Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten untuk Pengeringan Gabah dengan Kolektor Surya

RANCANG BANGUN SISTEM PENYIMPANAN PANAS
LATEN UNTUK PENGERINGAN GABAH DENGAN
KOLEKTOR SURYA

YUSNITA ONI NAPITU

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun
Sistem Penyimpanan Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah Dengan Kolektor
Surya adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2014
Yusnita Oni Napitu
NIM F14100045

ABSTRAK
YUSNITA ONI NAPITU. Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten
untuk Pengeringan Gabah dengan Kolektor Surya. Dibimbing oleh LEOPOLD
OSCAR NELWAN.
Sistem penyimpanan panas laten yang terintegrasi dengan kolektor surya yang
dirancang pada penelitian ini terdiri dari kolektor surya plat datar, tangki
penyimpanan panas laten, penukar panas, radiator, blower dan ruang pengering.
Material untuk menyimpan panas laten adalah lilin parafin. Pengujian yang
dilakukan adalah pengujian titik leleh parafin, efisiensi kolektor surya, dan energi
berguna dari parafin selama proses pengisian panas dan pelepasan panas. Dari hasil
pengujian efisiensi kolektor, nilai efisiensi terbesar adalah 28% dengan total energi
berguna 4956.582 kJ pada pengujian pertama dan 4868.17 kJ pada pengujian kedua
dan dengan laju aliran massa 0.0374 kg/s. Total energi selama proses pengisian
panas ke parafin adalah 1532.59 kJ dalam waktu 4 jam pada pengujian-1 dan

1539.23 kJ dalam waktu 6 jam 15 menit pada pengujian-2. Total energi pelepasan
panas oleh parafin pada pengujian-1 adalah 1368.82 kJ dalam waktu 10 jam 45 menit
dan 1411.39 kJ dalam waktu 10 jam 30 menit pada pengujian-2. Perbedaan suhu
ruang pengering dengan suhu lingkungan pada pengujian-1 adalah 5-7oC dan 7-9oC
dari awal sampai akhir proses pelepasan panas.
Kata kunci: kolektor surya, lilin parafin, penyimpanan panas laten, pengisian
dan pelepasan panas, pengeringan.

ABSTRACT
YUSNITA ONI NAPITU. Design of Latent Heat Storage Systems in Paddy Drying
Process with Solar Collector. Supervised by LEOPOLD OSCAR NELWAN.
The latent heat storage system integrated with solar collector that was
designed in this study consists of a flat plate solar collector, latent heat storage tank,
heat exchanger, radiator, blower, and drying chamber. Paraffin wax was the
material used in latent heat storage. Performance tests were paraffin melting point,
efficiency of solar collectors, and useful energy from paraffin during the charging
and discharging process. The results showed that the maximum collector efficiency
was 28% and total maximum useful energy on first test was 4956.582 kJ and 4868.17
kJ on second test with the mass flow rate of water was 0.0374 kg/s. Total heat energy
during the charging process was 1532.59 kJ within 4 hours on first test and 1539.23

kJ within 6 hours and 15 minutes on the second test. The total heat energy released
by the paraffin on the first test was 1368.82 kJ within 10 hours and 45 minutes and
1411.39 kJ within 10 hours and 30 minutes on the second test. The temperature
difference between drying chamber with the ambient temperature at the first test was
5-7°C and 7-9° C from the beginning to the end of the heat releasing process.
Keywords: solar collector, parafin wax, latent heat storage, chargin and
discharging process, drying process

RANCANG BANGUN SISTEM PENYIMPANAN PANAS
LATEN UNTUK PENGERINGAN GABAH DENGAN
KOLEKTOR SURYA

YUSNITA ONI NAPITU

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik Mesin
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

Judul Skripsi : Rancang Bangun Sistem Penyimpanan Panas Laten untuk Pengeringan
Gabah dengan Kolektor Surya
Nama
: Yusnita Oni Napitu
NIM
: F14100045

Disetujui oleh

Dr Leopold Oscar Nelwan STp MSi
Pembimbing I

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial MEng
Ketua Departemen

Tanggal Lulus :

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah
penyimpanan panas laten, dengan judul Rancang Bangun Sistem Penyimpanan
Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah Dengan Kolektor Surya.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Leopold Oscar Nelwan
selaku pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, arahan, dan motivasi
kepada penulis. Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Ir Sri Endah Agustina,
Msi dan Ibu Dr. Nanik Purwanti sebagai dosen penguji.
Ungkapan terimakasih juga disampaikan kepada ayah (Donni Napitu), ibu
(Rosita Pardede), dan adik tersayang (Lena, Leni dan Roy) serta seluruh keluarga
atas segala doa, dukungan dan kasih sayangnya. Terimakasih juga penulis
ucapkan kepada Abdullah Taufiq Kharisma untuk bantuan dan motivasi yang
telah banyak membantu selama penelitian, teman teman yang telah membantu

selama penelitian (Biti, Candra Viki, Deni,dll), para teknisi Departemen TMB
(Pak Harto dan Mas Firman) serta segenap teman teman Antares TMB 47 yang
telah menjadi keluarga dan rekan seperjuangan penulis hingga dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Agustus 2014
Yusnita Oni Napitu

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Tujuan Penelitian

2

TINJAUAN PUSTAKA
METODE

2
12

Waktu dan Tempat Pelaksanaan

12

Alat dan Bahan

12

Tahapan Penelitian

13

HASIL DAN PEMBAHASAN

28

Perancangan dan Pembuatan Alat Pengering dengan Kolektor Surya

28

Laju aliran massa udara

29

Uji verifikasi termofisik parafin

31

Pengujian Efisiensi Kolektor Surya

32

Energi Aktual Proses Charging dan Discharging

35

SIMPULAN DAN SARAN

39

Simpulan

39

Saran

40

DAFTAR PUSTAKA

39

LAMPIRAN

43

RIWAYAT HIDUP

69

DAFTAR TABEL
1

Sifat fisik dari beberapa jenis parafin

10

2

Perbedaan konstruksi sebelum dan sesudah modifikasi

15

DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

Tipe pengering surya
Prinsip kerja kolektor surya plat datar
Jenis konsentrator
Kolektor surya tabung hampa tipe-1
Kolektor surya tabung hampa tipe-2
Kolektor surya tabung hampa tipe-3
Klasifikasi PCM
Lilin parafin
Diagram alir tahapan penelitian
Skema rancangan alat pada siang hari
Skema rancangan alat pada malam hari
Diagram alir penentuan laju aliran massa udara
dalam proses pengeringan
Diagram alir efisiensi kolektor surya
Aliran air pada proses pengujian kolektor surya
Posisi termokopel pada pengujian efisiensi kolektor
Posisi termokopel saat proses pengujian
Posisi termokopel pengujian titik leleh parafin
Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sebelum modifikasi
Alat pengering dengan kolektor surya plat datar sesudah modifikasi
Hasil pengujian titik leleh parafin
Perubahan suhu selama proses pemanasan ulangan-1
Perubahan suhu selama proses pemanasan ulangan-2
Efisiensi kolektor surya sebelum dan sesudah modifikasi
Energi berguna dari kolektor setelah modifikasi
Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan iradiasi
matahari selama proses charging (6 Juni 2014)
Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan iradiasi
matahari selama proses charging (7 Juni 2014)
Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara
di dalam tangki selama proses discharging (6 Juni 2014)
Sebaran suhu air inlet-outlet pada tangki, parafin dan suhu udara
di dalam tangki selama proses discharging (7 Juni 2014)
Energi aktual selama proses charging dan discharging oleh parafin
Energi pada proses charging dengan Metode Simpson
Contoh perhitungan total energi setelah modifikasi dengan
metode Simpson

