….

Perbandingan Efisiensi……….

Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada

Kemiringan Kolektor 200……….

Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada

Kemiringan Kolektor 300……….

Efisiensi pada Temperatur Air Maksimumdari Setiap Penelitian………...

12 16 24 29 29 30 37 38 39 40 46 90

100

101 102

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data Pengujian tahap I Sudut 20 Derajat Tangggal 18 Maret 2015………... xvi

Lampiran 2. Data Pengujian tahap I Sudut 30 Derajat Tangggal 17 Maret 2015………... xviii

Lampiran 3. Data Pengujian tahap II Sudut 20 Derajat Tangggal 31 Maret 2015………... xx

Lampiran 4. Data Pengujian tahap II Sudut 30 Derajat Tangggal 30 Maret 2015………... xxii

Lampiran 5. Data Pengujian tahap III Sudut 20 Derajat Tangggal 4 April 2015………... xxiv

Lampiran 6. Data Pengujian tahap III Sudut 30 Derajat Tangggal 11 April 2015………... xxvi

Lampiran 7. Energi dan Efisiensi Tahap I sudut 200PenelitianTanggal 18 Maret 2015…….. xxviii

Lampiran 8. Energi dan Efisiensi Tahap I sudut 300PenelitianTanggal 17 Maret 2015…….. xxx

Lampiran 9. Energi dan Efisiensi Tahap II sudut 200PenelitianTanggal 31 Maret 2015……. xxxii

Lampiran 10. Energi dan Efisiensi Tahap II sudut 300PenelitianTanggal 30 Maret 2015…... xxxiv

Lampiran 11. Energi dan Efisiensi Tahap III sudut 200PenelitianTanggal 4 April 2015……. xxxvi

Lampiran 12. Energi dan Efisiensi Tahap III sudut 300PenelitianTanggal 11 April 2015…... xxxviii

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

Gon Radiasi Atmosfir W/m2

Gsc Konstanta Surya W/m2

Qincident Panas Matahari Joule

A Luas Penampang Pelat Absorber (m2)

I Intensitas Cahaya Matahari (W/m2)

Qabs Panas Absorber Joule

Qref Panas Yang Dipantulkan Joule

difusifitas bahan

-Qu Energi Berguna dari Kolektor Ke Air Kilojoule

mw massa air kg

Cp,w Panas jenis dari air kJ/kg.0C

Tw1 Temperatur awal air sebelum dipanaskan

kolektor 0C

Tw2 Temperatur actual setelah dipanaskan

oleh kolektor 0C

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu

“Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg, dan 35 cmHg dengan Variasi Sudut Kolektor 200dan 300.”

Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:

1. Orang tua penulis K. Sembiring dan Yuliana Sumiyem yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

2. Bapak Ir.Tekad Sitepu,MT selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi ini.

3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun.

4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.

7. Rekan satu tim skripsi yaitu Ardiko Pardede yang selalu menyemangati penulis dengan sabar.

8. Sahabat-sahabat saya Prina Margaret, Riky Stepanus, Plorensi dan kelompok kecil Jeflo serta seluruh keluarga besar saya di Medan.

9. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua. Terimakasih.

Medan, Juni 2015

ABSTRAK

Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial. Dengan menggunakan alat yang disebut dengan Pemanas Air Tenaga Surya (PATS), dapat dilakukan pemanas air secara terus menerus tanpa mengeluarkan biaya yang besar. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air, biasanya dalam modus sirkulasi alami. Kelemahan utama dari pemanas air tenaga surya adalah proses perpindahan panas rendah. Menggunakan refrigeran sebagai fluida sekunder untuk mentransfer panas merupakan solusi yang terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan fluida kerja refrigeran R-718 dengan memvakum fluida tersebut pada tekanan yang berbeda serta dengan pengaturan kemiringan absorber yang berbeda pula. Tiga kolektor digabungkan dalam satu unit yang dirancang dan dibuat sebagai peralatan eksperimen. Dimensi masing-masing kolektor adalah pelat absorber berukuran 20 x 100 (cm), dua pipa panas dengan diameter 3/4 inci dan satu tangki air berisi 4 liter. Penelitian dengan memanfaatkan refrigeran bertekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg. Adapun penelitian terhadap tiga tekanan yang berbeda tersebut dilakukan bersamaan dengan tiap penelitian dilakukan variasi sudut kemiringan pada sudut 200dan 300 dengan tahap penelitian sebagai berikut: 1) Mengisi pipa panas pada kolektor 1, 2 dan 3 masing masing dengan refrigeran R-718 vakum 45 cmHg. 40 cmHg dan 35 cmHg, 2) Melakukan pengujian dengan kemiringan absorber tiap pengujian sebesar 200 dan 300 . Adapun hasil penelitian ini adalah: 1)Pada tekanan fluida kerja vakum 45 cmHg dan sudut kemiringan 300 didapat suhu pemanasan air tertinggi 2) Temperatur kolektor berbanding lurus dengan temperatur air pada tangki. 3) Efisiensi pada temperatur air maksimum dari kolektor pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan fluida sekunder refrigeran R-718 sudut 200 tertinggi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 30,02% dengan temperatur air maksimum 56,210C dan pada sudut 300 efesiensi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 43,75% dengan temperatur air maksimum 59,69 0C. 4) Efisiensi terbaik adalah pada kolektor dengan fluida kerja vakum 35 cmHg.

ABSTRACT

Solar energy is one of renewable energy resource potential. By using an instrument called the Solar Water Heater, water heating can be carried out continuously without spending huge costs. At this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water, usually in natural circulation mode. The main drawback of solar water heater is the process of heat transfer is low. Using refrigerant as a secondary fluid to transfer heat is the best solution. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heating systems using the heat pipe working fluid refrigerant R-718 by vacuuming the fluid at different pressures and with the slope setting different absorber. Three collectors are combined in a single unit designed and manufactured as experimental equipment. The dimensions of each collector is the absorber plate measuring 20 x 100 (cm), two heat pipes with a diameter of 3/4 inch and a water tank contains 4 liters. Research by utilizing a vacuum pressure refrigerant 45 cmHg, 40 cmHg and 35 cmHg. The study of three different pressures is performed in conjunction with each variation of the angle of research conducted on the corner of 200 and 300 with the phase of the study as follows: 1) Fill the heat pipes on the collector 1, 2 and 3 respectively with refrigerant R-718 vacuum 45 cmHg , 40 cmHg and 35 cmHg, 2) Conducting tests with each test absorber slope of 200 and 300. The results of this study are: 1) In the working fluid pressure of 45 cmHg vacuum and the angle of 300obtained the highest temperature of the water heating 2) The temperature of the collector is proportional to the temperature of the water in the tank. 3) The efficiency at maximum water temperature of solar water heater collector heat pipe system with a secondary fluid refrigerant R-718 at 200 top corner on 35 cmHg vacuum pressure is 30.02%, and the maximum water temperature is 56,210C. At 300, efficiency in 35 cmHg vacuum pressure is 43,75% with the rate of maximum temperature water is 59.69 0C. 4) The best efficiency for solar water heater is obtained when the vacuum pressure rate of refrigerant R-718 is 35 cmHg.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi panas yang kita peroleh dari matahari adalah energi panas gratis yang kita peroleh secara terus menerus dan dalam jumlah yang besar. Dengan pengolahan yang baik, energi panas matahari dapat di jadikan sumber energi yang sangat besar dan dapat di jadikan menjadi salah satu sumber energi alternatif. Energi panas dari radiasi sinar matahari dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi matahari adalah untuk memanaskan air.

