51
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Pengujian
Jumlah energi panas untuk menaikkan temperatur air q
A
dapat dihitung. Dimana laju aliran air yang melewati pipa-pipa penukar panas adalah 400
mlmenit atau 0,0004 m
3
menit berdasarkan pengukuran yang dilakukan dengan cara pengukuran menggunakan bejana ukur. Pada tanggal 20 April 2016,
temperatur rata-rata antara air sebelum masuk dan keluar pipa ̅
A
= 41,86+30.622 = 36,24
o
C maka dari lampiran 2 diperoleh sifat-sifat air
A
= 993,169 kgm
3
Sedangkan massa air m
A
pada menit pertama adalah: ṁ
A
=
A
× Q
A
= 993,169 × 0,0004 = 0,397 kgmenit
Temperatur air masuk dan air keluar dapat diketahui berdasarkan pengukuran yang dilakukan pada titik pipa masuk kolektor dan pipa keluar
kolektor sehingga alat agilent dapat membaca berapa temperatur air dari titik-titik yang telah ditentukan.
4.1.1. BentukKolektor Surya
Kolektor surya pada rancang bangun ini adalah tipe plat datar. Panjang dari pada kolektor surya ini adalah 1,5 m dengan lebar 0,64m. Berikut ini adalah
gambar detail kolektor surya beserta ukurannya [dalam mm].
Gambar 4.1 Dimensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis
Universitas Sumatera Utara
52
Kolektor surya terdiri atas 4 lapisan yaitu kayu, sterofoam, rockwoll dan plat alumunium.
Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan K
aluminium
= 237 Wm.K K
sterofoam
= 0,036 Wm.K K
kayu
= 0,140 Wm.K K
glass
= 1,3Wm.K K
rockwoll
= 0,042 Wm.K K
tembaga
= 0,19 Wm.K
Berikut dimensi dari kolektor surya : Keterangan : A=Luas; p=panjang; l=lebar; t=tebal
A
1
= p
1
x l
1
= 1,5 m x 0,169 m = 0.2535 m
2
A
2
= p
2
x l
2
= 1,5 m x 0,160 m = 0.240 m
2
A
3
= p
3
x l
3
= 1,5 m x 0,110 m = 0.165 m
2
A
4
= p
4
x l
4
= 1,5 m x 0,050 m = 0.075 m
2
A
5
= p
5
x l
5
= 1,5 m x 0,51 m =0.765 m
2
A
6
= p
6
x l
6
= 1,5 m x 0,55 m = 0.825 m
2
A
7
= p
7
x l
7
= 1,5 m x 0,60 m = 0.90 m
2
A
8
= p
8
x l
8
= 1,5 m x 0,64 m = 0.96 m
2
t
1
= t
8
= 7 mm t
2
= t
7
= 50 mm t
3
= t
6
= 60 mm t
4
= t
5
= 0,3 mm
4.2. Perhitungan dan Hasil Data untuk Kaca Satu Lapis
Pada penelitian ini, perhitungan dan hasil data diperoleh dari pengujian alat yang dilakukan pada tanggal 20 April 2016 saat kondisi matahari cerah.
4.2.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari Solar Radiation
Intensitas radiasi matahari diukur dengan menggunakan alat ukur sensor radiasi yaitu pyranometer yang terdapat pada Hobo Micro Station Data Logger.
Alat ukur ini berada di Laboratorium Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Universitas Sumatera Utara
53
Berikut data hasil pengukuran Hobo terhadap Intensitas Radiasi Matahari pada tanggal 20 April 2016.
Tabel data Intensitas radiasi pada setiap menitnya dapat dilihat pada lampiran 4.
Berikut adalah grafik Intensitas matahari tanggal 20 April 2016, pada gambar 4.2.
\ Gambar 4.2 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016
Radiasi maksimum intensitas radiasi matahari pada tanggal 20 April 2016 dari pukul 09.00 WIB
– 17.00 WIB adalah 833,1 Wm
2
.