3
4
5
6
6
7
10
10
14
16
17
21
23
26
26
27
28
29
30
31
32
33
33
35
36
36
37
38
38
59
60

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

Data pengukuran titik leleh parafin
Perhitungan laju aliran massa udara
Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya 21 Mei
Data hasil pengujian efisiensi kolektor surya 25 Mei
Contoh perhitungan efisiensi kolektor surya
Data hasil pengukuran seluruh sistem 6 Juni
Data hasil pengukuran seluruh sistem 7 Juni
Perhitungan total energi selama proses charging dan
Discharging lilin parafin
Total energi proses charging dengan Metode Simpson
Contoh perhitungan total energi kolektor setelah modifikasi
dengan metode Simpson
Gambar teknik seluruh sistem
Gambar teknik kolektor surya
Gambar teknik tangki parafin
Gambar teknik tangki air
Gambar teknik penukar panas tipe koil
Gambar teknik radiator
Gambar teknik ruang pengering
Gambar teknik blower

43
44
45
46
47
49
53
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68

DAFTAR SIMBOL
A

Ab
Ak
Ap
As
B
C
Cb
Cp
Cpair
Cpl
Cppcm
Cps
Cpudara
D
Di
E
F
f
F’
FR
h
hb
hfi
hw
ΔH
H2
H3
I
k
KAo
KA1
kB
kb
KEPS
ks
Lpcm

Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada
K 2 s.m
kolektor, 2
s  m2
Luas kolektor bagian bawah, m2
Luas kolektor, m2
Luas permukaan, m2
Luas insulasi di bagian tepi, m2
Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada
kolektor, m/s
Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada
kolektor, ⁰
Konduktansi perekat, W/mK
Panas jenis fluida, J/kgK
Panas jenis air, J/kgK
Panas jenis parafin fase cair, kJ/kgK
Panas jenis parafin, J/kgK
Panas jenis parafin fase padat, kJ/kgK
Panas jenis udara, kJ/kgK
Diameter luar pipa, m
Diameter dalam pipa, m
Unit bagian dari perhitungan kehilangan panas bagian atas pada
kolektor, 1/K
Efisiensi sirip, %
Koefisien
Faktor efisiensi
Faktor pelepasan panas
Koefisien pindah panas konveksi fluida, W/m2K
Koefisien konveksi bagian bawah kolektor , W/m2K
Koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja, W/m2K
Koefisien pindah panas karena angin, m/s
Perubahan humidity ratio 2 ke 3, kg air/kg udara kering
Humidity ratio pada saat T2, kg air/kg udara kering
Humidity ratio pada saat T3, kg air/kg udara kering
Radiasi surya, W/m2
Konduktivitas, W/mK
Kadar air awal, %bb
Kadar air akhir, %bb
Konduktivitas panas insulasi bawah, W/Mk
Konduktifitas perekat, W/mK
Konsumsi energi panas spesifik, J/kg air yang diuapkan
Konduktivitas panas samping, W/mK
Panas laten parafin, kJ/kg.K



m

Laju aliran massa, kg/s



m air
ma
mg
mo
mPCM
ms

Laju aliran massa air, kg/s
Massa akhir bahan, kg
Massa gabah, kg
Massa awal bahan, kg
Massa lilin parafin, kg
Massa padatan, kg



Laju aliran massa udara, kg/s
Massa air pada keadaan akhir, kg
Massa air pada keadaan awal, kg
Massa air yang diuapkan, kg
Jumlah penutup transparan
Debit fluida, m3/s
Energi total pengeringan, kW
Energi berguna pada kolektor, kW
Energi untuk pemanasan udara di ruang plenumm, J
Energi selama proses penyimpanan panas, kJ
Energi selama proses pelepasan panas, kJ
Beda suhu antara suhu ruang plenum dengan suhu lingkungan
pada saat pengeringan
Ta
Suhu udara lingkungan, K
Tbawahcover Suhu udara di bawah cover kolektor, K
Tbawahkolektor Suhu udara di bawah kolektor, K
Tfi
Suhu air fluida masuk kolektor, K
Tfin_ch,PCM Suhu akhir selama proses penerimaan panas, K
Tfin_dis,PCM Suhu akhir selama proses pelepasan panas, K
Tin
Suhu air masuk, K
Tin_ch,PCM Suhu awal selama proses penerimaan panas, K
Tin_dis,PCM Suhu akhir selama proses penerimaan panas, K
Tlingkungan Suhu lingkungan, K
Tm
Suhu titik leleh parafin, K
To
Suhu awal, K
Tout
Suhu air keluar, K
t
Waktu, s
ts
Tebal insulasi samping, m
Tsampingkolektor Suhu udara di samping kolektor, K
ΔT
Beda suhu, K
UB
Koefisien kehilangan panas bagian bawah, W/m2K
UE
Koefisien kehilangan panas bagian samping, W/m2K
UL
Total koefisien kehilangan panas, W/m2K
UT
Koefisien kehilangan panas bagian atas, W/m2K
v
Kecepatan angin, m/s
W
Jarak antar pipa, m
m udara
mwa
mwo
mwv
N
Q
Qdry
Qu
Qudara
Qch
Qdis
ΔT