Posisi Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa mengakibatkan Indonesia menerima pancaran energi matahari sepanjang tahun. Dengan kata lain masyarakat Indonesia tidak akan mengalami krisis energi jika pemanfaatan energi matahari yang merupakan energi yang tidak terhabiskan dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan. Salah satu aplikasi dari pemanfaatan nya adalah digunakan sebagai sumber energi dalam pemanasan air.

Guna meningkatkan suhu air dari suhu lingkungan menjadi suhu panas yang diinginkan, umumnya masyarakat akan memanaskannya dengan menggunakan bahan bakar. Perlu diketahui penggunaan bahan bakar, yang umumnya adalah bahan bakar fosil akan menimbulkan polusi udara, yaitu terbentuknya CO, CO2 dan lain-lain. Selain itu bahan bakar jenis ini merupakan sumber energi yang tak dapat diperbarui sehingga suatu saat akan habis dan perlu dicari sumber energi alternatif.

Untuk menghindari terbentuknya lebih banyak polutan, sejalan dengan penerapan ISO 9000 yang sejak tahun 1994 muncul dengan standarisasi di bidang lingkungan hidup, EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) di Uni Eropa serta padanannya ISO 14000, maka salah satu solusinya adalah menggunakan peralatan penyerap energi matahari untuk memanaskan air.

Energi dari Matahari di serap melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Energi surya yang sampai ke permukaan bumi,

dikumpulkan dan diubah menjadi energi panas melalui alat yang disebut dengan kolektor surya. Kolektor surya merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menyerap energi surya, yang kemudian mengubah energi surya menjadi energi termal, dan mentransfer energi tersebut ke fluida kerja untuk kemudian digunakan secara langsung atau disimpan terlebih dahulu pada suatu unit penyimpanan panas. Dalam aplikasinya kolektor surya banyak digunakan sebagai alat pemanas air pada hotel, gedung perkantoran dan rumah-rumah tinggal.

Dalam perkembangannya alat pemanas air tenaga surya yang banyak dipakai pada saat ini adalah sistem thermosifon, namun sitem ini mempunyai banyak kelemahan, seperti: temperatur air yang dihasilkan tidak tinggi dan tidak dapat dipertahankan dalam waktu yang relatif lama. Seperti yang tertuang dalam penelitian Made Sucipta [1] yang menyebutkan air cepat mengalami penurunan temperatur. Hal itu akan menunjukkan bahwa air yang dihasilkan tidak dapat dipakai pada saat malam hari. Dengan adanya sistem pipa panas ini air dapat dipakai pada malam hari sekalipun tidak ada panas matahari, karena tangki air berada di bawah atap dan kolektor berada di atas atap. Sedangkan sistem thermosifon kolektor dan tangki sama- sama di atas atap.

Kolektor surya memerlukan fluida kerja sebagai media penghantar panas dari kolektor menuju tangki air. Mengingat lapisan ozon yang semakin menipis dan sesuai denganprotocol montreal(atas prakarsa Perserikatan Bangsa - Bangsa) tahun 1987 dan telah diratifikasi oleh lebih dari 170 negara, disepakati bahwa refrigeran yang mengandung Clorofluarocarbon (CFC) tidak boleh digunakan dan diproduksi lagi (Juni Handoko [14]). Clorofluarocarbon inilah yang akan merusak ozon dan membahayakan kelangsungan hidup makhluk hidup. Salah satu refrigeran yang tidak mengandungClorofluarocarbonadalah R-718, refrigeran ini sangat mudah diperoleh dan aman untuk kesehatahan lingkungan serta tidak merusak lingkungan.

Berdasarkan hasil penelitian pemanas air tenaga surya yang dilakukan sebelumnya oleh Tekad Sitepu [2] dengan melakukan penelitian terhadap alat

R-718 dan R-141b. Didapat hasilnya menunjukkan bahwa refrigerant R-718 mempunyai efesiensi maksimum 26% pada tekanan 30 cmHg dengan kemiringan absorber 30o.

Berdasarkan hasil penelitian tersebut maka peneliti akan kembali menguji dengan meneliti penggunaan refrigeran sekunder R-718 (air) pada variasi tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dan variasi sudut kemiringan absorber 20o dan 30o. Hal ini dilakukan mengingat semakin besar tingkat kevakuman refrigeran, maka titik didih dari refrigeran akan semakin rendah sehingga perubahan fasa akan semakin cepat yang mengakibatkan proses pemanasan air akan semakin baik. Selain itu peneliti juga akan melihat pengaruh sudut terhadap efesiensi kolektor dan tingkatan suhu maksimum yang dapat dicapai. Berdasarkan hal-hal diatas, penulis memiilih kolektor surya sistem pipa panas dan refrigeran R-718 untuk menjadi objek penelitian ini.

1.2. Perumusan Masalah

Alat Pemanas Air Tenga Surya (PATS) ada beberapa jenis, yaitu: alat yang menggunakan fluida sekunder sebagai media penghantar panas dan tanpa menggunakan fluida sekunder. Pada sistem tanpa fluida sekunder, pemanasan dilakukan secara langsung, sedangkan dengan fluida sekunder cara kerjanya dengan memanaskan fluida sekunder oleh kolektor, lalu fluida bersirkulasi di dalam pipa panas dan fluida tersebut memanaskan air pada tangki.

Pengkajian ini dilakukan untuk meneliti supaya memberikan hasil yang lebih baik terhadap pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan fluida kerja refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg, dengan sudut kemiringan kolektor 200dan 300

1.3. Batasan Masalah

Berdasarkan banyaknya masalah yang dijumpai dalam energi khususnya yang terdapat pada latar belakang dan juga menfokuskan penelitian, maka eksperimen ini dibatasi hanya pada kajian eksperimen pemanas air tenaga surya

sistem pipa panas dengan batasan berikut:

1. Fluida sekunder Refrigeran R- 718 pada tekanan vakum 45 cmHg di kolektor 1, 40 cmHg di kolektor 2 dan 35 cmHg di kolektor 3

2. Kemiringan kolektor 200 dan 300 terhadap garis horizontal menghadap timur

3. Lokasi penelitian berada pada 3,43oLU 98,44oBT

1.4. Tujuan Penelitian

1.4.1. Tujuan Umum

Adapun tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan optimum dari pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg pada kemiringan absorber 20odan 30o.

1.4.2. Tujuan khusus

Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:

1. Untuk mengetahui suhu kolektor dan temperatur air pada pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan refrigeran R-718 2. Untuk mengetahui efisiensi kolektor pemanas air tenaga surya sistem

pipa panas dengan fluida kerja refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg.

3. Untuk mengetahui perbandingan temperatur maksimum air yang di panaskan dan efisiensi kolektor pada kemiringan 20odan 30o

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah: 1. Memberi masukan untuk peningkatan efisiensi energi di Indonesia. 2. Memberikan masukan bagi pembuat peralatan pemanas air tenaga surya

3. Memberikan masukan untuk menghasilkan alat pemanas air dengan konsep ramah lingkungan.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika dari penulisan skripsi ini sbb:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian , dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dan rumus yang di gunakan untuk memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan yang berkaitan dengan perpindahan panas, pemanfaatan energi surya dan jenis pemanas air tenaga surya.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi metode perancangan serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur dan perlengkapan pengujian meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan pengujian, bahan pengujian,experimental set up, dan prosedur pengujian.

