45
11:00 840.6
15:45 288.1
11:15 851.9
16:00 211.9
11:30 809.4
16:15 404.4
11:45 374.4
16:30 305.6
12:00 255.6
16:45 280.6
12:15
584.4
17:00
250.6
12:30 773.1
Untuk data selengkapnya dapat dilihat pada lampiran
Grafik 4.2 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014
Radiasi rata-rata intensitas radiasi matahari pada tanggal 10 April 2014 dari pukul 08.00 WIB
– 17.00 WIB adalah 468,2892 Wm
2
. Untuk data selengkapnya dapat dilihat pada lampiran
4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya
Perhitungan panas dan efisiensi pada kolektor surya dilakukan setiap 30 menit. Untuk perhitungan pada laporan ini digunakan data pengujian pada hari
pertama pengujian, yaitu pada tanggal 25 Maret 2104 saat intensitas radiasi matahari maksimum rata-rata yaitu pukul 12.07 WIB-12.37 WIB. Temperatur
permukaan plat, permukaan kayu, permukaan kaca dan temperatur dalam kolektor diperoleh dari data Agilent rata-rata, sedangkan temperatur lingkungan dan
intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo rata-rata.
Universitas Sumatera Utara
46
Berikut data suhu dan Intensitas Radiasi Matahari maksimum pada tanggal 25 Maret 2014 pukul 12.07-12.37 WIB.
Tabel 4.4 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari Maksimum 25 Maret 2014
Waktu Suhu
C Intensitas Matahari
Wm
2
Plat Ruang
Kolektor Kaca
Kayu Lingkungan
12.
07
– 12.
37
94.40 81.53
63.06 39.49
34.06 764.91
4.2.2.1.Menghitung Kecepatan Profil v Kolektor
Perhitungan kecepatan profil v di dalam kolektor pada plat absorber digunakan untuk menentukan nilai koefisien udara yang dipengaruhi kecepatan
angin h
w
pada rumus perhitungan kehilangan panas pada kacacover Q
3
. Temperatur Lingkungan T
r
vs Temperatur Plat T
s
Temperatur Lingkungan T
r
= 34,06 C = 307,06 K
Temperatur Plat Absorber T
p
= 94,40 C = 367,40 K
Temperatur Film T
f
= 64,23 C = 337,23 K
Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 337,23 K
T
f
K ρ
kgm
3
Cp Jkg.K
μ x 10
-5
N.sm
2
k x 10
-2
Wm.K α x 10
-5
m
2
s Pr
337,23 1.037399
1007.196 1.480069
2.916743 2.791504
0.6991741
Menghitung bilangan Grashoff Gr
L
Gr
L
=
� . . �.� � − � �
�
ρ = massa jenis udara = 1,037399 kgm
3
g = gravitasi = 9,81 ms
2
= kemiringan kolektor = 45
β = koefisien udara =
1
= 0,00326K L = panjang kolektor
= 2 m μ = viskositas udara
= 1,480069 Nsm
2
maka:
Universitas Sumatera Utara
47 Gr
L
=
1,045145 kg
m
3 2
x 9,81 m s
2
x cos 45 x 0,00325 K x
367,76 K– 307,48 K x 2 m
3
1.480069 N.s m
2 2
Gr
L
= 5,36 x 10
10
Menghitung tebal lapisan batas
δ = 3,939y
, +
,
Gr
L -0,25
maka: = 3,939 x 2 m x
0,952 + 0,6991741 0,6991741
2
0,25
x 5,36 x 10
10 -0,25
= 0,0222 m
Menghitung kecepatan profil dalam Kolektor v
- Kecepatan karakteristik v
cy
v
cy
=
+ �.�. .