Huruf Yunani
(τα)c

Sifat optik kolektor
Emisivitas plat

g
β
π



Emisivitas penutup transparan

p

Sudut kemiringan kolektor, ⁰
Konstanta, 3.14
Efisiensi
Tebal sirip, m

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan merupakan cara pengawetan yang penting karena hasil
pertanian yang telah dikeringkan memberikan banyak keuntungan
dibandingkan bahan segarnya. Metode pengeringan secara umum menjadi
pengeringan dengan penjemuran dan pengering buatan. Di Indonesia pada
umumnya, pengeringan komoditas hasil pertanian terutama biji bijian
dilakukan dengan pengeringan penjemuran. Masalah yang tinbul pada tipe
pengeringan ini adalah proses pengeringan tergantung terhadap lama
penyinaran matahari dan keadaan cuaca sehingga proses pengeringan tidak
selalu dapat berlangsung. Selain itu, metode pengeringan penjemuran, bahan
akan lebih mudah terkontaminasi dengan debu atau kotoran. Metode
pengering buatan mampu mengatasi kekurangan dari metode pengeringan
penjemuran. Salah satu tipe pengeringan buatan adalah pengering suya.
Keuntungan dari pengering surya adalah memanfaatkan sumber energi
terbarukan. Pada umumnya pengering surya menggunakan kolektor surya plat
datar. Prinsip kerja kolektor adalah mengumpulkan panas dari radiasi
matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Cara kerja kolektor surya plat
datar adalah ketika radiasi matahari masih tinggi, fluida akan dipanaskan oleh
sinar matahari yang terperangkap di dalam kolektor. Namun, pada waktu
tertentu radiasi matahari akan berkurang karena terhalang oleh awan sehingga
menurunkan suhu fluida yang keluar dari kolektor. Kolektor tidak dapat
menghasilkan fluida panas bila radiasi surya mulai berkurang. Kekurangan
dari kolektor surya adalah sistem ini tergantung terhadap lama penyinaran
matahari. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, maka kolektor surya
ditambahkan unit penyimpan panas.
Penyimpanan panas dapat dibedakan menjadi dua yaitu penyimpanan
panas sensibel dan panas laten. Penyimpanan panas sensibel, energi disimpan
atau diekstrak dengan pemanasan atau pendinginan cairan atau padatan
dimana material penyimpan panas tidak berubah fasa selama proses
penyimpan panas. Bahan yang biasa digunakan antara lain air, batu kerikil,
etanol, propanol, dll. Pemilihan bahan yang digunakan tergantung pada
tingkat suhu yang akan disimpan. Selain itu, pemilihan kriteria bahan
tergantung dari panas jenis dari material. Kekurangan sistem penyimpanan
panas sensibel ini adalah penyimpan panas rendah per satuan volume.
Kelebihan sistem ini adalah harga material penyimpan panas yang terjangkau
dan mudah ditemui (Ataer 2006).
Pengeringan dengan memanfaatkan penyimpanan panas sensibel dan
laten sudah banyak dikembangkan. Nitipraja (2008) melakukan percobaan
dengan penyimpanan panas sensibel yang terdiri dari lima sistem utama yaitu
kolektor surya, penukar panas, kotak pengering, bak penampungan air dan
tangki pemanas tambahan. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh bahwa,
pemanasan air menggunakan kolektor diperoleh kenaikan suhu air di bak

2
setelah pemanasan selama 330 menit adalah 20⁰C dari suhu air 30⁰C menjadi
50⁰C dengan radiasi rata-rata sebesar 527.29 W/m2. Pada proses pengeringan
gabah dengan penyimpanan panas sensibel dengan menggunakan air,
diperoleh penurunan kadar air gabah sebesar 8.14% dari kadar air awal gabah
sebesar 21.70% menjadi 13.56 % selama 285 menit pengeringan. Konsumsi
energi panas spesifik untuk menguapkan 0.4708 kg air selama proses
pengeringan adalah 11.4756 MJ/kg air yang diuapkan.
Penyimpanan panas laten menggunakan material yang berubah fasa
(Phase Change Material/PCM). Dalam penyimpanan panas laten prinsipnya
adalah bila panas diterapkan pada material maka terjadi perubahan fasa dari
padat menjadi cair. Material yang digunakan adalah lilin parafin. Ketika
panas yang tersimpan diekstraksi dengan beban, maka material akan berubah
fase dari cair ke padat. Kelebihan sistem ini adalah karena material
penyimpan panas mampu memberikan kepadatan penyimpanan energi yang
besar dan mampu menyimpan panas pada suhu yang konstan sesuai dengan
suhu transisi dari tiap fasa. Pada penelitian ini akan dirancang sistem
pengering surya yang dilengkapi sistem penyimpanan panas laten untuk
proses pengeringan bahan pertanian.
Tujuan Penelitian
1. Memodifikasi kolektor surya plat datar pada bagian jarak antar pipa
aliran fluida, sirip pada pipa, dan penambahan insulasi bagian samping
kolektor.
2. Menguji kinerja kolektor surya plat datar hasil modifikasi.
3. Merancang sistem penyimpanan panas laten dengan media lilin parafin
untuk proses pengeringan gabah.
4. Menguji kinerja sistem penyimpanan panas laten dengan media lilin
parafin.

TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan
Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian
menuju kadar air keseimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat air
tertentu sehingga dapat memperlambat laju kerusakan produk akibat dari
serangan jamur, enzim, dan aktivitas serangga (Handerson dan Perry 1976).
Proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan
kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan oleh media pengering
yang biasanya adalah udara. Kandungan air dari material akan menguap dan
terbawa oleh aliran udara keluar. Proses penguapan yang berlangsung secara
kontinyu menyebabkan material semakin kering.
Menurut Ekechukwu dan Norton (1999) klasifikasi pengering surya
secara umum adalah :
1. Pengeringan surya pasif dan aktif tipe langsung

3
Pada pengering tipe langsung ini, panas dihasilkan karena adanya
penyerapan energi matahari oleh bagian dalam ruang pengering.
Selain memanaskan udara, radiasi matahari juga memanaskan
produk yang dikeringkan. Sirkulasi udara pada pengering surya pasif
tipe langsung mengalir secara konveksi bebas, sedangkan pada
pengering surya aktif tipe langsung udara mengalir karena adanya
fan atau blower (konveksi paksa).
2. Pengering surya pasif dan aktif tipe tidak langsung
Sistem pengering tipe ini terdiri dari kolektor dan ruang pengering
yang terpisah. Udara dari luar masuk diantara kaca dan absorber.
Udara menjadi panas karena terjadi perpindahan panas antara
absorber ke udara. Udara panas ini kemudian dialirkan ke dalam
ruang pengering tempat produk berada dan dikeluarkan melalui
cerobong. Udara panas yang dihasilkan di kolektor dapat dialirkan
dengan dua cara yaitu konveksi bebas (pasif) dan konveksi paksa
(aktif) dengan menggunakan blower.
3. Pengering surya pasif dan aktif tipe gabungan
Sistem pengering tipe ini merupakan kombinasi dari tipe langsung
dan tidak langsung. Prinsip kerjanya hampir sama, radiasi matahari
selain digunakan untuk memanaskan udara yang berada di kolektor
juga digunakan untuk memanaskan produk yang berada di ruang
pengering.
Masing-masing tipe dan bentuk pengering yang telah disebutkan
diatas dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Tipe-tipe pengering surya (sumber : http:// thermopedia.com)

4
Pada proses pengeringan dibutuhkan energi untuk proses pengeringan
yang biasa disebut energi panas spesifik. Energi panas spesifik pada proses
pengeringan merupakan perbandingan antara energi yang diperlukan untuk
kebutuhan pemanasan udara ruang plenum selama pengeringan dengan
jumlah air yang diuapkan dari bahan (Nitipraja 2008).
Untuk menghitung massa air yang diuapkan dicari dengan mengurangi
massa air awal bahan sebelum pengeringan dengan massa air bahan setelah
pengeringan yaitu dengan persamaan :
(1)
mWo  mo .KAo
(2)
mS  mo  mWo
mWa
(3)
KAa 
.100%
mWa  m s
(4)
ma  mS  mWa
(5)
mWv  mWo  mWa
Menghitung besarnya energi untuk kebutuhan pemanasan udara di
ruang plenum selama proses pengeringan :


Qudara  m udara .Cp udara.(T .t )

(6)

Menghitung besarnya konsumsi energi panas spesifik menggunakan
rumus :
Q
(7)
KEPS  udara
mWv
Kolektor Surya
Kolektor merupakan seperangkat alat untuk menangkap radiasi
matahari. Prinsip kerja kolektor surya adalah dengan mengumpulkan panas
dengan menyerap sinar matahari (Gambar 2). Gambar 2 menjelaskan bahwa
matahari mengenai permukaan kolektor sehingga terjadi pemerangkapan
panas. Panas diserap oleh plat hitam yang akan mengkonduksikan ke pipa
berisi fluida penyimpan panas.