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA

Bab ini berisi tentang rancangan perhitungan panas yang di serap oleh kolektor, panas yang diserap oleh air dan tingkat efesiensi dari absorber pada kolektor surya.

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap permasalahan dan saran mengenai penyempurnaan hasil penelitian untuk generasi berikutnya.

DAFTAR PUSTAKA

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan dalam penyusunan laporan ini.

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Panas

2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi interaksi antara partikel [9]

Rumus Umum :

q

= -

k . A . ...(2.1)

Dimana :

q = Laju perpindahan panas (W)

A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K)

k = Konduktivitas termal bahan (W/m.K)

2.1.2. Teori Dasar Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah bentuk pindahan panas yang terjadi disertai dengan berpindahnya zat perantara

Rumus Umum :

q = h.A. ...(2.2)

Dimana :

q = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K) A = Luas penampang (m2)

2.1.3. Perhitungan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa melalui media perantara (padat dan fluida).

Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut : qrad= ε A σ ( Ts4-Tsur4) ... (2.3) dimana :

qrad = laju perpindahan panas radiasi (W) ε = emisivitas bahan

A = luas permukaan (m2)

σ = kontanta Stefan–Boltzmann (5,67 x 10-8W/m2K4) Ts = suhu permukaan (K)

Tsur = suhu lingkungan (K)

2.2 Radiasi Surya

2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya

Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi radiasi mengenai permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol (Saharjo [13]).

Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse (Saharjo [13]). Gambar 2.1 menjelaskan interaksi energi matahari terhadap bumi dimana energy yang akan dipakai dalam pemanas air tenaga surya inilah yang akan dikelola untu dapat memanaskan air.

Gambar 2.1 Interaksi Energi Surya (Saharjo,B.H.1999)

2.2.2. Absorbtivitas, Reflectivitas dan Transimitas

Segala sesuatu yang terkena pancaran matahari, konstan menerima energi radiasi. Secara tidak langsung ini berarti setiap benda yang terkena cahaya matahari, akan menerima radiasi dari segala arah sepanjang masih terpanacar oleh cahaya matahari. Jumlah energi radiasi yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu disebut dengan irradiation / incident radiation dan dilambangkan dengan G.

Ketika radiasi sampai ke permukaan, sebagian dari energi itu akan diserap, sebagian lagi di transmisikan, dan sisanya di refleksikan [3]. Energi radiasi yang di serap di sebut dengan absorbtivitas (α ), yang di transmisikan di sebut dengan transimitas (τ) dan energi radiasi yang di pantulkan di sebut reflectivitas ( ).

absorbvitas=α=

0 α 1

transimitas= τ =

0 τ 1

reflectivitas= =

Gambar 2.2 Pola Absorpsi (Cengel, Yunus. A.2002)

Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer (30-50 km), dan thermosfer (50-400 km) (Saharjo [13]).

Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam/GD). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gd).

Gambar 2.3 Radiasi Surya (Cengel, Yunus. A.2002)

2.2.3. Rumusan Radiasi Surya

Matahari mempunyai diameter 1,39 x 109 m, bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellips dengan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,495 x 1011m, waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar 2.3.menunjukkan pola masuknya energi panas matahari dengan cara radiasi ke permukaan bumi. Matahari mencurahkan daya radiasi rata-rata yang diterima bumi (diluar atmosfir) dari matahari pada arah tegak lurus permukaan per meter persegi sebesar 1367W/m2atau yang sering disebut dengan nilai konstanta matahari( Gsc)

Gambar 2.4. Hubungan antara Matahari dan Bumi (Ambarita, Himsar.2011)

Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dan bumi tidak tetap, jarak terdekat 1,47 x 1011m dan jarak terjauh 1,52 x 1011m. Perbedaan jarak ini hanya 3,3% dari jarak rata-rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi permukaan di luar atsmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan Gon, pada hari ke n yang dirumuskan oleh Beckman [4]

sebagai berikut:

 

2 365

360 cos 033 , 0 1

m W n G

G_{on sc} 

  

  

 ………...(2.4) Dimana:

= 1367 W/m2

n = Nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya

Harganya dapat diperoleh dari urutan hari berdasarkan bulan yang tercantum pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Urutan Hari Berdasarkan Bulan

Bulan Nilainpada hari yang ke–i

Januari I

Februari 31 + i

Maret 59 + i

April 90 + i

Mei Juni

120 + i 151 + i Juli

Agustus September Oktober November Desember

181+i 212+i 243+i 273+i 304+i 334+1

Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi [ 12] adalah : 1. Air Mass(m)

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700.

m = ... (2.5) Sumber: Ambarita, Himsar 2011

2. Beam Radiation

Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).

3. Diffuse Radiation

Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

4. Total Radiation

Adalah jumlahbeamdandiffuse radiation. 5. Irradiance(W/m2)

Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.

6. Irradiation atau Radian Exposure(J/m2)

Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.

7. SolarTime atau Jam Matahari

Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD ). Hubungannya adalah:

ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E ... (2.6) dimana :

STD = waktu lokal

Lst =standart meridianuntuk waktu lokal (o)

Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4

E = faktor persamaan waktu

Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.[3]

E = 229,2(0,000075 + 0,001868cosB 0,032077sinB

-0,014615cos2B - 0,04089sin2B... (2.7)

dimana :

B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu

Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.5. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.

Gambar 2.5 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari (Ambarita, Himsar.2011)

pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs(solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω=-150dan pukul 14.00, ω = 300.

Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi [12] :

δ= C1+ C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B

+ C7sin3B ... (2.8) dimana,

C1 = 0,006918 C5 = 0,000907

C2 = -0,399912 C6 = -0,002679

C3 = 0,070257 C7 = 0,00148

C4 = -0,006758 n = hari ke

δ = sudut deklinasi (rad)

B dihitung dengan menggunakan persamaan dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.1.

Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.

Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang 15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o.[3]

ω = 15(STD –12) + (ST-STD) x ... (2.10) dimana :

STD = waktu lokal ST = solartime

= sudut jam matahari (o)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi [4] adalah

τb= ao+ a1exp

θ ... (2.11)

dimana

ao = ro(0,4237 - 0,0082 (6–A)2) a1 = r1(0,5055–0,00595 (6.5–A)2) k = rk(0.2711–0.01858 (2.5–A)2) A = ketinggian dari permukaan laut (km) ro,r1,rk = faktor koreksi akibat iklim

Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim [3]

Iklim ro r1 rk

Tropical 0,95 0,98 1,02

Midatude summer 0,97 0,99 1,02

Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01

Midatude Winter 1,03 1,01 1,00

Sumber : Beckman, 2006

Radiasibeamadalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam [4]:

dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith

Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m2)

Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse [4] adalah :

Gdifuse= Goncos θz(0,271– 0,294 τb)... (2.13)

dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith

Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan.