4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya
Perhitungan panas pada kolektor surya dilakukan setiap menit. Untuk perhitungan pada laporan ini digunakan data pengujian pada hari ke lima
pengujian, yaitu pada tanggal 20 April 2016 saat intensitas radiasi matahari yaitu pukul 12.35 WIB. Temperatur permukaan plat, permukaan kaca dan dalam
kolektor diperoleh dari data Agilent, sedangkan temperatur lingkungan dan intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo.
Berikut data suhu dan Intensitas Radiasi Matahari pada tanggal 20 April 2016 pukul 12.35 WIB.
Universitas Sumatera Utara
54
Tabel 4.3 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016
Waktu Suhu
C Intensitas
Matahari Wm
2
Plat Ruang
Kolektor Kaca
Kayu Lingkungan
12.
35
71,64 57,97
47,97 38,36
35,91 833,1
4.2.3. Menghitung Koefisien Konveksi
a. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar h
1
Koefisien konveksi permukaan luar adalah koefisen konveksi antara udara lingkungan terhadap permukaan kayu, h
1
koefisien konveksi natural Temperatur Lingkungan T
r
vs Temperatur Permukaan Kaca T
s
Temperatur Lingkungan T
L
= 35,91 C
= 308,91K Temperatur Kayu T
k
= 38,36 C
= 311,36K Temperatur Film T
f
= 37,14 C
= 310,14K
Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 310,14 K, pada lampiran 1. T
f
K kgm
3
Cp Jkg.K
x 10
-5
N.sm
2
k x 10
-2
Wm.K x 10
-5
m
2
s Pr
310,14 1,127664
1,007.405 1,893846
2,705013 2,400027 0,705580 Menghitung bilangan Grashoff G
rL
= massa jenis udara = 1,127664 kgm
3
g = gravitasi = 9,81 ms
2
= kemiringan kolektor = 0
= koefisien udara =
= 0,003237K L = panjang kolektor
= 1,5 m = viskositas udara
= 1,886988 Nsm
2
Universitas Sumatera Utara
55
Maka :
⁄
G
rL
= 0,93 x 10
9
Menghitung bilangan Rayleigh R
aL
Ra
L
= G
rL
x Pr Ra
L
= Bilangan Rayleigh Gr
L
= Bilangan Grashoff Pr = Bilangan Prandt
Maka : Ra
L
= 0,93 x 10
9
x 0,705580 = 0,66 x 10
9
Menghitung bilangan Nusselt Nu Nu
= 0,59 Ra
L 0,25
untuk 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
Nu = 0,1 Ra
L 13
untuk 10
9
≤ Ra
L
≤ 10
13
Nu = bilangan Nusselt
Ra
L
= bilangan Rayleigh Karena Ra
L
diantara 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
, maka besarnya bilangan Nusselt adalah Nu
x
= 0,59 Ra
L 0,25
= 0,59 x 0,66 x 10
9 0,25
= 94,665 Menghitung koefisien konveksi h
1
Nu
x
= atau h
1
= Nu
x
= bilangan Nusselt l = lebar penampang kayu = 0,64 m
k = konduktivitas termal udara = 2,705013x 10
-2
Wmk maka :
h
1
= = 3,985 Wm
2
K
Universitas Sumatera Utara
56
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
= 57,97 C
= 330,97 K Temperatur plat absorber T
p
= 63,95 C
= 336,95 K Temperatur Film T
f
= 60,96 C
= 333,96 K
Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 333,96 K, pada lampiran 1. T
f
K kgm
3
Cp Jkg.K
x 10
-3
N.sm
2
k x 10
-2
Wm.K x 10
-5
m
2
s Pr
333,96 1,048376
1008,39 2,010811
2,888390 2,766779 0,695245 Menghitung bilangan Grashoff G
rL
= massa jenis udara = 1,048376 kgm
3
g = gravitasi = 9,81 ms
2
= kemiringan kolektor = 0
= koefisien udara =
= 0,00302K L = panjang kolektor