�� −� �
v
cy
=
0,6991741 320 21
+ 0,6991741 1,037399
kg m 3
x 0,00326 K
x 9,81 m s x cos 450x367 ,40 K
−307,06 K 1.480069 Ns
m 2
0,0226 m
2
v
cy
= 6,63 ms
- Persamaan profil kecepatan kolektor
= v
cy
−
misal: A =
=
6,63 0,0222
= 298,65s dan B =
1
=
1 0,0222
= 45,045m sehingga persamaan profil kecepatan menjadi:
= Ax 1
−
2
= 298,65x . 1
– 45,045
2
Menghitung laju aliran massa kolektor
= d v
cx
dx = dρ 1 −
2
dx
Universitas Sumatera Utara
48
d = lebar kolektor = 1,7613 m = dρ 1 − 2
+
2 2
= dρ
− 2
2
+
2 3
= dρ 298,65 − 26905,4
2
+ 605976,4
3
= dρ 149,325
2
− 8968,47
3
+ 151494,1
4
maka: = 1,7613 m x 1,037399 kgm
3
x
149,325x
2
− 8968,47x
3
+ 151494,1x
4 δ
= 0,0224 kgs
Menghitung kecepatan profil kolektor
= ρ.v.A = ρ.v.d.δ atau v =
�. .
maka: v =
0.0224 kg s 1,037399
kg m 3
.1,7613 .0,0222
= 0,55 ms
4.2.2.2.Menghitung Temperatur Masuk Lemari Pengering
Temperatur profil:
T = Tr + Ts – Tr −
T = 34,06 C + 94,40
C – 34,06
C 1 −
2
maka temperatur rata-ratanya adalah: =
34,06 + 60,34 1 −
2
1 −
2
nilai: = 82,268
C = −
= 12 maka persamaan temperaturnya adalah sebagai berikut:
T = d ρ 34,06 + 60,34y
2
A1-yB.y
2
-1Bdy = d
ρ 34,06 + 60,34AB-B1-yy
2
dy = C34,06 + 60,341-yy
2
dy = C.34,06 + 60,34y
2
y
2
-y
3
dy = C.34,06 + 60,34y
2
y
2
-y
3
dy = C.34,06y
2
– 34,06y
3
+ 60,34y
4
– 60,34y
5
dy
Universitas Sumatera Utara
49
= 34,06
2
− 34,06
3
+ 60,34
4
− 60,34
5
=
34,06 3
3
−
34,06 4
4
+
60,34 5
5
−
60,34 6
6
+ Sehingga temperatur yang masuk ke lemari pengering adalah:
= 12
34,06 3
−
34,06 4
+
60,34 5
−
60,34 6
= 58,196 C
4.2.2.3.Menghitung Koefisien Konveksi
a. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar h
1
Koefisien konveksi permukaan luar adalah koefisien konveksi antara udara lingkungan terhadap permukaan kayu, h
1
koefisien konveksi natural Temperatur Lingkungan T
r
vs Temperatur Permukaan Kayu T
s
Temperatur Lingkungan T
r
= 34,06 C = 307,06 K
Temperatur Kayu T
k
= 39,49 C = 312,49 K
Temperatur Film T
f
= 36,775 C = 309,775 K
Tabel 4.6 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 309,775 K
T
f
K ρ
kgm
3
Cp Jkg.K
μ x 10
-5
N.sm
2
k x 10
-2
Wm.K α x 10
-5
m
2
s Pr
309,775 1.125151
1005.367 1.351632
2.704435 2.390787
0.7048141
Menghitung bilangan Grashoff Gr
L
Gr
L
=
� � � � − � �
�
ρ = massa jenis udara = 1.125151 kgm
3
g = gravitasi = 9,81 ms
2
= kemiringan kolektor = 45
β = koefisien udara =
1
= 0,00326K L = panjang kolektor
= 2 m μ = viskositas udara
= 1.351632 Nsm
2
maka:
Universitas Sumatera Utara
50
Gr
L
=
1,125151
3 2
9,81
2
cos 45 0,00326 K
312,49 – 307,06 2
3
1,351632 �.