Radiasi total adalah jumlah dari radiasibeamdan radiasidiffuseseperti pada persamaan berikut [4] :

Gtotal= Gbeam+ Gdifuse...(2.14)

Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus [4] :

Q = I AΔ t ... (2.15)

Dimana: Q = Energi Radiasi (J)

I = Intensitas radiasi (W/m2)

Δ t= Selang waktu perhitungan (s) = Efisiensi Kaca (%)

2.2.4. Hipotesis Pengaruh Sudut

Radiasi dalam permukaaan bersudut akan mempengaruhi besarnya intensitas yang diterima dari suatu permukaan. Radiasi yang diterima dalam permukaan yang dimiringkan merupakan gabungan dari radiasi beam, isotropic, diffuse, radiasi yang diterima permukaan datar yang di pengaruhi tingkat reflaktansi pelindung absorber. Dalam Beckman [4], dijelaskan bahwa total energi radiasi yang diterima suatu permukaan yang dimiringkan dapat dijelaskan dengan persamaan:

= + + ( )………..….. (2.16)

Nilai Rbdapat dihitung dengan persamaan berikut:

= ( ) ( )

( ) = ………(2.17)

Dan nilai Intensitas Difuse dan beam dari permukaan miring dapat dihitung menggunakan persamaan berikut [4]:

= 1.0 0.249 Untuk kT< 0

= 1.557 1.84 Untuk 0.35 < kT< 0.75 .………..(2.18)

= 0.177 Untuk kT > 0.75

Nilai KT (Index langit cerah) didapat dengan membandingankan total radiasi surya pada plat datar dengan radiasi yang diserap oleh suatu permukaan sampai waktu tertentu [4].

Dengan dimiringkannya permukaan absorber, akan berpengaruh terhadap durasai penyinaran. Suatu Pemanas Air Tenaga Surya dengan kolektor datar, akan menerima radiasi surya saat matahari terbit dan akan berhenti menerima radiasi surya saat terbenamnya matahari. Namun dengan memberi perlakukan variasi

dimiringkan 300 kearah timur akan memiliki perbedaan dengan PATS yang kolektornya tidak dimiringkan terhadap permukaan datar. Perbedaannya adalah pada rentang waktu penerimaan radiasi dari kolektor dalam PATS.

Kolektor yang dimiringkan 300ke arah timur akan menerima radiasi surya saat matahari terbit sama dengan kolektor yang sejajar bidang datar. Namun radiasi surya yang diterima kolektor dengan kemiringan 300 akan berlangsung dalam rentang waktu yang lebih pendek dibanding kolektor sejajar bidang datar. Hal ini karena pada kolektor bidang datar, saat matahari sesaat akan terbenam, kolektor tersebut masih menerima radiasi surya. Berbeda bila kolektor dimiringkan 300 kearah timur yang membuat saat matahari berada disisi barat namun belum terbenam, kolektor tidak akan lagi menerima radiasi karena telah tertutup sisi luar kolektor itu sendiri. Dengan kata lain, kolektor sejajar horizontal menerima radiasi lebih lama dibanding dengan kolektor yang dimiringkan. Rasio radiasi matahari yang diterima kolektor yang dimiringkan dengan kolektor yang sejajar bidang datar dapat di lihat dalam persamaan berikut [4]:

= = ... (2.19)

2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS

Pemilihan pengaplikasian besar sudut kolektor sangat berpengaruh terhadap performansi PATS. Pemilihan sudut yang salah akan berakibat langsung terhadap kemampuan optimum pemanasan air di tangki penampungan. Kolektor yang terlalu dimiringkan akan berpengaruh terhadap durasi kolektor dalam menerima radiasi matahari. Namun apabila kolektor tidak dimiringkan atau dengan kata lain sejajar bidang datar, walaupun kondisi ini baik terhadap durasi dan kemampuan penyerapan radiasi surya, namun akan kesulitan dalam siklus perputaran fluida kerja di pipa panas dalam menghantarkan panas ke air di dalam tangki. Semakin besar kemiringan kolektor terhadap bidang datar akan mempengaruhi kerja siklus perpindahan panas dalam memanaskan air didalam tangki air.

Menurut Beckman [4] kemiringan terbaik untuk kolektor adalah berkisar antara 300, 450 dan 600. Hal ini dihitung berdasar pengaruh incidence angle

1 1 ………..(2.20)

………..(2.21)

Dimana: = Besar energi radiasi yang diserap kolektor

= panas yang hilang

Nilai koefisien pengubah dimasukkan dalam persamaan 2.21 untuk mendapatkan besar energi radiasi surya yang di serap oleh kolektor.

Berikut grafik koefisien sudut pengubah terhadap dan (1/ 1

Gambar 2.6.Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan bidang datar untuk kolektor dengan pelindung (a) kaca satu lapis, (b) kaca dua lapis dan (c) kaca satu lapis denganhoneycomb.Sumber: Beckman, 2006

2.3. Panas, Panas Laten dan Panas Sensible

Panas berbeda dengan suhu. Panas adalah salah satu bentuk energi. Panas dapat dirubah bentuknya menjadi bentuk energi lain atau sebaliknya energi lain dapat dirubah menjadi energi panas[7]. Menurut konsep thermodinamika heat panas) adalah perpindahan energi dari satu benda ke benda lain karena perbedaan

2.3.1. Pengaruhheat(panas) terhadap wujud benda

Semua benda dalam kondisi yang tepat yaitu pada tekanan dan suhu yang sesuai akan berbentuk padat, cair dan gas. Eksistensi energi pada molekul suatu benda dapat ditunjukan dengan suhu benda tersebut tetapi juga dapat ditunjukan dengan wujud benda tersebut. Dengan kata lain penambahan atau pengurangan panas dapat merubah bentuk benda serta suhu benda tersebut. Sebagai contoh logam akan mencair jika diberi panas yang cukup untuk mencairkannya. Fenomena yang umum kita kenal adalah mencairnya es dan mendidihnya air. Kedua kondisi tersebut adalah salah satu contoh penambahan dan pengenyahan panas terhadap suatu benda.

2.3.2. Jenis panas 2.3.2.1. Panas Sensibel

Panas sensible adalah panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan temperatur, tetapi phasa (wujud) tidak berubah.

2.3.2.2. Panas Laten

Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa (wujud) benda, tetapi temperaturnya tetap.

Panas laten penguapan (latent heat of vaporization) adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat (cair) pada titik didihnya sampai wujudnya berubah menjadi uap seluruhnya pada suhu yang sama. Panas laten pengembunan (latent heat of condensation) adalah jumlah panas yang harus dibuang/dikeluarkan oleh zat (gas/uap) pada titik embunnya, untuk mengubah wujud zat dari gas menjadi cair pada suhu yang sama.

Panas laten pencairan/peleburan (latent heat of fusion) adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat (padat) pada titik leburnya sampai wujudnya berubah menjadi cair semuanya pada suhu yang sama. Panas laten pembekuan (latent heat of solidification) adalah jumlah panas yang harus dibuang/dikeluarkan oleh zat (cair) pada titik bekunya untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat pada suhu yang sama.

2.3.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Panas yang di absorbsi kolektor pada suatu keadaan tertentu akan mengubah phasa dari refrigeran yang dipanaskan. Dengan di vakumnya refrigeran, maka tingkat titik didih akan menurun, dan dengan memafaatkan panas yang ada, refrigeran akan berubah fasa. Hal ini membuat jumlah kalor yang dapat di transfer dari refrigeran ke air dalam tangki reservoir akan semakin besar. Hal ini dapat di lihat pada besaran koefesien latent heat pada kondisi vakum, jumlah energi kalor yang dihasilkan menjadi lebih besar. Kalor ini lah yang akan di transfer ke dalam air di tangki reservoir. Berbeda dengan halnya bila kita menggunakan kolektor biasa, maka kalor yang akan diserap tidak akan sebesar dengan sistem pipa panas.

2.4. Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi thermal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai beredar beberapa merek PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk produk ini, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan. Dalam masalah ini bagaimana membuat PATS dengan efesiensi yang tinggi menjadi persoalan tertentu. Untuk itu dilakukan berbagai tinjauan pustaka agar di dapat efsiensi yang baik. Salah satunya adalah dengan melakuakn pengujian pada penelitian dan penyempurnaan dari alat yang telah ada.

Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan thermal system seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi-rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan. Pemanas Air Tenaga Surya harus mampu mengelola panas yang masuk

pada absorber ke air yang dipanaskan. Gambar 2.7. menunjukkan alat pemanas air tenaga surya yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 2.7. Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)

2.4.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Gambar 2.6.menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya dengan media pemanas refirgeran. Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan.Sehingga energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap dan dikumpulkan untuk ditingkatkan temperaturnya oleh kolektor.Panas tersebut dialirkan terhadap pipa tembaga (1-2) yang berisi refrigeran, kemudian refrigeran akan menjadi panas. Akibatnya referigran berubah wujud dari cair menjadi gas dan massa jenis di titik 2 lebih kecil dari massa jenis di titik 1, sehingga referigran cenderung bergerak dari titik 1 ke titik 2. Referigran di titik 2 akan terdorong menuju titik 3 sambil melepaskan panas ke air yang ada pada tangki air. Pelepasan panas ini membuat referigran berubah wujud dari gas menjadi cair, dan suhunya akan turun. Pergerakan referigran ini meyebabkan terjadinya sirkulasi alamiah yang disebabkan efek

termosipon dimana referegran yang suhunya lebih tinggi massa jenisnya lebih rendah dan cenderung bergerak kesebelah atas. Posisinya akan digantikan referigran lain yang lebih dingin. Alat Pemanas Tenaga Surya ini memanfaatkan panas latent yang merubah fasa dari cair menjadi gas pada tempertaur tertentu lalu gas bersirkulasi didalam pipa panas menuju ke tangki air dan melepas kalor. Akbibat terjadi pelepasan kalor suhu refrigeran menurun yang memicu terjadinya sirkulasi secara alamiah.

2.4.2. Plat Absorber Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pemilihan plat absorber harus dilihat dari sifat material baik itu fisik maupun kimianya. Menurut Eka [16] umumnya bahan yang di pakai menjadi sebuah plat adalah material alumunium, baja tipis, plat besi tipis atau seng. Pemilihan ini harus memperhatikan tingkat emisivitas dari bahan itu sendiri.

Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang diradiasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Ini adalah ukuran dari kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energy yag diserapnya. Benda hitam memiliki emisivitas sama dengan 1 (ε=1) sementara objek sesunggunya mempunyai emisivitas kurang dari satu. Semakin kasar dan hitam suatu benda, akan memiliki nilai emisivitas yang lebih baik, semakin reflektif suatu benda, maka nilai emisivitas benda tersebut akan semakin kecil [19]. Berikut beberapa nilai emisivitas material yang sering digunakan dalam membuat kolektor surya seperti yang tertuang dalam tabel 2.3

Tabel 2.3 Emisivitas Material [19]

Permukaan Material Koefisien Emisivitas(ε)

Aluminium sheet Komersial 0,09

Baja Dipoles 0,07

Zink dipoles 0,045

Hitam Silicone Cat 0,93

2.4.3. Isolator Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Untuk menghindari kebocoran energi panas yang terbuang sia sia ke lingkungan, dalam pemanfaatannya diperlukan suatu isolator untuk menahan panas dalam alat pemanas air tenaga surya. Dalam hal ini Rockwool mempunyai tingkat isolasi yang sangat baik. Berikut di jelaskan beberapa keunggulan rockwool menurut Kamstrup [11]:

a. Tidak tergolong benda berbahaya

b. Mempunyai tingkat insulasi yang sangat baik c. Mampu menahan pemanasan sampai suhu 820oC d. Mempunyai densitas yang besar

e. Tidak Korosif, tidak bersifat karsinogen, mutagenic dan toxic f. Tidak mudah rusak selama pemasangan

g. Memiliki tingkat durabilitas yang baik h. Tingkatheat lossyang rendah ( sekitar 5%)

Dengan sifat insulasi yang baik, dapat dihindari kebocoran panas, sehingga energi panas yang di serap oleh APATS dapat dimanfaatkan sebaik baiknya. Dalam APATS ini di insulasi di daerah sekitar pelat absorber, dinding reservoir air dan seluruh daerah yang memungkinkan terjadinya kehilangan panas.

2.4.4. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya

Untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perlu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber alat pemanas air tenaga surya menurut Soteris [5] dapat di lihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pada Gambar 2.8.dapat dilihat bahwa panas matahari (Q incident) sebagian dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan refrigeran.

Gambar 2.9. Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi terhadap besaran energi yang diterima

Menurut Incropera [9] besaran energi radiasi yang akan diterima alat pemanas air tenaga surya akan di pengaruhi oleh sudut datangnya energi panas matahari seperti gambar 2.9. Energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi akan

Qincident

Qref

Qabs Pelat absorber

air tenaga surya. Jumlah energi radiasi per satuan luas yang diterima kolektor selama proses penelitian di sebut Qincident.

Menurut Mehmet Esent [1], besarnya Qincident dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini:





2

1 Idt A

Q_incident ...(2.16)

Dimana:

A = luas penampang dari pelat absorber (m2) I = intensitas cahaya matahari (W/m2)

Sedangkan panas yang diserap oleh absorber dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

incident abs Q

Q α ...(2.17) Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah:





incident

ref Q

Q  1α ………..………...……….(2.18) Dimana:

α _{= difusitas bahan}

2.4.5. Energi yang Diserap oleh air

Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air. Besarnya energi tersebut menurut Mehmet Esent [1] dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:



Tw2 Tw1



C

m

Qu  w pw  ...(2.19) Dimana:

mw = Massa air (kg)

Cpw = Panas jenis dari air (kJ/kg.oC)

Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (oC) Tw2 = Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (oC)

2.4.6. Efisiensi dari Kolektor

Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu menurut Mehmet Esent [1] dapat dirumuskan sebagai berikut:



w w



incident pw

wC T T Q

m 2  1 /



η ...(2.20) Definisi efisiensi disini adalah kemampuan dari kolektor untuk memanasi air sampai suhu maksimum dalam rentang waktu tercepat. Semakin cepat didapat pemanasan suhu maksimum, maka akan semakin besar pula tingkat efisiensi yang diperoleh dan semakin lama rentang waktu pencapaian suhu maksimum, semakin kecil pula tingkat efisiensi yang didapat oleh kolektor.

2.5. Refrigeran R-718

Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan zat organik lainnya.Pada tekanan atmosfir R-718 (air) mendidih pada suhu 1000C dan membeku pada suhu 0oC Apabila tekanannya dinaikkan maka titik didihnya semakin besar, sebaliknya bila tekanannya diturunkan titik didihnya lebih rendah. Pada tekanan vakum titik didih R-718 dibawah 100oC seperti pada tekanan vakum 45 cmHg (0,4001 bar absolut) R-718 akan mendidih pada suhu 75,800C. Refrigeran R-718 akan berubah menjadi gas jika temperaturnya dinaikkan dari 75,800C pada tekanan vakum 45 cmHg dan akan berubah menjadi cair jika suhunya diturunkan. Berikut akan ditampilkan sifat refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg:

Tabel 2.4. Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,4001 bar absolut)