Gambar 2 Prinsip kerja kolektor surya plat datar
(sumber : http://volker-quaschning.de)

5
Menurut Duffie dan Beckmen (1991), tipe kolektor surya dapat
dibedakan menjadi :
1. Kolektor surya plat datar : Sistem ini berupa kotak terinsulasi dan tahan
air, terdiri dari plat absorber berwarna hitam pekat yang terletak di bawah
penutup transparan (bisa 1 atau 2 lapis penutup transparan). Air atau fluida
pengkonduksi dialirkan di dalam pipa yang berada di bawah plat absorber,
untuk dipanaskan dan hasilnya bisa dimanfaatkan untuk berbagai
keperluan. Kolektor surya plat datar dapat dilihat pada Gambar 2.
2. Konsentrator : Berupa logam parabola (cermin parabola) untuk
mengkonsentrasikan radiasi surya ke dalam absorber yang berada di
pusatnya. Konsentrator dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3 Jenis konsentrator (sumber: http://intechopen.com)
3. Kolektor surya tabung hampa : Untuk pemanas air yang terdiri dari jajaran
tabung kaca (seperti tabung lampu neon). Ada 3 tipe, yaitu :
a. Tipe 1 yaitu tabung kaca : Terdiri dari dua tabung kaca yang disatukan
pada
bagian ujung ujungnya. Di dalam tabung dilapisi dengan
lapisan tertentu berwarna hitam berfungsi sebagi absorber sekaligus
dapat menahan kehilangan energi radiasi. Tabung dibuat vakum untuk
mengurangi kehilangan panas akibat konduksi dan konveksi. Tidak
seefisien tipe 2, tapi sangat kuat terhadap kebocoran. Kolektor surya
tabung hampa tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.

6

Gambar 4 Kolektor surya tabung hampa tipe 1
(sumber : http://intermasolar.com)
b. Tipe 2 yaitu tabung kaca-logam : Terdiri dari tabung tunggal. Di dalam
tabung terdapat aluminium berbentuk pelat atau lengkung yang
berhubungan dengan pipa berisi air untuk dipanaskan. Plat aluminium
biasanya dilapisi dengan lapisan tertentu. Tipe ini sangat efisien tetapi
rawan dengan kebocoran akibat sambungan antara kaca dan logam
karena tingkat pemuaian kaca dan logam tidak sama. Setelah beberapa
lama terkena panas dan dingin akan terjadi penyusutan dan
pengembangan material yang menyebabkan kebocoran. Kolektor surya
tabung hampa tipe 2 dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5 Kolektor surya tabung hampa tipe 2
(sumber : http://machinehistory.com)
c. Tipe 3 yaitu air yang terdapat dalam tabung kaca : Air berada di dalam
tabung. Permasalahan muncul jika tabung pecah, maka air panas
tumpah ke mana mana. Kolektor surya tabung hampa tipe 3 dapat
dilihat pada Gambar 6.

7

Gambar 6 Kolektor surya tabung hampa tipe 3
(sumber : http://machine-history.com)
Energi yang berguna dari kolektor surya plat datar merupakan energi
yang bisa dimanfaatkan untuk suatu proses dalan hal ini adalah proses
pengeringan. Energi berguna dari kolektor surya dapat dihitung dengan
persamaan :
Qu  FR . Ak . c  ULTfi  Ta  
(8)





Faktor pelepasan kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara
energi berguna yang dapat dikumpulkan terhadap energi yang mungkin
dikumpulkan, apabila temperatur fluida sepanjang pipa adalah sama dengan
temperatur masuk (lebih dingin). Faktor pelepasan panas (FR) dapat dihitung
dengan persamaan :
   
  m air .Cp 
  Ak   
; 

   1  exp Ak .UL.F 
(9)
.
FR  



UL


 
m air Cp













Dalam percangan kolektor surya plat datar juga memperhatikan faktor
koefisien kehilangan panas. Kehilangan panas pada kolektor surya plat datar
terjadi pada bagian bawah (U B ), bagian samping (US) dan bagian atas (UT).
Rugi kalor kolektor bagian atas terjadi secara konveksi dan radiasi, sedangkan
rugi kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover kecil sehingga
perbedaan temperatur tidak begitu signifikan. Total kehilangan panas pada
bagian atas kolektor dapat dihitung dengan persamaan (16). Rugi kalor pada
bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel bawah,
sedangkan rugi kalor secara konveksi dan radiasi diabikan sebab nilainya
lebih kecil dibandingkan rugi kalor secara konduksi. Total kehilangan panas
pada bagian bawah kolektor dapat dihitung dengan persamaan (13). Rugi
kalor pada bagian samping dibaikan jika melihat dari tipe perambatan panas
(konduksi, konveksi dan radiasi) karena luasan kontak perpindahan kalor dari

8
absorber ke samping sangat kecil jika dibandingkan dengan luasan absorber
pada bagian atas atau bawah. Namun kehilangan panas samping tetap dapat
diperhitungkan dengan persamaan (14). Total dari kehilangan panas
disimbolkan dengan UL yang merupakan penjumlahan dari kehilangan panas
bagian atas, bawah dan samping. Koefisien kehilangan panas dapat dihitung
dengan persamaan :
UL = UB + US + UT
(10)
k
(11)
UB  b
b
k A
(12)
Us  S S
t S Ak
Tingkat energi yang berguna merupakan energi yang langsung bisa
dimanfaatkan. Tingkat energi berguna dapat dihitung dengan persamaan :

Qu  m .Cp.T fi  Ta 


(13)

Koefisien kehilangan panas pada bagian atas diharapkan memiliki
nilai yang kecil. Koefisien kehilangan panas pada bagian atas dipengaruhi
oleh jumlah penutup kolektor surya plat datar, suhu fluida masuk kolektor,
suhu lingkungan, koefisien pindah panas karena angin, emisivitas, dan sudut
kemiringan kolektor, Koefisien kehilangan panas bagian atas (UT) dapat
dihitung dengan persamaan:
1





1 
N


UT  A  
E
hw 

T
T


C
fi
a

 


 T fi  N  f 


2
 (T fi  Ta )(T fi  Ta )
A
( p  0.00591.N .hw) 1  B  N

(14)

(15)

