Landasan Teori 1. Energi Matahari
sudut matahari 32’ seperti pada Gambar 2.1. Radiasi yang diemisikan matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir
konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luas permukaan yang tegak lurus dengan
arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. Pancaran radiasi permukaan matahari Es adalah sama dengan hasil perkalian
konstanta Stevan-Boltzmann σ
sb
, temperatur absolut pangkat empat T
s 4
, dan luas permukaan π d
s 2
. =
2.1 dimana σ = 5,67 × 10
-8
Wm
2
.K
4
, temperatur permukaan T
s
dalam K, dan diameter matahari d
s
dalam meter. Garis tengah matahari diameter matahari 1.39 × 10
9
m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata matahari dengan bumi 1.5 × 10
11
m maka besar radiasi rata-rata persatuan luas dalam arah tegak lurus di luar atmosfir bumi adalah 1367 Wm
2
Jansen, 1995. Harga sebesar ini disebut konstanta matahari.
Gambar 2.1 Hubungan antara matahari dan bumi Duffie dan Beckman, 2013 Intensitas radiasi ini tidak dapat mencapai ke permukaan bumi secara
keseluruhan karena atmosfer bumi mengurangi intensitas radiasi yang melewatinya melalui pemantulan, penyerapan oleh ozon, uap air, oksigen, dan
karbon dioksida, serta penyebaran disebabkan oleh molekul udara, partikel debu atau polusi. Pancaran yang baik terbaik terjadi pada siang hari dengan intensitas
di permukaan bumi sebesar 1000 Wm
2
. b. Radiasi Matahari pada Permukaan Bumi
Radiasi matahari yang dapat diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008:
1.
Radiasi langsung direct radiation atau beam radiation Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima permukaan bumi dari
matahari dalam suatu garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinar matahari sejajar satu sama lain. Oleh karena itu radiasi langsung dapat
meciptakan bayangan dan dapat dikonsentrasikan oleh cermin.
2.
Radiasi tersebar diffuse radiation Radiasi menyebar merupakan cahaya yang tersebar oleh atmosfer udara,
awan, aerosol. Difusi adalah fenomena menyebarnya cahaya matahari menuju ke segala arah. Sinar matahari disebarkan oleh molekul udara, butiran
uap air awan, dan debu. Tingkat penyebaran sinar matahari bergantung pada kondisi cuaca. Pada cuaca berawan radiasi menyebar dideskripsikan sebagai
isotropik yaitu radiasi yang identik diterima dari segala arah.
3.
Radiasi pantulan albedo Albedo adalah bagian radiasi matahari yang dipantulkan oleh bumi dan
tergantung oleh keadaan lingkungan sekitar. Contohnya saat salju, radiasi dapat dipantulkan dengan jumlah yang besar, sedangkan aspal nyaris tidak
dapat memantulkan radiasi. Radiasi total yang diterima permukaan bumi dapat di tunjukkan seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Bentuk-bentu Sonnenenergie, 2008
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan
memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari
tersebut ketinggian matahari, baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi langsung dan baur.
Beberapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada atmosfer bumi antara lain se
1. Pengurangan intensitas karena refleksi pemantulan oleh atmosfer bumi. 2. Pengurangan intensitas ole
3. Pengurangan intensitas oleh karena 4. Pengurangan intensitas oleh karena
Radiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Ti
sehingga memiliki reflektivitas
Refleksi adalah pemantulan sebagian radiasi yang bergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler ditandai dengan
bentuk radiasi matahari ke bumi Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan
memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari
tersebut ketinggian matahari, baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi langsung dan baur.
berapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada atmosfer bumi antara lain sebagai berikut Quaschning, 2005.
Pengurangan intensitas karena refleksi pemantulan oleh atmosfer bumi. Pengurangan intensitas oleh karena penyerapan zat-zat di dalam atmosfer.