Properties R-718

Komposisi Hidrogen 11,19%

Komposisi Oksigen 88,81%

Massa jenis 1000 kg/m3

Pada tekanan 1 bar dan 0°C Tidak berasa dan tidak berbau

Jenis warna Tidak berwarna

Titik didih

Titik didih pada 45 cmHg

Specific heat liquid pada 45 cm Hg

Specific heat vapour pada 45 cmHg

Density liquid pada 45 cmHg

Density vapour pada 45 cmHg

Laten Heat pada 45 cmHg

100oC

75,80oC

4,1936 kJ/kg.oC

2,001 kJ/kg.oC

974,32 kg/m3

0,2498 kg/m3

2319,23 kJ/kg

Tabel 2.5. Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut)

Properties R-718

Titik didih

Titik didih pada 40 cmHg

Specific heat liquid pada 40 cm Hg

Specific heat vapour pada 40 cmHg

Density liquid pada 40 cmHg

Density vapour pada 40 cmHg

Laten Heat pada 40 cmHg

100oC

79,54oC

4,196 kJ/kg.oC

2,010 kJ/kg.oC

972,07 kg/m3

0,2885 kg/m3

Tabel 2.6. Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut)

Properties R-718

Titik didih

Titik didih pada 35 cmHg

Specific heat liquid pada 35 cm Hg

Specific heat vapour pada 35 cmHg

Density liquid pada 35 cmHg

Density vapour pada 35 cmHg

Laten Heat pada 35 cmHg

100oC

82,81oC

4,199 kJ/kg.oC

2,020 kJ/kg.oC

969,99 kg/m3

0,2498 kg/m3

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1.Tempat dan Waktu

3.1.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun letak penelitian ini seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 3.1. Tata Letak Lokasi Penelitian 3.1.2. Waktu Pelaksanaan

Penelitian ini dilaksanakan selama 3 bulan, yaitu mulai bulan Februari 2015 sampai Mei 2015.

3.2.Bahan dan Peralatan

3.2.1. Bahan

Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut: 1. Air murni

Air yang akan dipakai dalam penelitian ini adalah air murni dan bersih. Sumber air tersebut diambil dari kran air PAM.

2. Refrigeran R-718

Refrigeran ini digunakan sebagai fluida kerja di dalam pipa sirkulasi. Bahan dasar dari refrigerant R-718 adalah air murni

3.2.2. Peralatan

Peralatan-peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut:

1. Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya

Pada sistem pemanas air tenaga surya ini dapat dibagi atas tiga unit fungsional, yaitu:

- Kolektor surya berfungsi untuk mengumpulkan radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang kemudian diteruskan ke refrigeran yang berada di pipa-pipa kolektor.

- Reservoir air panas digunakan sebagai tempat penyimpan air panas sebelum digunakan.

- Pipa-pipa sirkulasi.

Untuk melakukan penelitian unjuk kerja alat pemanas air tenaga surya dengan tekanan refrigeran yang berbeda pada kondisi kerja yang sama seperti pada radiasi matahari, temperatur udara, kecepatan aliran, dimensi dan jenis bahan kolektor. Tiga pelat absorber dengan pipa panas yang diisi kasus kolektor yang sama.

Setiap pelat absorber berisi dua pipa panas yang diisi dengan fluida kerja. Ketiga absorber tersebut diisi dengan refrigeran yang sama tetapi tekanan yang berbeda. Pipa panas tersebut terbuat dari bahan tembaga dengan diameter 3/4 in dan panjang 1050 mm. Setiap pelat absorber mempunyai ukuran ketebalan 0,8 mm, lebar 200 mm dan panjang 1000 mm dan juga terbuat dari tembaga yang dicat dengan warna hitam (black body). Ketiga plat absorber dan pipa panas yang menyatu berada pada satu rumah kolektor dengan ukuran panjang kolektor 1150 mm dengan lebar 800 mm dan ketebalannya 200 mm. Isolator mempunyai ketebalan 100 mm dari pelat absorber dan 100 mm jarak antara kaca penutup

dengan pipa panas berada pada kedudukan yang sama tetapi setiap pipa tidak saling berhubungan dengan yang lain. Jarak antara pelat penyerap panas yang satu dengan yang lain adalah 50 mm. Jarak antara dua pipa sirkulasi atau pipa panas adalah 100 mm. Pipa sirkulasi dihubungkan langsung dengan pelat penyerap panas dengan solderan.

Tiga tangki air berada dibagian bawah kolektor, dimana tangki yang satu dipisahkan dengan isolator terhadap tangki yang lain.Volume setiap tangki selalu diset 4 liter.

Gambar 3.2.menunjukkan skema pemanas air tenaga surya

Gambar 3.2. Skema Pemanas Air Tenaga Surya

2. Pompa Vakum

Pompa vakum digunakan untuk:

1. Memeriksa apakah ada kebocoran pada pipa sirkulasi

2. Untuk membuat vakum bagian dalam pipa sirkulasi supaya tidak ada udara yang tinggal disana. Gambar 3.3. menunjukkan pompa vacuum yang digunakan dalam penelitian ini.

Plat Absorber

Katub Vakum Katub Pengisian Air

Isolator Tangki Air

Kaca Penutup

Pipa Panas Tembaga

115 100

Gambar 3.3. Pompa Vakum

Spesifikasi:

Merek : ROBINAIR

Model No. : 15601 Kapasitas : 142l/m Motor H.p : ½

Volt : 110-115 V / 220-250 V

3. Manifold Gauge

Manifold Gauge adalah alat yang digunakan untuk pengukur tekanan vacuum pada saat pemvakuman. Adapun spesifikasi alat ini adalah : - Ukuran maksimum : 120 psi

- Pengukuran minimum : 76 cmHg vakum - Ketelitian : 1 psi

4. Agilent34972 A

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

Gambar 3.5Agilient 34972 A

Spesifikasi Alat:

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah saluran termokopel 20 buah c. Tegangan 250 Volt

d. Mempunyai 3 saluran utama e. Ketelitian termokopel 0,030C

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

5. Laptop

Laptop digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang diperoleh dari Hobo Microstation Data Logger dan Agilent 34972 A

Gambar 3.6. Laptop

6. Hobo Microstation Data Logger

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

Spesifikasi Alat :

a. Skala pengoperasian: 20 oC-50 oC dengan baterai alkalin 40 oC-70 o

C dengan baterai lithium

b. Input Processor: 3 buah sensor pintarmulti channel monitoring c. Ukuran: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

d. Berat: 0,36 kg

e. Memori: 512 kilobyte. Penyimpanan datanonvolatile flash f. Interval Pengukuran: 1 detik - 18 jam (tergantung pengguna) g. Akurasi Waktu: 0 detik - 2 detik

Terdapat beberapa alat ukur padaHobo Micro station data loggeryaitu:

Gambar 3.7Hobo Microstation data logger Keterangan :

1. Ambient Measurement Apparatus

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

Tabel 3.1 SpesifikasiMeasurement Apparatus

Rentang pengukuran :-40 °C to 125 °C (-40 °F to 257 °F)

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 1 m/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

3

2

1

Tabel 3.1 SpesifikasiMeasurement Apparatus (lanjutan)

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 :10,1 cm long x 1,75 cm diameter

2. Pyranometer

Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi. Satuan alat ukur ini adalah W/m2.

Tabel 3.2 SpesifikasiPyranometer

Parameter

pengukuran : Intensitas radiasi dengan interval 1 detik

Rentang Pengukuran : 0 sampai 1280 W/m2

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

Akurasi

: ± 10,0 W/m2or ± 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)

Berat : 120 grams (4,0 oz)

3. Wind Velocity Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat ukur ini adalah m/s. Berikut adalah spesifikasiwind velocity sensor.