Dimana :
f
= (1+ 0.089hw – 0.1166hw p) (1+0.07866N)
C
= 520(1-0.000051 2) jika 0o <  < 70o
Jika 70o <  < 90o maka C = 390.052o
E
= 0.43(1-100/Tfi)
hw
= 5.7 + 3.8 v
Dalam perhitungan efisiensi kolektor surya perlu juga memperhatikan
faktor efisiensi. Faktor efisiensi sebaiknya memiliki nilai yang besar. Faktor
efisiensi (F’) merupakan dapat dihitung dengan persamaan :

9

F' 

1
UL

1
1
1 
W


 UL.W  D F  D Cb h Di 
fi



(16)

Efisiensi sirip (F) merupakan perbandingan panas yang dipindahkan ke
dalam sirip dibagi dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip itu
ada pada temperatur awal (To). Efisiensi sirip (F) dapat dihitung dengan
persamaan :
 UL W  D 

tanh

2
k
b


(17)
F
 UL W  D 


 k

2
 b

Penyimpanan Panas Laten
Panas laten atau energi termal dapat disimpan melalui perubahan
tingkat keadaan (perubahan fasa). Perubahan tersebut terjadi dari padat ke gas
atau dari fase cair ke gas dan yang biasa digunakan adalah perubahan dari
fase padat ke cair. Setiap sistem penyimpanan energi panas laten harus
memiliki setidaknya tiga komponen yaitu material perubahan fasa yang sesuai
(PCM) dalam kisaran suhu yang diinginkan, alat penahan untuk material
penyimpanan panas, dan cairan panas yang cocok untuk mentransfer panas
secara efektif dari sumber panas ke penyimpanan panas.
Transfer energi panas terjadi ketika bahan perubahan dari padat ke cair,
atau cair ke padat. Ini disebut perubahan fase. Awalnya PCM berubah dari
fase padat ke cair dengan melakukan penyimpanan panas sensibel yaitu suhu
bahan akan naik karena menyerap panas yang ada lalu dilanjutkan dengan
perubahan fase yaitu melepaskan suhu dengan suhu yang konstan (Rosa
2008). Penyimpanan panas laten mampu menyimpan panas 5-14 kali lebih
besar per satuan volume dari material penyimpanan panas sensibel seperti
batu, air, dll. PCM yang akan digunakan dalam desain penyimpan panas
harus memperhatikan aspek termofisik yang diinginkan, kinetika dan sifat
kimia material penyimpan panas (Ataer 2006). Klasifikasi dari PCM dapat
dilihat pada Gambar 7.

10
Material yang berubah fase

In Organik

Organik

Senyawa
Parafin

Senyawa
non Parafin

Metalik

Hidrat
Garam

Eutektik

OrganikOrganik

InorganikInorganik

Gambar 7 Klasifikasi PCM
Pada penelitian kali ini, material yang digunakan adalah lilin parafin
(Gambar 3). Lilin parafin terdiri dari campuran rantai lurus alkana yaitu CH3(CH2)n-CH3. Kristalisasi dari rantai (CH3)- melepaskan sejumlah besar panas
laten. Parafin memenuhi syarat sebagai panas bahan penyimpanan fusi karena
memiliki ketersediaan dalam berbagai suhu yang besar. Parafin secara
kimiawi memiliki sifat inert dan stabil di bawah 500oC, menunjukkan
perubahan volume yang sedikit pada saat mencair dan memiliki tekanan uap
yang rendah dalam bentuk lelehan. Pada Tabel 1 terdapat daftar sifat termal
dari beberapa jenis parafin.

Gambar 8 Lilin parafin
Tabel 1 Sifat fisik dari beberapa jenis parafin (Sukahatme 2001)
Parafin
6106
P116
5838
6035
6403
6499

Freezing point/range (oC)
42-44
45-48
48-50
58-60
62-64
66-68

Heat of fusion
(kJ/kg)
189
210
189
189
189
189

OrganikInorganik

11
Proses yang terjadi pada bahan PCM ada dua yaitu proses pengisian
(charging) dan proses pelepasan panas (discharging). Proses pengisian
(charging) yaitu proses penerimaan panas dari sumber panas ke bahan PCM
sebelum berubah fasa. Proses pelepasan panas (discharging) yaitu proses
pelepasan panas dari bahan PCM ke objek yang akan menerima panas.
Efisiensi selama proses charging dan discharging dapat dihitung dengan
persamaan:





Qch  mPCM .Cps  Tm  Tin _ ch , PCM   mPCM LPCM  mPCM Cpl  T fin, ch , PCM  Tm  (18)











Qdis  mPCM .Cpl  Tm  Tfin _ dis, PCM   mPCM LPCM  mPCM Cpl  Tin _ dis, PCM  Tm  (19)





Hasil Penelitian Tentang Penyimpanan Panas Laten
Rosa dan Zuhendry (2007) merancang kolektor surya plat datar untuk
pengeringan pasca panen dengan lilin sebagai material penyimpan panas
laten. Hasil pengujian yang diperoleh yaitu kapasitas penyimpan parafin ini
adalah 2525 kJ dengan lama pencairan pada saat temperatur bahan sama
dengan temperatur pencairannya adalah 3 jam 8 menit.
Bouadila et al (2013) melakukan pengujian terhadap pemanas udara
dengan bantuan energi surya dengan penyimpanan panas laten. Material
penyimpan panas yang digunakan adalah parafin yang dikemas dengan wadah
seperti kapsul. Pemanas udara menunjukkan nilai yang tidak seragam selama
proses discharging. Panas yang dihasilkan adalah 200 W/m2 selama 11 jam
pada waktu malam hari. Panas yang berguna dari penyimpanan panas ini
tidak terpengaruh oleh radiasi global selama proses charging. Efisiensi dari
penyimpanan panas yang dihasilkan adalah sekitar 32% sampai 45%.
C Thirugnanam dan Marimuthu (2013) melakukan analisis terhadap
penyimpanan panas laten menggunakan lilin parafin. Metode pengujian
adalah dengan membandingkan laju aliran massa dan suhu inlet fluida
dianggap konstan selama proses charging. Hasil pengujian adalah ketika laju
aliran massa diperbesar maka efisiensi yang dihasilkan semakin naik. Energi
yang diberikan air panas selama proses charging pada debit aliran 20 lph
(liter per hour) adalah 1276.3 kJ dan pada saat 15 lph adalah 737.7 kJ.
Jesumathy (2011) melakukan pengujian karakteristik pindah panas pada
penyimpanan panas laten dengan lilin parafin. Hal yang diperhatikan dalam
metode ini adalah distribusi suhu di tabung parafin selama proses charging
dan karakteristik dari lilin parafin yang digunakan. Hasil yang diperoleh
adalah lilin parafin merupakan material penyimpan panas laten yang baik
karena memiliki nilai panas laten yang tinggi yaitu 210 kJ/kg.
Zulfri dan Hamdani (2014) melakukan kaji eksperimental pemanfaatan
material penyimpan panas pada kolektor pemanas air surya. Material
penyimpan panas yang digunakan adalah lilin parafin. Hasil penelitian adalah
sitem pemanas yang dirancang mampu menaikkan suhu air sampai 60oC pada
kondisi cerah. Parafin dapat mempertahankan suhu air pada 40-45oC sampai
pukul 20:00 WIB.