2 2
Gr
L
= 6,80 x 10
9
Menghitung bilangan Rayleigh Ra
L
Ra
L
= Gr
L
x Pr
Ra
L
= Bilangan Rayleigh Gr
L
= Bilangan Grashoff Pr = Bilangan Prandt
maka: Ra
L
= 6,80 x 10
9
x 0,7048141 = 4,79 x 10
9
Menghitung bilangan Nusselt Nu
x
Nu
x
= 0,59Ra
L 0,25
untuk 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
Nu
x
= 0,1Ra
L 13
untuk 10
9
≤ Ra
L
≤ 10
13
Nu
x
= bilangan Nusselt Ra
L
= bilangan Rayleigh karena Ra
L
diantara 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
, maka besarnya bilangan Nusselt adalah
Nu
x
= 0,59Ra
L 0,25
= 0,59 x 4,79 x 10
9 0,25
= 155,248
Menghitung koefisien konveksi h
1
Nu
x
=
.
atau h
1
=
� .
Nu
x
= bilangan Nusselt l = lebar penampang kayu
= 0,17 m k = konduktivitas termal udara = 2,704435 x 10
-2
WmK maka:
h
1
=
157 .195 x 2.704435 x10
−2
W mk 0,17
= 24,69739 Wm
2
K
Universitas Sumatera Utara
51
b. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Dalam h
2
Koefisien konveksi permukaan dalam adalah koefisien konveksi antara udara dalam kolektor terhadap permukaan plat absorber.
Temperatur udara dalam kolektor T
u
vs temperatur permukaan plat T
p
Temperatur Udara Kolektor T
u
= 81,53 C = 354,53 K
Temperatur Plat Absorber T
p
= 94,40 C = 367,40 K
Temperatur Film T
f
= 87,965 C = 360,965 K
Tabel 4.7 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 360,965 K
T
f
K ρ
kgm
3
Cp Jkg.K
μ x 10
-5
N.sm
2
k x 10
-2
Wm.K α x 10
-5
m
2
s Pr
360,965 0.9717736
1009.397 1.587296
3.09626 3.156534
0.6950758
Menghitung bilangan Grashoff Gr
L
Gr
L
=
� � � � − � �
�
ρ = massa jenis udara = 0,9717736 kgm
3
g = gravitasi = 9,81 ms
2
= kemiringan kolektor = 45
β = koefisien udara =
1
= 0,00282K L = panjang kolektor
= 2 m μ = viskositas udara
= 1,587296 Nsm
2
maka: Gr
L
=
0,9717736
3 2
9,81
2
cos 45 0,00282 K
367,40 – 354,53 2
3
1,587296 �.
2 2
Gr
L
= 7,55 x 10
9
Menghitung bilangan Rayleigh Ra
L
Ra
L
= Gr
L
x Pr
Ra
L
= Bilangan Rayleigh Gr
L
= Bilangan Grashoff Pr = Bilangan Prandtl
Universitas Sumatera Utara
52
maka: Ra
L
= 7,55 x 10
9
x 0,6950758 = 5,25 x 10
9
Menghitung bilangan Nusselt Nu
x
Nu
x
= 0,59Ra
L 0,25
untuk 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
Nu
x
= 0,1Ra
L 13
untuk 10
9
≤ Ra
L
≤ 10
13
Nu
x
= bilangan Nusselt Ra
L
= bilangan Rayleigh karena Ra
L
diantara 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
maka besarnya bilangan Nusselt adalah:
Nu
x
= 0,59Ra
L 0,25
= 0,59 x 5,25 x 10
9 0,25
= 158,815
Menghitung koefisien konveksi h
2
Nu
x
=
.
atau h
2
=
� .