Pengurangan intensitas oleh karena Rayleigh scattering. Pengurangan intensitas oleh karena Mie scattering
adiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Tiga proses ini akan berdampak pada mat
reflektivitas ρ, adsorpsivitas ά, dan transmisivitas
Refleksi adalah pemantulan sebagian radiasi yang bergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler ditandai dengan
Deutsche Gesellschaft für
Cahaya matahari di permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi yang langsung datang dari arah matahari dan
memberikan bayangan kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur tersebar di atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari
tersebut ketinggian matahari, baik daya pancar maupun perbandingan antara
berapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada
Pengurangan intensitas karena refleksi pemantulan oleh atmosfer bumi. zat di dalam atmosfer.
adiasi yang jatuh pada permukaan material, umumnya akan mengalami ga proses ini akan berdampak pada material,
transmisivitas τ. Refleksi adalah pemantulan sebagian radiasi yang bergantung pada harga
indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler ditandai dengan
pantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul, sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan ke segala arah.
Absorbsivitas adalah besarnya nilai radiasi yang dapat diserap, contohnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Proses absorbsi,
refleksi, dan transmisi adalah hal yang penting dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena ini menyangkut efektifitas pemanfaatan pada sebuah pengumpul
radiasi surya.
Transmisi memberikan nilai besar radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan absorbsivitas suatu permukaan
merupakan hal penting dalam pemanfaatan radiasi seperti pada pemanfaatan radiasi sinar matahari. Harga absorbsivitas berbeda-beda untuk setiap sudut
radiasi yang datang. Menurut British Building Research untuk sudut datang dibawah 75°, harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas
yang dimiliki oleh suatu benda Quaschning, 2005.
2.2.2. Sistem PATS Pemanas air tenaga surya PATS merupakan produk teknologi yang
memanfaatkan energi termal surya. Sistem ini layak untuk menggantikan listrik dan bahan bakar fosil yang digunakan untuk memanaskan air. PATS dapat
diklasifikasi menjadi dua sistem yaitu sistem aktif dan sistem pasif seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Sistem pemanas air tenaga surya Jamar, 2016
a. Sistem Aktif Pemanas air tenaga surya PATS sistem aktif adalah pemanas air dengan
memanfaatkan energi matahari sebagai pemanas. Pendistribusian air membutuhkan energi listrik untuk menggerakan pompa dan perangkat pengontrol
otomatis. Sistem ini juga dikenal sebagai sistem sirkulasi paksa. PATS sistem aktif digolongkan menjadi sistem aktif-langsung directopen loop dan aktif-tak
langsung indirectclose loop Gambar2.4. PATS sistem aktif-langsung didefinisikan sebagai sistem pemanas air dimana kolektor memindahkan panas
secara langsung ke tangki air panas tanpa perantara alat penukar kalor. PATS sistem aktif-tak langsung didefinisikan sebagai sistem pemanas air dimana
perpindahan panas fluida tidak bercampur dengan fluida kerja yang di dalam tangki.
Gambar 2.4 PATS sistem a aktif-langsung dan b aktif-tidak langsung Dwivedi, 2009
b. Sistem Pasif Pemanas air tenaga surya PATS sistem pasif adalah pemanas air dengan
memanfaatkan sinar matahari sebagai energi untuk memanaskan air Gambar 2.5. Pendistribusian air tidak membutuhkan energi listrik. Aliran air PATS yang
terjadi secara konveksi alamiah dari kolektor ke tangki air panas maupun sebaliknya disebut thermodyphon. Ketika temperatur air di bagian atas kolektor
tinggi, densitas pada air rendah. Sedangkan air pada bagian bawah kolektor dan di dalam tangki densitasnya relatif lebih tinggi, sehingga mengakibatkan air dari
kolektor bergerak menuju tangki dan air dingin pada tangki mengalir ke kolektor. Hal ini akan terus berlanjut hingga temperatur di kolektor dan tangki sama.
Gambar 2.5 PATS sistem thermosyphon Dwivedi, 2009
Kualitas PATS bergantung pada kemampuan fisik dan termal sistem seperti kemampuan menyerap panas, menyimpan panas, komponen kolektor thermal
surya, komponen tangki air, rendahnya rugi – rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan Manurung, 2015.
Komponen utama yang menunjang kinerja sistem PATS adalah sebagai berikut.