12

METODE
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Februari 2014 sampai dengan
bulan Juni 2014. Tempat pelaksanaan penelitian ini adalah Laboratorium
Lapang Siswadhi Soepardjo Leuwikopo dan Laboratorium Energi dan
Elektrifikasi Pertanian.
Alat dan Bahan
Rincian alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Pembuatan kolektor surya plat datar
Alat : Las listrik, gergaji besi, gerinda tangan, gunting besi, tang rifet, bor
tangan.
Bahan :
1. Plat absober berupa plat aluminium lembaran tebal 0.5 mm, berukuran
1000 x 1500 mm.
2. Insulasi berupa glasswool jenis gulungan dengan tebal 10 mm dan
afmaflex (busa insulasi) jenis lembaran dengan tebal 25.4 mm. Bagian
kolektor yang diinsulasi dengan glasswool yaitu pada keliling kolektor
dengan tebal 20 mm, dan pada bagian bawah plat absorber yaitu
dengan tebal 50 mm. Bagian kolektor yang diinsulasi dengan afmaflex
adalah pada pengubung perekat cover dengan dinding kolektor.
3. Cover terbuat dari kaca es merk Indofigur tipe mislite FM5. Kaca yang
digunakan memiliki tebal 5 mm. Ukuran cover adalah 1000 x 1500 mm.
4. Rangka kolektor memiliki ukuran 1000 x 1500 x 1000 mm dengan
bahan berupa besi siku 40 x 40 mm.
5. Pipa tembaga dengan diameter 12.7 mm. Panjang total pipa tembaga
adalah 18000 mm.
2. Pembuatan tangki penyimpan panas
Alat : Seperangkat alat las karbit dan bor tangan.
Bahan :
1. Tangki terbuat dari kaleng aluminium dengan tinggi 300 mm dan
diameter 250 mm.
2. Penukar panas tipe koil terbuat dari pipa tembaga dengan diameter 12.7
mm. Diameter koil adalah 190 mm dengan tinggi koil adalah 200 mm.
3. Insulasi tangki terbuat dari afmaflex (busa insulasi) jenis lembaran
dengan tebal 25.4 mm.
4. Saluran inlet dan outlet kolektor terbuat dari napple plastik dengan
diameter adalah 110 mm. Di keliling saluran inlet dan outlet dari tangki
penyimpan panas dilapisi oleh lem kaca dan lem besi dextone agar
kehilangan panas diharapkan kecil.
5. Massa lilin parafin adalah 6 kg dan disusun mengitari penukar panas
tipe koil.

13
3. Pengujian Alat
Alat :
1. Perangkat komputer merk Sony Vaio tipe VPCEA25FG (windows os 7
dan microsoft office 2010) untuk proses pengolahan data.
2. Thermorecorder hybrid merk Yokogawa dan Autonics untuk
pembacaan data pada saat pengukuran suhu.
3. Themocouple tipe Chromel-Constantan (CC) merupakan sensor untuk
pengukuran suhu yang dihubungkan ke recorder.
4. Anemometer merk Kanomax untuk melakukan pengukuran kecepatan
angin.
5. Pyranometer model EKO tipe MS-401 untuk pengukuran iradiasi
matahari.
6. Multimeter digital model YEW tipe 2506A untuk pembacaan iradiasi
matahari yang dihubungkan ke pyranometer.
Tahapan Penelitian
1.

2.

3.
4.

5.
6.

7.

Tahapan penelitian dilakukan meliputi 7 tahapan yaitu :
Perumusan kriteria perancangan yang merupakan perancangan prinsip
kerja alat yang akan dirancang dengan penentuan kriteria dasar alat.
Pada penelitian dilakukan modifikasi pada bagian kolektor surya plat
datar pada penelitian sebelumnya yaitu Nitipraja 2008.
Perancangan terdiri dari perancangan fungsional dan struktural alat.
Rancangan fungsional untuk menentukan fungsi dari komponen utama
alat pengering dan rancangan struktural untuk menentukan bentuk dan
tata letak dari komponen utama.
Analisis teknik alat merupakan cara untuk penentuan dimensi dari
setiap komponen yang akan dirancang.
Gambar teknik diperlukan agar dapat memudahkan dalam proses
pabrikasi. Dalam gambar teknik harus memperhatikan dimensi dari alat
yang akan dirancang dan skala yang digunakan.
Pembuatan alat (pabrikasi) yaitu pembuatan model fisik dari hasil
penetuan kriteria perancangan, analisis teknik dan gambar teknik.
Uji kinerja alat bertujuan untuk mengetahui kinerja alat yang sudah
dirancang apakah sudah berfungsi sebagaimana yang diharapkan dan
untuk mengetahui efisiensi alat yang dirancang dan membandingkannya
dengan alat sebelum dimodifikasi. Pengujian alat terbagi menjadi dua
tahap yaitu uji pendahuluan untuk mengetahui apakah alat bisa
berfungsi dengan baik dan bisa digunakan. Jika pada pengujian
pendahuluan terdapat kerusakan pada alat maka dilakukan modifikasi
tetapi jika alat berfungsi dengan baik maka tidak perlu dilakukan
modifikasi.
Pengolahan data bertujuan untuk mengetahui secara analisis kinerja alat
dan membandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya. Diagram alir
prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 9.

14

Mulai

Data dan informasi
penunjang

Perumusan kriteria perancangan

Perancangan fungsional dan struktural alat

Analisis/perhitungan gambar teknik dan gambar kerja

Gambar teknik

Pembuatan alat

Uji fungsional dan uji pendahuluan
Tidak
Modifikasi

Berhasil ?

Ya
Uji kinerja fungsional dan struktural alat

Pengolahan data

Selesai
Gambar 9 Diagram alir tahapan penelitian
Tahapan penelitian secara lengkap akan dijelaskan pada bagian dibawah ini:
1. Perumusan Kriteria Perancangan
Metode penelitian yang digunakan adalah metode rekayasa (suatu
kegiatan rancang bangun) yang tidak rutin, sehingga di dalamnya terdapat
kontribusi baru, baik dalam bentuk proses maupun produk. Penelitian ini
merupakan modifikasi alat dari yang sudah diteliti sebelumnya yaitu
penelitian Nitipraja, 2008 dengan judul Rancangan Alat Pengering Dengan
Kolektor Surya Plat Datar Yang Menggunakan Air Sebagai Media

15
Penyimpanan Panas Laten Untuk Pengeringan Gabah. Alat yang dimodifikasi
pada penelitian ini adalah pada bagian kolektor surya plat datar dan
selebihnya menggunakan rancangan baru. Perbedaan konstruksi rancangan
sebelum dan sesudah modifikasi dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Perbedaan konstruksi kolektor surya sebelum dan sesudah modifikasi
Rancangan Awal
(mm)

Rancangan Modifikasi
(mm)