Tabel 3.3 SpesifikasiWind Velocity Sensor

Parameter pengukuran

-Kecepatan angin rata-rata -Kecepatan angin tertinggi

Data Channels :2 Channel, 1 Port

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

Operasi kerja :Temperatur: -40oC to 75oC (-40oF to 167oF)

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")

4. T and RHSmart Sensor

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

Tabel 3.4 SpesifikasiTdanRH 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

Housing Stainless Steel Sensor Tip

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 (0,28" x 1,50") - (Sensor saja)

3.3.Pelaksanaan Penelitian

Adapun waktu penelitian yang dilakukan adalah selama 3 (Tiga) bulan yaitu bulan Februari 2015 s/d Mei 2015.

Berikut proses penelitiannya:

kolektor alat pemanas air tenaga surya dengan menggunakan refrigeran R-718 pada tekanan vakum:

a. 45 cmHg b. 40 cmHg c. 35 cmHg

2. Mengatur posisi kolektor miring 30oterhadap sumbu X menghadap kearah timur lalu dilakukan eksperimen terhadap unjuk kerja kolektor alat pemanas air tenaga surya dengan menggunakan refrigeran R-718 pada tekanan vakum:

d. 45 cmHg e. 40 cmHg f. 35 cmHg

3.3.1. Pemeriksaan Peralatan

Sebelum menyambung kabel temokopel ke kolektor, periksa alat ukur (agilent) apakah alat ukur tersebut dapat berfungsi dengan atau tidak dengan cara melakukan pengetesan langsung.

3.3.2. Persiapan Pendahuluan

Sebelum melakukan penelitian, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan kebocoran terhadap pipa sirkulasi refrigeran. Kebocoran pada pipa sirkulasi mempengaruhi unjuk kerja kolektor karena refrigeran yang telah di vakum pada tekanan tertentu, nilai kevakumannya akan berkurang. Untuk mencegahnya maka dilakukan langkah berikut:

Sambungkan manifold gauge ke dalam pipa, lalu hubungkan pompa vakum ke pipa sirkulasi melalui selang manifold gauge. Lakukan proses pemakuman sehingga saluran sirkulasi menjadi vakum. Besarnya tekanan vakum dapat dilihat di manifold gauge. Kunci katub pada manifold gauge dan matikan pompa. Perhatikan besarnya tekanan vakum pada manifold gauge. Jika jarum menunjukkan penurunan tingkat kevakuman didalam pipa sirkulasi, maka dapat disimpulkan terjadi kebocoran pada pipa tersebut. Identifikasi kebocoran dengan

bantuan mengoleskan air sabun pada permukaan luar pipa. Bagian permukaan yang menimbulkan buih dan bergelembung adalah bagain yang bocor. Segera lakukan perbaikan pada permukaan yang bocor.

Apabila tidak terdapat kebocoran pada pipa, lakukan pengisian refrigeran dengan cara sebagai berikut:

i. Isi refrigeran pada keseluruhan pipa panas

ii. Lakukan pemakuman pada setiap pipa kolektor, dimana kolektor pertama pada vakum 45, kedua 40 cmHg dan ketiga pada vakum 35 cmHg.

3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran

Setelah refrigeran tersebut diisi, lakukan pemakuman refrigeran pada pipa di kolektor pertama sebesar 45 cmHg, kolektor kedua 40 cmHg dan ketiga 35 cmHg. Hitung besarnya energi yang diserap dari tiap kolektor dan bandingkan tingkatan suhu maksimum dan efisiensi dari masing masing kolektor.

3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor

Setelah tekanan refrigeran diatur pada tiap absorber, lalu posisikan kolektor pada sudut 20o terhadap sumbu X ( Horizontal). Lalu pengujian dapat dilakukan. Setelah pengujian pada sudut 20o terhadap sumbu X selesai, atur kembali posisi sudut kolektor pada sudut 30o terhadap sumbu X (Horizontal) untuk dilakukan pengujian berikutnya.

3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian

Untuk pengambilan data hasil penelitian kita memasang peralatan eksperimen pada tempat yang aman dan mudah di sinari matahari. Semua alat ukur yang diperlukan sepertiStation Data LoggerHOBOMicro Station, Agilenttelah dipasang dengan bagus. Kemudian hasilnya nantinya dapat kita temukan pada masing-masing alat ukur pada setiap peralatan eksperimen dan itulah yang menjadi hasil penelitian. Terdapat 7 kabel temokopel yang digunakan, masing masing di tempatkan pada tangki 1, tangki 2, tangki 3, absorber 1,

absorber 2, absorber 3, dan pemukaan luar kaca. Melalui termokopel ini, data akan diukur agilent dan terekam pada flash disk

3.4. EksperimenSet-UP

Setelah dilakukan pembuatan komponen-komponen pemanas air tenaga surya maka akan terlihat seperti gambar 3.8. Skema PATS ini dengan jelas menggambarkan proses pengambilan data dengan adanya sumber panas dari radiasi matahari.Skema pengambilan data pemanas air tenaga surya dapat di lihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya

3.5. Variabel Penelitian

Variabel-variabel dalam penelitian ini terdiri dari: 3.5.1. Variabel bebas

1. Refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg 2. Refrigeran R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg 3. Refrigeran R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg 4. Sudut kolektor pada 20oterhadap sumbu X (Horizontal) 5. Sudut kolektor pada 30oterhadap sumbu X (Horizontal) 6. Alat Ukur

Plat Absorber Manifold Gauge

Vacuum Pump

Hobo

Laptop

Agilent

Thermocouple Katub Vakum Katub Pengisian Air

3.5.2. Variabel terikat

1. Temperatur air pada tangki 1 2. Temperatur air pada tangki 2 3. Temperatur air pada tangki 3

4. Performansi Pemanas Air Tenaga Surya

3.6.Analisa Data

Dari masing-masing alat ukur pada masing-masing alat eksperimen akan diperoleh data temperatur air panas. Data tersebut dianalisa untuk melihat apakah terdapat pengaruh yang signifikan antara variasi tekanan vakum dan derajat kemiringan kolektor terhadap tinggi rendahnya temperatur air panas yang dihasilkan oleh pemanas air tenaga surya.

3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian

Modifikasi Alat PATS

• Pembuatan lubang sudut 200dan 300

• Memasang rockwool pada PATS

Tahap Pengujian

• Pengisian Refrigeran R-718 ke pipa sirkulasi

• Pemvakuman pada 45, 40 dan 35 cmHg

• Pengisian air ke dalam 3 tangki

• Hubungkan kabel agilen ke kolektor dan uji dengan:

 Posisi kolektor pada sudut 200 sebanyak 3 kali pengujian

 Posisi kolektor pada sudut 300 sebanyak 3 kali pengujian

Data Output

 Temperatur air dan kolektor

 Radiasi Surya

 Kecepatan angin dan Kelembapan

Hasil Tidak

Analisa hasil percobaan

Kesimpulan

Selesai Ya Tahapan Persiapan

• Persiapan Alat dan Bahan

Studi literatur Buku referensi, Jurnal, internet Mulai

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Penelitian

Tabel 4.1 Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap

4.2. Analisa Suhu Kolektor dan Air pada Tangki dari Hasil Penelitian

4.2.1. Penelitian Tahap I

4.2.1.1. Sudut 20oTanggal 18 Maret 2015

Penelitian ini dilaksanakan pada tanggal 18 Maret 2015 di lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin. Adapun hasil penelitian ini dapat di lihat sperti grafik