1. Kolektor matahari Merupakan komponen utama dari pemanas air tenaga surya. Kolektor
matahari menyerap radiasi dan mengubahnya menjadi panas. Kemudian panas yang dihasilkan ditransfer ke air yang ada di kolektor. Terdapat
beberapa jenis kolektor penyerap panas yaitu Flat Plate Solar Collector System kolektor flat dan Evacuated Tube Solar Collector System
kolektor tabung vacuum Gambar 2.6.
a
b Gambar 2.6
a Flat plate collector FPC, b Evacuated tube solar collector ETC Jamar, 2016
2. Tangki penyimpanan Merupakan tempat untuk menyimpan air yang telah dipanaskan dari
kolektor penyerap panas. Supaya efisien dan efektif, tempat penyimpanan air panas ini dilapisi dengan lapisan insulasi yang mencegah agar panas
tidak banyak yang terbuang heat loss.
Komponen-komponen pendukung PATS adalah sistem perpipaan, pemanas listrik dan katup pengaman Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Skema aliran air PATS sistem thermosyphon Manurung, 2015 Keterangan :
1. Pipa Saluran Air Dingin 2. Tangki Penampungan Air
3. Kolektor
4. Pipa Saluran Air Panas
2.2.3. Definisi Bejana Tekan Bejana tekan adalah wadah tertutup yang digunakan untuk berbagai macam
keperluan baik di dunia industri maupun dalam kehidupan sehari-hari. Bejana tekan didesain untuk mampu menampung cairan atau gas yang memiliki
temperatur dan tekanan yang berbeda dengan keadaan lingkungan Purnomo, 2012.
Bejana tekan dibagi menjadi dua bagian berdasarkan ukuran tebal dindingnya yaitu bejana tekan berdinding tipis dan bejana tekan berdinding tebal. Perbedaan
pada kedua bejana tekan tersebut terletak pada tegangan yang terjadi pada dindingnya. Bejana tekan berdinding tipis tegangan yang diperhitungkan hanya
pada arah circumferensial dan longitudinal. Sedangkan bejana tekan berdinding tebal, tegangan ke arah radial juga diperhitungkan. Bukan berarti bejana tekan
berdinding tipis tidak mempunyai tegangan radial, akan tetapi perbedaan tegangan radial antara dinding bagian dalam dengan luar tidak begitu besar sehingga
dianggap sama. Gambar 2.8 menunjukkan distribusi tegangan radial pada kedua bejana tekan.
Gambar 2.8 a Bejana tekan berdinding tipis, b Bejana tekan berdinding tebal Moss, 2004
Bejana tekan saat ini sudah banyak digunakan didunia industri sebagai boiler, media reaksi kimia, reaktor ataupun media penampung atau penyimpanan.
Bahkan saat ini bejana tekan memegang peran vital dalam dunia industri. Ukuran dari bejan tekan itu sendiri bervariasi dan tidak terbatas, sebagaian contoh ada
yang berbentuk bola dan silinder.
a. Selimut Bejana Shell Shell adalah salah satu bagian bejana tekan biasanya berupa silinder atau
gabungan silinder dengan kerucut. Umumnya bejana tekan menggunakan shell yang berupa silinder, dikarenakan lebih mudah dibuat dan lebih murah biaya
produksinya Gambar 2.9. Shell yang berbentuk silinder terjadi tegangan longitudinal dan circumferensial, hal ini disebabkan ketebalan dindingnya yang
relatif tipis dibanding diameter, sehingga distribusi tegangan ke arah radial dianggap seragam dan tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan.
Dalam merancang bejana tekan, biasanya terlebih dahulu menentukan dimensi awal dinding silindernya berupa diameter dan panjang yang ditentukan
berdasarkan volume operasi bejana tekan dan kemudian tebal shell yang bergantung pada tekanan internaleksternal ditambah beban-beban yang signifikan
lainnya. Ketebalan dinding bejana tekan dipengaruhi pula oleh kekuatan material, tekanan maksimal yang dapat diterima oleh bejana tekan dibatasi oleh kekuatan
material. Tebal bejana tekan ditentukan melalui analisis tegangan pada dinding dan tegangan yang diijinkan oleh material yang digunakan Moss, 2004.
Gambar 2.9 Dinding bejana Megyesy, 2001
b. Kepala Bejana Head Head atau bagian ujung-ujung bejana tekan, berfungsi sebagai penutup
sebuah shell dari bejana tekan Gambar 2.10. Bentuk head sangat bervariasi, seperti hemispher, ellipsoidal, kerucut dan datar. Head yang biasa digunakan
untuk tekanan rendah adalah bentuk ellipsoidal. Tangki bergerak pada kendaraan sering digunakan ellipsoidal dengan perbandingan mayor axis dan minor axis
adalah 3:1 Purnomo, 2012.