1500 x 1000
aluminium
0.5
Glasswool

1500 x 1000
aluminium
0.5
glasswool

50

50

-

20

Bahan sirip
Tebal sirip

stainless steel
0.5

aluminium
0.25

Insulasi pipa

Armaflex

isolasi pipa ac

12.7
22500
100

12.7
27000
40

Komponen
Ukuran kolektor
Bahan plat absober
Tebal plat absorber
Bahan insulasi
Tebal insulasi bawah kolektor
Tebal insulasi samping kolektor

Diameter pipa
Panjang pipa tembaga
Jarak antar pipa tembaga

Modifikasi dilakukan pada bagian insulasi samping kolektor, bahan
sirip, tebal sirip, insulasi pipa yang digunakan, jarak antar pipa tembaga
tempat aliran fluida. Proses modifikasi dilakukan diharapkan dapat
meningkatkan efisiensi. Penjelasan modifikasi alat akan dijelakan dibawah
ini.
1. Penambahan insulasi pada bagian samping kolektor diharapkan
kehilangan panas bagian samping kecil karena dari persamaan (12)
dilihat bahwa hubungan antara konduktifitas insulator dengan
kehilangan panas samping berbanding lurus. Jika insulasi yang
digunakan memiliki nilai konduktifitas panas yang kecil maka tebal
insulasi diperbesar agar kehilangan panas semakin kecil. Pada
rancangan modifikasi, insulator yang digunakan adalah glasswool
yang memiliki nilai konduktifitas termal 0.048 W/mC dan tebal
insulasi 0.02 m.
2. Modifikasi sirip adalah pada pemilihan bahan, tebal sirip. Pada
pemilihan bahan untuk sirip, bahan yang digunakan adalah
aluminium dengan tebal 0.00025 m sementara pada penelitian
sebelumnya menggunakan stainless steel. Pemilihan ini berdasarkan
nilai konduktifitas panas dari bahan. Nilai konduktifitas panas
aluminium lebih tinggi daripada stainless steel yaitu 205 W/mK

16
untuk aluminium dan 16 W/mK untuk stainless steel pada suhu yang
sama yaitu 25⁰C (sumber: http://www.engineeringtoolbox.com/).
Semakin besar nilai konduktifitas panas suatu bahan maka energi
yang dihasilkan akan semakin besar berdasarkan persamaan :
Q  k. Ap.T .
3. Tebal sirip berpengaruh terhadap besarnya energi yang disalurkan ke
pipa tembaga. Berdasarkan persamaan pada persamaan (17) semakin
besar konduktifitas sirip, semakin tipis tebal sirip dan semakin kecil
jarak antar pipa tembaga makan nilai efisiensi sirip yang dihasilkan
semakin kecil. Rancangan sebelum modifikasi, tebal sirip adalah 0.1
m dan jarak antar pipa tembaga adalah 0.1 m dan pada rancangan
setelah modifikasi adalah tebal sirip adalah 0.00025 m dan jarak
antar pipa tembaga adalah 0.04 m.
4. Insulasi pipa yang digunakan sebelum modifikasi adalah armaflex
dengan nilai konduktifitas 0.0369 W/mK pada 37⁰C (sumber:
http://www.armacell.com/) dan nilai konduktifitas insolasi pipa AC
adalah 0.034 W/mK pada 40⁰C (sumber: http://www.toilon.co.id/).
Dalam pemilihan insulasi sebaiknya memilih pipa dengan nilai
konduktiftas panas yang besar agar kehilangan panas bisa lebih
kecil.
Penentuan kriteria perancangan ditentukan berdasarkan prinsip kerja
alat yang akan dibuat, dilakukan dengan menentukan kriteria dasar alat
pengering. Skema dari alat pengering yang dirancang dapat dilihat pada
Gambar 10 dan Gambar 11.

Gambar 10 Skema rancangan alat pada siang hari (proses charging)

17

Gambar 11 Skema rancangan pada malam hari (proses discharging)
Keterangan gambar :
A : Pompa air
B : Kolektor surya plat datar
C : Tangki penyimpanan lilin parafin

F : Tangki air
G : Blower
H : Radiator

D : Lilin parafin

I : Ruang pengering

E : Penukar panas

J : Saluran bypass

Gambar 10 memperlihatkan cara kerja dari sistem pengering dengan
kolektor surya plat datar. Cara kerja alat tersebut adalah ketika sinar matahari
mengenai kolektor surya plat datar maka air yang berada di dalam tangki plat
absorber akan dipanaskan oleh panas matahari yang terperangkap di dalam
kolektor. Fluida akan bersirkulasi dari bak penampungan air ke kolektor dan
tangki penyimpanan lilin parafin dan penukar panas dengan bantuan dari
pompa. Fluida yang sudah dipanaskan oleh sinar matahari akan dialirkan ke
dalam tangki penyimpanan yang berisi parafin dengan pipa keluaran dari
kolektor masuk ke tangki melalui heat exchanger tipe koil. Dengan bantuan
penukar panas tersebut, maka fluida panas akan melepaskan panas ke parafin.
Parafin yang menerima panas dari penukar tersebut akan mencair dan panas
dari parafin akan dimanfaatkan sewaktu malam hari. Setelah melewati tangki
penyimpanan, air akan dialirkan ke radiator dan kemudian akan mengalirkan
panas ke ruang plenum dibantu dengan blower. Panas yang berada di ruang
plenum akan dialirkan ke ruang pengering yang berisi gabah.

18
Pada Gambar 11 memperlihatkan sistem ketika proses discharging.
Pada percobaan ini, indikator proses discharging adalah ketika radiasi
matahari sudah menurun sehingga kolektor tidak menerima panas dari
lingkungan melainkan melepaskan panas ke lingkungan dan ketika suhu
parafin menurun setelah mencapai suhu maksimal. Pada bagian bawah
kolektor terdapat saluran bypass yaitu saluran yang menghubungkan pompa
langsung ke tangki penyimpan parafin agar panas sensibel yang dikandung air
bisa langsung ditransfer ke parafin sehingga kehilangan energi yang terjadi
bisa diperkecil. Cara kerjanya adalah ketika waktu discharging dimulai, keran
saluran dari pompa ke inlet kolektor ditutup dan saluran dari pompa langsung
ke tangki parafin dibuka (saluran bypass). Dari saluran bypass, air akan
masuk ke tangki parafin. Dari tangki parafin, air masuk ke dalam radiator dan
dengan bantuan dari blower maka udara panas dari air akan dihembuskan ke
dalam ruang pengering.
2. Perancangan
Perancangan meliputi rancangan fungsional untuk menentukan fungsi
dari komponen utama alat pengering dan rancangan struktural untuk
menentukan bentuk dan tata letak dari komponen utama.
1) Rancangan Fungsional Alat
Setiap alat pasti mempunyai banyak komponen yang
menyusunnya. Komponen utama yang dimaksud adalah komponen
yang jika tidak ada maka fungsi alat menjadi terganggu secara
keseluruhan. Komponen utama ini merupakan dasar dari tujuan
dibuatnya alat atau mesin tersebut. Dalam hal ini, rancangan
fungsional alat terdiri dari :
a. Kolektor Surya
Kolektor surya berfungsi untuk memerangkap panas dari sinar
matahari. Kolektor surya dilengkapi dengan absorber dan
tembaga untuk menyerap panas dan mengkondisikan ke tabung
penyimpanan panas.
b. Radiator dan Heat Exchanger
Radiator dan heat exchanger digunakan sebagai penukar
panas. Radiator diletakkan di samping ruang plenum sementara
heat exchanger diletakkan di dalam tangki parafin.
c. Ruang Pengering
Ruang pengering berfungsi sebagai tempat pengeringan proses
pengeringan komoditas.
d. Tangki penyimpanan lilin parafin
Tangki penyimpanan panas laten berfungsi sebagai tempat lilin
parafin dan heat exchanger yang akan menghasilkan dan
menyimpan panas yang kemudian akan dialirkan ke dalam ruang
pengering.
e. Tangki penampungan air
Tangki penampungan air berfungsi untuk menyimpan air yang
akan disalurkan ke kolektor surya dan ke tangki penyimpanan
lilin parafin.