No _{Tahap Penelitian Sudut Penelitian Tekanan vakum Temperatur Air}

1 Tahap I

20o

45 cmHg 57,49oC

40 cmHg 54,81oC 35 cmHg 53,00oC

30o

45 cmHg 61,41oC 40 cmHg 59,25oC 35 cmHg 57,94oC

2 Tahap II

20o

45 cmHg 50,56oC 40 cmHg 49,08oC 35 cmHg 48,84oC

30o

45 cmHg 59,69oC 40 cmHg 56,47oC 35 cmHg 49,88oC

3 Tahap III

20o

45 cmHg 56,21oC 40 cmHg 55,07oC 35 cmHg 52,91oC

30o

45 cmHg 51,20oC 40 cmHg 50,72oC 35 cmHg 50,34oC

47

di bawah ini:

100 96 92 88 84 80 76 72 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28

T

e

m

p

e

ra

tu

r(

°C

)

08:45 18/03/2015

10:00 11:15 12:30 13:45 15:00

Waktu (WIB)

Tangki_1 (45 cmHg) Tangki_2 (40 cmHg) Tangki_3 (35 cmHg) Absorber_1 Absorber_2 Absorber_3 Pengujian 20 Derajat

Gambar 4.1. Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air pada Vakum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20o Gambar di atas menunjukkan hubungan temperatur pelat absorber, temperatur air yang menggunakan refrigeran R-718 pada vakum 45 cmHg (Tangki 1), vakum 40 cmHg (Tangki 2) dan vakum 35 cmHg (Tangki 3) terhadap waktu. Dari grafik itu ditunjukkan bahwa tangki 1 memiliki suhu maksimum tertinggi, yaitu 57,49oC, diikuti dengan tangki 2 dan tangki 3 masing masing memiliki suhu maksimum 54,81 oC dan 53,0 oC. Hal ini sesuai dengan besaran panas maksimum yang terdapat di absorber 1, 2 dan 3 yang memiliki suhu maksimum masing masing bernilai 101,74oC 99,28oC dan 98,39oC

4.2.1.2. Sudut 30oTanggal 17 Maret 2015

Penelitian ini dilaksanakan pada tanggal 17 Maret 2015 di lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin. Adapun hasil penelitian ini dapat kita lihat sperti grafik di bawah ini:

xliii Lampiran 15. Tabel Uji Regresi Kemiringan 200Kolektor 3

SUMMARY OUTPUT KOLEKTOR 3 Regression Statistics Multiple R 0.917607325 R Square 0.842003203 Adjusted R

Square 0.818303683

Standard Error 0.011281002

Observations 24

ANOVA

df SS MS F

Significance F Regression 3 0.013564 0.004521 35.52828 3.32E-08

Residual 20 0.002545 0.000127

Total 23 0.016109

Coefficients

Standard

Error t Stat P-value Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0% Intercept 0.499540957 0.06557 7.618446 2.46E-07 0.362764 0.636317 0.362764 0.636317 Temp, °C -0.00476786 0.001251 -3.81263 0.00109 -0.00738 -0.00216 -0.00738 -0.00216 RH, % -0.00326550 0.000697 -4.68574 0.000142 -0.00472 -0.00181 -0.00472 -0.00181 Solar Radiation,

W/m² 8.87124E-05 2.51E-05 3.536601 0.002072 3.64E-05 0.000141 3.64E-05 0.000141

xliv Lampiran 16. Tabel Uji Regresi Kemiringan 300Kolektor 1

SUMMARY OUTPUT EFISIENSI KOLEKTOR 1

Regression Statistics Multiple R 0.926745 R Square 0.858856 Adjusted R

Square 0.849847

Standard Error 0.040419

Observations 51

ANOVA

df SS MS F

Significance F

Regression 3 0.46722 0.15574 95.33103 5.37E-20

Residual 47 0.076783 0.001634

Total 50 0.544003

Coefficients

Standard

Error t Stat P-value Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0% Intercept -0.11379 0.134671 -0.84498 0.402401 -0.38472 0.157128 -0.38472 0.157128 Temp, °C 0.014163 0.00566 2.502455 0.01587 0.002777 0.025549 0.002777 0.025549 RH, % -0.00144 0.001789 -0.805 0.424872 -0.00504 0.002159 -0.00504 0.002159 Solar Radiation,

W/m² 0.000101 0.000159 0.638243 0.526413 -0.00022 0.000421 -0.00022 0.000421

xlv Lampiran 17. Tabel Uji Regresi Kemiringan 300Kolektor 2

SUMMARY OUTPUT KOLEKTOR 2

Regression Statistics Multiple R 0.918329

R Square 0.843329

Adjusted R

Square 0.833329

Standard Error 0.043119

Observations 51

ANOVA

df SS MS F

Significance F Regression 3 0.470365 0.156788 84.33051 6.19E-19

Residual 47 0.087383 0.001859

Total 50 0.557748

Coefficients

Standard

Error t Stat P-value Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0% Intercept -0.18941 0.143667 -1.31842 0.193754 -0.47843 0.099608 -0.47843 0.099608 Temp, °C 0.016727 0.006038 2.770397 0.007993 0.004581 0.028874 0.004581 0.028874 RH, % -0.00132 0.001908 -0.69171 0.492523 -0.00516 0.002519 -0.00516 0.002519 Solar Radiation,

W/m² 6.55E-05 0.00017 0.386531 0.700848 -0.00028 0.000407 -0.00028 0.000407

xlvi Lampiran 18. Tabel Uji Regresi Kemiringan 300Kolektor 3

SUMMARY OUTPUT KOLEKTOR 1

Regression Statistics Multiple R 0.926745 R Square 0.858856 Adjusted R

Square 0.849847

Standard Error 0.040419

Observations 51

ANOVA

df SS MS F

Significance F

Regression 3 0.46722 0.15574 95.33103 5.37E-20

Residual 47 0.076783 0.001634

Total 50 0.544003

Coefficients

Standard

Error t Stat P-value Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0% Intercept -0.11379 0.134671 -0.84498 0.402401 -0.38472 0.157128 -0.38472 0.157128 Temp, °C 0.014163 0.00566 2.502455 0.01587 0.002777 0.025549 0.002777 0.025549 RH, % -0.00144 0.001789 -0.805 0.424872 -0.00504 0.002159 -0.00504 0.002159 Solar Radiation,

W/m² 0.000101 0.000159 0.638243 0.526413 -0.00022 0.000421 -0.00022 0.000421

xlvii Lampiran 19. Tabel Uji Korelasi Kemiringan 200

Eff 1 Eff 2 Eff 3 Temp, °C RH, %

Solar Radiation,

W/m²

Eff 1 1

Eff 2 0.936897 1

Eff 3 0.92382 0.745791 1

Temp, °C 0.499645 0.41822 0.546644 1

RH, % -0.73759 -0.5772 -0.83792 -0.79812 1

Solar Radiation,

W/m² 0.82315 0.785467 0.787757 0.843358

-0.83667 1

xlviii Lampiran 20. Tabel Uji Korelasi Kemiringan 300

Eff 1 Efff 2 Eff 3 Temp, °C RH, %

Solar Radiation,

W/m²

Eff 1 1

Efff 2 0.986656 1

Eff 3 0.9607 0.968476468 1

Temp, °C 0.912136 0.909184723 0.90885498 1

RH, % -0.84694 -0.82624104 -0.8152016 -0.83083 1

Solar Radiation,

W/m² 0.915131 0.901267957 0.88890606 0.948422

-0.9438433 1