Gambar 2.10 Kepala bejana Megyesy, 2001
c. Nosel Nosel berfungsi sebagai saluran keluar masuk dan penguras isi bejana tekan.
Nosel merupakan pipa yang dipasang dengan sambungan las atau baut pada dinding bejana tekan. Pipa yang biasanya digunakan sebagai nosel dirancang
sesuai dengan tekanan kerja bejana tekan. Diameter nosel disesuaikan dengan diameter bukaan, sehingga tepat penggunanaanya. Beban pada nosel juga harus
diperhitungkan, dikarenakan bejana tekan juga mendapat beban akibat berat dari nosel yang terpasang dinding bejan tekan Purnomo, 2012.
d. Konsep Tegangan Masalah utama dalam mekanika bahan adalah menyelidiki tahanan dalam dari
suatu benda, yaitu gaya-gaya yang ada di dalam suatu benda yang mengimbangi gaya-gaya luar. Gaya yang ada di dalam merupakan vektor dalam dan bertahan
pada keseimbangan terhadap gaya luar. Dalam mekanika bahan perlu menentukan intensitas dari gaya-gaya ini dalam berbagai potongan dengan tujuan untuk
mengetahui kemempuan bahan tesebut Dietmar, 2011. Biasanya intensitas gaya diuraikan menjadi tegak lurus dan sejajar dengan irisan yang dibuat. Penguraian
intensitas gaya pada luas kecil yang tak berhingga diperlihatkan dalam Gambar 2.11. Intensitas gaya yang tegak lurus atau normal terhadap irisan disebut
tegangan normal normal stress pada sebuah titik. Komponen yang lain dari intensitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas elementer adalah
tegangan geser shearing stress Popov, 1996.
Gambar 2.11 Metode irisan sebuah benda Popov, 1996
Secara matematis komponen dari tegangan normal dan tegangan geser didefinisikan oleh Popov, 1996, yaitu:
= lim
∆ → ∆
∆
2.2
= lim
∆ → ∆
∆
2.3 dengan: = tegangan normal Nm
2
ΔF = gaya tegak lurus terhadap potongan kg.ms
-2
atau N ∆ = luas m
2
= tegangan geser Nm
2
∆ = gaya sejajar terhadap potongan kg.ms
-2
atau N e. Tegangan Membran
Sebuah bejana tekan berdinding tipis dengan jari-jari r dan tebal t t « r dan bejana terkena tekanan internal sebesar p yang menyebabkan tegangan pada
dinding yang akhirnya perlu untuk diketahui besarnya. Diketahui bahwa t « r maka tegangan kearah radial dapat diabaikan, maka terdapat dua tegangan yang
saling tegak lurus Popov, 1996.
Gambar 2.12 Diagram benda bebas bejana tekan Popov, 1996
Mula-mula bejana dipotong sejajar dengan sumbu longitudinalnya. Sebab terkena tekanan internal, maka area dengan tekanan konstan sebesar p. Bila
tegangan longitudinal konstan sepanjang dinding, maka persamaan keseimbangannya menjadi
= 2.4
Seperti pada Gambar 2.12, sekarang bejana dipotong setengah lingkaran dengan panjang . Bagian horizontal dinding terkena tegangan sirkumferensial
yang juga konstan terhadap ketebalan dinding, hal ini beraksi terhadap gaya yang beasal dari tekanan internal, persamaan kesetimbangan pada arah vertikal menjadi
= 2.5
Persamaan 2.4 dan 2.5 menyatakan bahwa tegangan sirkumferensial dua kali dari tegangan longitudinal, oleh sebab itu mengapa bejana tekan terkena
tekanan internal gagal karena retak pada arah longitudinal, karena itu perhitungan desain bejana tekan menggunakan tegangan sirkumferensial sebagai dasarnya
Popov, 1996. Untuk tegangan membran pada dinding bejana dengan perhitungan tekanan hidrosatik digunakan perhitungan kesetimbangan tegangan
dan gaya pada arah longitudinal dan sirkumferensial Purnomo, 2012.