Nu
x
= bilangan Nusselt l = lebar penampang plat
= 0,05 m k = konduktivitas termal udara = 3.09626 x 10
-2
WmK maka:
h
2
=
158 ,815 x 3.09626 x 10
−2
W mK 0,05
= 98,3466 Wm
2
K
4.2.2.4.Menghitung Kehilangan Panas
1. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Dinding Q
1
Q
1
= U
d
.AT
u
-T
r
=
� − �
�
+
�
+
�
+
�
+
�
+
�
U
d
= koefisien pindahan panas menyeluruh pada dinding h
1
= koefisien konveksi permukaan luar Wm
2
.K h
2
= koefisien konveksi permukaan dalam Wm
2
.K T
u
= temperatur udara dalam kolektor K T
r
= temperatur lingkungan K
Universitas Sumatera Utara
53
t
1
= tebal kayu m t
2
= tebal sterofoam m t
3
= tebal rockwoll m t
4
= tebal plat absorber m k
ky
= konduktivitas termal kayu Wm.K k
st
= konduktivitas termal sterofoam Wm.K k
rw
= konduktivitas termal rockwoll Wm.K k
p
= konduktivitas termal plat absorber Wm.K A
1
= luas penampang kayu pada sisi dinding m
2
A
2
= luas penampang sterofoam pada sisi dinding m
2
A
3
= luas penampang rockwoll pada sisi dinding m
2
A
4
= luas penampang plat absorber pada sisi dinding m
2
Gambar 4.7 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor
1
1 1
=
1 24,69739 W
m
2
K x 0,3387
2
= 0,119545 KW
1 1
=
0,007 0,14 W mK
x 0,3387 m
2
= 0,147623 KW
2 2
=
0,05 0,036
0,3207
2
= 4,330804 KW
3 3
=
0,06 0,042
0,2207
2
= 6,472911 KW
4 4
=
0,0003 237
0,1007
2
= 0,00001257 KW
1
2 4
=
1 98,3466 W
m
2
K x 0,1007
2
= 0,010097 KW maka:
T
u
T
r
Universitas Sumatera Utara
54
Q
1
=
354 ,53 K − 307,06 K
0,119545 + 0,147623
+ 4,330804 + 6,472911
+ 0,00001257 + 0,010097
= 4,25 Watt karena bagian dinding kolektor terdiri atas 2 sisi, maka total kehilangan panas
dinding adalah Q
1
x 2 = 4,25 Watt x 2 = 8,5 Watt
2. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas Q
2
Pada perhitungan kehilangan panas pada sisi alas diasumsikan sama dengan perhitungan kehilangan panas pada dinding sehingga parameter-parameter
yang digunakan dalam perhitungan pada sisi alas ini sama dengan pada perhitungan dinding. Maka kehilangan panas pada sisi alas adalah:
Q
2
= U
b
.AT
u
-T
r
=
� − �
�
+
�
+
�
+
�
+
�
+
�
U
b
= koefisien pindahan panas menyeluruh pada sisi bawah alas h
1
= koefisien konveksi permukaan luar Wm
2
.K h
2
= koefisien konveksi permukaan dalam Wm
2
.K T
u
= temperatur udara dalam kolektor K T
r
= temperatur lingkungan K t
8
= tebal kayu m t
7
= tebal sterofoam m t
6
= tebal rockwoll m t
5
= tebal plat absorber m k
ky
= konduktivitas termal kayu Wm.K k
st
= konduktivitas termal sterofoam Wm.K k
rw
= konduktivitas termal rockwoll Wm.K k
p
= konduktivitas termal plat absorber Wm.K A
8
= luas penampang kayu pada sisi alas m
2
A
7
= luas penampang sterofoam pada sisi alas m
2
A
6
= luas penampang rockwoll pada sisi alas m
2
A
5
= luas penampang plat absorber pada sisi alas m
2
Universitas Sumatera Utara
55
1
1 8
=
1 24,69739 W
m
2
K x 4
2
= 0,010122 KW
8 8
=
0,007 0,14 W mK
x 4 m
2
= 0,0125 KW
7 7
=
0,05 0,036
3,772
2
= 0,36821 KW
6 6
=
0,06 0,042
3,524
2
= 0,4053835 KW
5 5
=
0,0003 237
3,5226
2
= 3,59343 x 10
-7
KW
1
2 5
=
1 98,3466 W
m
2
K x 3,5226
2
= 0,0023743 KW maka:
Q
2
=
354 ,53 K − 307,06 K
0,010122 + 0,0125
+ 0,36821 + 0,4053835 + 3,59343 x 10
−7
+0,0023743
= 59,435 Watt
3. Menghitung Kehilangan Panas pada KacaCover Q
3
Q
3
= U
a
.AT
u
-T
r
U
a
=
�
+ �+
+
1 −1
+
+
2
+
2
+0,00591 �
−1
+
2 �+ −1+0,1333
− �
U
a
= koefisien pindahan panas menyeluruh pada kaca cover N = jumlah kacacover
= 1 lembar β = sudut kemiringan kolektor
= 45 = konstanta Stefan-Boltzman
= 5,67 x 10
-8
Wm.K
4
C = 5201 – 0,0000η1.β
2
untuk 0 ≤ β ≤ 70
= 466,297 e = 0,43 1
– 100T
u
= 0,30756613
k
= emisivitas kaca = 0,88
p
= emisivitas plat = 0,97
h
w
= koefisien perpindahan kalor konveksi = 2,8 + 3w = 4,36 Wm
2
. C
f = 1 + 0,089h
w
– 0,1166h
w
.