19
2) Rancangan Struktural Alat
Rancangan struktural merupakan hal yang penting dalam
perancangan. Rancangan struktural merupakan perwujudan dari
sketsa yang telah dipilih untuk melaksanakan fungsi yang dimaksud
pada rancangan fungsional. Rancangan struktural pada penelitian ini
adalah :
a. Kolektor Surya
Kolektor surya terletak pada bagian atas ruang pengering
dengan sudut yang bisa diubah ubah sesuai arah datang radiasi
matahari. Prinsip kerjanya adalah radiasi matahari mengenai
permukaan kolektor, terjadi pemerangkapan panas. Plat hitam
(absorber) menyerap panas dan mengkondisikan ke pipa tembaga
yang berisi air kemudian air akan dialirkan ke dalam radiator
dengan bantuan pompa air. Kolektor surya plat datar terdiri dari
beberapa komponen penyusun antara lain penutup transparan
yang akan digunakan untuk menahan panas yang sudah ditangkap
oleh plat absorber agar tidak keluar ke lingkungan, insulasi
digunakan agar panas yang sudah diserap tidak menghilang
dengan cepat ke lingkungan, dan terdapat juga pipa sebagi tempat
mengalirnya fluida.
b. Radiator dan Heat Exhanger
Penukar panas pada sistem ini terdapat dua buah yaitu pada
tangki penyimpanan panas dan pada bagian luar tangki
penyimpanan panas yang akan terhubung ke ruang plenum pada
ruang pengering. Penukar panas pada tangki penyimpanan
merupakan penukar panas tipe koil. Penukar panas tipe koil ini
digunakan untuk mengalirkan panas dari air yang telah
dipanaskan oleh kolektor surya untuk melelehkan parafin (pada
siang hari) dan mengambil panas dari tangki penyimpanan untuk
dialirkan ke radiator (pada malam hari). Penukar panas yang
berada di samping ruang pengering adalah tipe radiator yang
dilengkapi dengan kipas. Kipas ditempelkan pada salah satu sisi
radiator, dengan harapan panas yang berpindah dari air ke radiator
bisa terhisap semua oleh blower.
c. Ruang Pengering
Ruang pengering merupakan tempat meletakkan komoditi
yang akan dikeringkan dan ruang plenum. Bahan yang akan
dikeringkan dimasukkan secara curah. Posisi dari kotak pengering
berada di samping radiator, panas yang diperoleh dari penukar
panas dihisap oleh blower dan dialirkan ke dalam ruang plenum
pada bagian bawah kotak pengering untuk selanjutnya digunakan
untuk proses pengeringan.
d. Tangki Penyimpanan Panas
Tangki penyimpanan panas merupakan tempat yang berisi lilin
parafin. dan penukar panas tipe koil yang terbuat dari pipa
tembaga.

20
e. Tangki Penampungan Air
Bak penampungan terbuat dari kaleng lalu diletakkan di dalam
tempat plastik dan disekeliling kaleng diisi glasswool sebagai
insulasi.
3. Analisis Teknik
Pada setiap rancangan diperlukan adanya analisis teknik. Analisis
teknik pada penelitian ini merupakan metode yang akan digunakan dalam
penentuan dimensi dari setiap komponen yang akan dirancang. Dengan
adanya analisis teknik maka memperkuat argumen dalam menentukan
dimensi yang akan digunakan. Pada rancangan kali ini analisis teknik
diperlukan dalam hal penentuan dimensi kolektor surya plat datar, energi
berguna dari kolektor, laju aliran massa udara, efisiensi kolektor surya dan
energi berguna pada lilin parafin selam proses penerimaan (charge) dan
pelepasan (discharge) panas.
Penentuan dimensi kolektor surya sama seperti diagram alir pada
Gambar 13 tetapi nilai US menggunakan persamaan (12) dan UB
menggunakan persamaan (11) dan rumus selain US dan UB sama seperti yang
disajikan pada Gambar 13. Energi berguna dari kolektor dapat dihitung
menggunakan persamaan (13). Laju aliran massa udara diperlukan dalam
proses pengeringan karena dengan mengetahui laju aliran udara maka dapat
menentukan kecepatan kipas yang akan digunakan dalam proses pengeringan.
Laju aliran udara dapat ditentukan dengan mengikuti diagram alir yang
terdapat pada Gambar 12. Efisiensi kolektor surya dapat dihitung dengan
mengikuti tahapan pada diagram alir yang terdapat pada Gambar 13.
Proses transfer panas yang terjadi pada parafin dibagi menjadi dua
proses yaitu proses penerimaan dan pelepasan panas. Untuk menghitung total
energi yang dihasilkan parafin selama proses pengisian dan pelepasan panas
dapat menggunakan persamaan (18) dan (19).

21

Kadar air awal (KAo) dan Kadar air akhir (KA1) gabah

Massa air akhir (gr air) = massa air KA1.

Penentuan suhu dan humidity ratio (H) dari suhu udara pengering, suhu udara
lingkungan dan suhu outlet

ΔH (kg/kg udara kering) = H suhu keluaran ruang pengering – H suhu lingkungan

Kehilangan air (kg air) = massa air KAo – massa air KA1

Gambar 12 Diagram alir penentuan laju aliran massa udara dalam proses pengeringan

22

Efisiensi kolektor surya

hw = 5.7 + 3.8 v

UB 

 Tbawahcov er  Tbawahkolektor
Ak
1

1  Tbawahcov er  Tlingkungan
k b t1

k1 hb










As  1   Tbawahcov er  Tbawahkolektor
.
.
Us 
1   Tbawahcov er  Tlingkungan
AK  t s
 

 k hw 






f = (1+ 0.089hw – 0.1166hw p) (1+0.07866N)

B

A

2 N  f  0.133 p

g

 (T fi  Ta )(T fi  Ta ) 2
( p  0.00591.N .hw) 1  B  N

C = 520(1-0.000051 2)

E = 0.43(1-100/Tfi)




UT  A  
C
 T fi


N
 T fi  Ta 


 N f 

a

E



1 

hw 




1

23

a

UL = UB + US + UT

F'