2.2.4. Perpindahan Kalor a. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor dari partikel-partikel yang memiliki energi dalam tinggi menuju partikel berenergi dalam rendah pada suatu substansi.
Jika ujung sebuah batang logam diletakkan di atas nyala api dan ujung yang satu dipegang, maka bagian yang dipegang ini semakin lama akan semakin panas
walaupun tidak kontak langsung dengan api. Terdapatnya perbedaan temperatur pada logam memicu terjadinya perpindahan panas dari bagian bertemperatur
tinggi ke temperatur yang rendah. Besar laju perpindahan panas Q berbanding lurus dengan luas bidang A dan perbedaan temperatur dTdx.Laju perpindahan
kalor konduksi dinyatakan sebagai berikut.
= − 2.6
Perpindahan panas pada bentuk silinder dengan jari-jari r dari pusat silinder, tabung, atau pipa yang panjangnya L dan mempunyai jari-jari dalam r
1
serta jari- jari luar r
diilustrasikan seperti Gambar 2.13 Holman, 2002.
Gambar 2.13 Aliran radial panas di dalam bejana Holman, 2002 Luas bidang permukaan silinder dengan jari-jari r adalah
= 2 2.7
Sehingga = − 2
2.8 Perpindahan panas dari permukaan dalam ke permukaan luar silinder adalah:
= ∫ = − 2 ∫
2.9 Batas integral temperatur adalah T
i
dan T , sedangkan batas integral r adalah r
i
dan r . Maka dengan demikian penyelesaian untuk persamaan 2.9 adalah:
=
2.10 Menurut persamaan 2.10 bahwa:
= 2.11
R
th
adalah tahanan termal yang harganya: =
2.12
Dengan cara yang sama dan melibatkan konveksi pada setiap permukaan silinder, maka pipa dengan lapisan bahan komposit yang berbeda akan berlaku:
= +
+ +
+ 2.13
b. Konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan
molekul-molekul zat perantaranya. Perpindahan panas secara konveksi merupakan mekanisme perpindahan panas antara media benda terkait. Gambar 2.14
menunjukkan sebuah plat panas yang temperaturnya T
w
mengalir fluida dengan kecepatan U
∞
yang merata dengan temperatur T
∞
. Akibat terjadinya perbedaan temperatur maka panas akan terdistribusi dari plat ke fluida Holman, 2002.
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat Holman, 2002
Untuk menyatakan konveksi secara menyeluruh digunakan hukum Newton tentang pendinginan:
= ℎ − 2.14
dengan: A = luas permukaan m
2
h = koefisien perpindahan kalor Wm
2
.K T
w
= temperatur plat K T
∞
= temperatur udara K
c. Radiasi Radiasi merupakan proses peripandahan kalor yang tidak memerlukan
medium perantara. Radiasi ini biasanya dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang berasal dari matahari karena adanya tumpukan energi termal pada semua
benda Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Perpindahan panas radiasi Incropera dkk, 2007
Bila energi radiasi menimpa suatu benda, maka sebagian radiasi dipantukan, sebagian lagi diserap dan sebagian diteruskan seperti Gambar 2.16. Besarnya
energi radiasi adalah:
Gambar 2.16 Pengaruh radiasi datang dan pantul Holman, 2002
= 2.15
dimana: Q = laju perpindahan panas W σ
sb
= konstanta Stefan-Boltzmann 5,669.10
-8
Wm
2
.K
4
A = luas permukaan benda m
2
T = temperatur absolut benda K
2.2.5. Perhitungan Tangki a. Perhitungan Dimensi
Volume tangki dapat digunakan sebagai acuan dalam menghitung dimensi tangki. Rumus volume tangki adalah sebagai berikut:
= 2.16
dimana V adalah volume tangki liter, r adalah jari-jari tangki cm, dan l adalah panjang tangki cm. Jika volume tangki yang dirancang telah diketahui, maka
akan didapat persamaan sebagai berikut.
= 2.17
Kemudian untuk memperoleh nilai r, maka persamaan tersebut dapat disubtitusikan ke rumus luas permukaan tangki L. Setelah itu rumus luas
permukaan diturunkan. Setelah nilai r didapat maka nilai l juga akan diperoleh.