p
1 + 0,07866N = 0,587393077
A = luas permukaan kaca = 3,5226 m
2
T
u
= temperatur udara dalam kolektor C
T
r
= temperatur lingkungan C
Universitas Sumatera Utara
56
a =
1
466 ,297 81 ,53o C
81,53C − 34,060C 1+ 0,587393077
0,30756613
+
1 4,36
2 0
−1
= 3,503
b =
5,67 10
−8
81,53
o
C + 34,06
o
C 81,53
o
C
2
+ 34,06
o
C
2
0,97+0,00591 14,36
−1
+
21+0,587393077 −1+0,1333 0,97
0,88
− 1
= 0,0259 Ua = a + b = 3,53 Wm
2
. C
maka: Q
3
= 3,53 Wm
2
. C x 3,5226 m
2
x 81,53 C
– 34,06 C
= 590,3 Watt
4. Menghitung Kehilangan Panas Radiasi Q
4
Q
4
=
�.�� − � + − + + −
T
p
= temperatur plat K T
k
= temperatur kaca K
k
= emisivitas kaca = 0,88
p
= emisivitas plat = 0,97 = konstanta Stefan-Boltzman = 5,67 x 10
-8
Wm.C
4
A = luas permukaan dalam kolektor = 3,5226 m
2
maka: Q
4
=
3,5226
2
.5,67 10
−8 4
94,40 C
4
− 63,06 C
4 1
0,97
+
1 0,88
− 1 +
1 0,88
+
1 0,88
− 1
= 5,2065 Watt
Dari hasil perhitungan kehilangan panas yang telah dilakukan, maka diperoleh total kehilangan panas pada kolektor adalah:
Q
loss
= Q
dinding
+ Q
alas
+ Q
atas
+ Q
radiasi
= Q
1
+ Q
2
+ Q
3
+ Q
4
= 8,5 + 59,435 + 590,3 5,2065 Watt Q
loss
= 663,22 Watt
Universitas Sumatera Utara
57
4.2.2.5.Menghitung Panas Masuk Q
in
pada Kolektor Q
in
= I.A.τ.α
Q
in
= panas masuk pada kolektor Watt I
= Intensitas radiasi matahariHobo = 764,91 Wm
2
A = luas permukaan kolektor m
2
= 3,5226 m
2
τ = transmisivitas kaca = 0,85
α = absorbsivitas plat = 0,97 Nilai abso
rbsivitas α plat yang dicat hitam diasumsikan 0,97
maka panas masuk Q
in
yang diserap kolektor adalah: Q
in
= 764,91 Wm
2
x 3,5226 m
2
x 0,85 x 0,97 = 2221,60 Watt
4.2.2.6.Menghitung Panas yang Digunakan Q
u
pada Kolektor
Q
u
= F`. Q
in
- Q
loss
Q
u
= panas yang digunakan Watt F`
= faktor efisiensi kolektor diasumsikan = 90 Q
in
= panas yang masuk pada kolektor Q
loss
= panas yang hilang pada kolektor maka:
Q
u
= 90. 2221,60 Watt – 663,22 Watt
= 1402,55 Watt
4.2.3. Menghitung Efisiensi Kolektor
Kategori