= +
= +
= +
2.18
Luas minimum tangki diketahui dengan cara mendefinisikan persamaan 2.18 kemudian dinolkan:
= −
= =
= 2.19
Persamaan 2.19 adalah jari-jari tangki agar luasnya minimum. b. Perhitungan Ketebalan Tangki
Perancangan tanki bertekanan memerlukan perhitungan kekuatan terhadap beban-beban yang akan terjadi. Perancangan teknis digunakan sebagai jaminan
bahwa tangki tersebut aman terhadap beban yang terjadi. Ketebalan tangki harus dirancang sedemikian rupa sehingga tekanan kerja maksimum tidak melebihi
nilai-nilai yang telah ditetapkan. Penentukan ketebalan tangki dapat menggunakan konsep hoop stress. Hoop stress adalah tegangan yang bekerja pada arah tegak
lurus dengan dinding tangki akibat tekanan dalam tangki. Besarnya hoop stress adalah Australian Standard, 1985:
=
. . .
2.20
Harga Hs adalah tegangan yang terjadi pada tangki kPa, p adalah tekanan air di dalam tangki kPa, d adalah diameter shell mm, r adalah radius kubah mm, t
adalah tebal tangki mm, dan Ƞ yaitu efisiensi penyambungan pada pengelasan tabung. Tebal tangki dapat dicari dengan persamaan berikut.
=
. . .
2.21
c. Perhitungan Kebutuhan Insulasi Tangki
Gambar 2.17 Tahanan termal pada bejana Holman, 2002
Rugi-rugi panas pada tangki penyimpan dalam sistem pemanas air tenaga surya merupakan energi termal yang hilang selama dilakukan penyimpanan
T
i
T
1
T
2
T
∞
Gambar 2.17. Pemilihan bahan isolasi, tebal isolasi, waktu penyimpanan, dan fluida yang menyimpan energi termal mempengaruhi nilai rugi-rugi panas.
Penentuan ketebalan isolasi pada tangki sangat diperlukan untuk mengurangi nilai rugi-rugi panas yang terjadi. Ketebalan isolasi dapat dicari dengan menggunakan
rumus kehilangan kalor sebagai berikut:
=
∆
= =
2.22
dimana Q
out
adalah rugi-rugi panas W, ΔT adalah perbedaan temperatur °C, T
1
adalah temperatur pada tangki °C, T
2
adalah temperatur pada insulasi °C, dan T
∞
adalah temperatur lingkungan °C. Rumus rugi-rugi panas di atas dapat dibuat menjadi beberapa persamaan sebagai berikut:
Antara T
i
– T
1
= =
2.23 Antara T
1
– T
2
= =
2.24
Antara T
2
– T
∞
= =
= 2.25
Antara T
i
– T
∞
= =
2.26
Sebelum mencari ketebalan insulasi maka perlu mencari T
2
dan r
2
. Temperatur pada isolasi T
2
dapat dicari dengan menggunakan persamaa rugi- rugi panas di atas yaitu:
=
= ×
+ 2.27
T
2
dapat diketahui jika nilai r
2
telah dketahui. Namun untuk mendapatkan nilai r
2
perlu memperhitungkan rumus jari-jari kritis isolasi r
c
Holman, 2002:
=
2.28
dimana r
c
adalah jari-jari kritis isolasi cm, k adalah konduktivitas bahan isolasi
W m.K
. Jika r
i
r
c
maka tahanan termal total akan berkurang dan rugi-rugi termal akan meningkat seiring dengan bertambahnya tebal insulasi dan sebaliknya jika r
i
r
c
maka penambahan tebal insulasi akan meningkatkan tahanan termal total dan rugi-rugi termal akan berkurang seperti pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Pengaruh jari-jari kritis Incropera dkk, 2007
h
w
adalah koefisien konveksi udara luar
W m
2 .K
. Setelah nilai r
c
didapat, maka nilai r
2
dapat dicari Duffie Beckman, 2013.
= , +
2.29 Syarat insulasi adalah bahwa faktor kehilangan panas total yang terjadi U
tidak boleh lebih besar dari 1,75 Wm
2
.K SNI, 1992. Oleh karena itu, setelah Q
out
diketahui maka dicek harga U dengan persamaan berikut. =
∆
2.30.a =
∆
2.30.b