= 1.5 m = viskositas udara
= 2,010811 Nsm
2
Maka :
G
rL
= 1,62 x 10
9
Menghitung bilangan Raykeight R
aL
Ra
L
= G
rL
x Pr Ra
L
= Bilangan Rayleigh Gr
L
= Bilangan Grashoff Pr = Bilangan Prandt
Universitas Sumatera Utara
57
Maka : Ra
L
=1,62 x 10
9
x 0,695245 = 1,13 x 10
9
Menghitung bilangan Nusselt Nu Nu
= 0,59 Ra
L 0,25
untuk 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
Nu = 0,1 Ra
L 13
untuk 10
9
≤ Ra
L
≤ 10
13
Nu = bilangan Nusselt
Ra
L
= bilangan Rayleigh Karena Ra
L
diantara 10
4
≤ Ra
L
≤ 10
9
, maka besarnya bilangan Nusselt adalah Nu
x
= 0,1 Ra
L 13
= 0,1 x 1,13 x 10
9 0,333
= 103,458 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 = 2,888390 x10
-2
Wmk maka :
h
2
= = 59,765 Wm
2
K
4.2.4. Menghitung Kehilangan Panas
1. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Dinding Q
1
Q
1
= U
d
.AT
u
– T
L
=
U
d
= koefesien pindahan panas menyeluruh pada dinding h
1
= koefesien konveksi permukaan luar Wm
2
.K h
2
= koefisien konveksi permukaan dalam Wm
2
.K T
u
= temperatur udara dalam kolektor K
Universitas Sumatera Utara
58
T
L
= temperatur lingkungan K 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 4.3 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor
= 0,197238 KW
= 5.787037 KW
= 8,658008 KW
Universitas Sumatera Utara
59
= 0,00001688KW
= 0,223093 KW
Maka : Q
1
= = 1,39 Watt x 2 = 2,78 Watt
Kehilangan panas pada sisi dinding lainnya, A
1.1
= luas penampang kayu pada sisi dinding m
2
A
2.1
= luas penampang sterofoam pada sisi dinding m
2
A
3.1
= luas penampang rockwoll pada sisi dinding m
2
A
4.1
= luas penampang plat absorber pada sisi dinding m
2
Q
1
= U
d
.AT
u
– T
L
=
Q
b
= = 0,590 x 2 = 1,181 Watt
Jadi total kehilangan panas pada sisi dinding Q
1
= 2,78 + 1,489 = 3,964 Watt
2. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas Q
2
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
Universitas Sumatera Utara
60
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 penumpang 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
=
0,052083 KW
=
1.543209 KW
=
1,731601 KW
=
0,00000165 KW
= 0,021872 KW
Maka : Q
2
= = 5,319` Watt
Universitas Sumatera Utara
61
3. Menghitung Kehilangan Panas pada kacaCover Q
3
Berikut adalah disain dari kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis, pada gambar 4.4.
Gambar 4.4 Dimensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis Q
3
=U
a
.AT
p
-T
r
Ua =
{ }
+
Ua = koefisien pindahan panas menyeluruh pada kaca cover
N = jumlah kacacover = 1 lembar
β = sudut kemiringan kolektor = 0
σ = konstanta Stefan-Boltzman = 5,67 x 10
-8
Wm.K
4
C = 5201
– 0,000051.β
2
untuk 0 ≤ β ≤ 70
= 520 e
= 0,43 1 – 100Tu = 0,300078
εk = emisivitas kaca = 0,88
εp = emisivitas plat = 0,97
hw = koefisien perpindahan kalor konveksi = 2,8 + 3w = 13 Wm
2
. C
f = 1 + 0,089hw
– 0,1166hw. εp1 + 0,07866N = 0,806 A
= luas permukaan kaca = 0,96 m
2
Tu = temperatur udara dalam kolektor
o
C Tr
= temperatur lingkungan
o
C Tp
= temperature plat absorber
o
C
a =
{
⁄
}
Universitas Sumatera Utara
62
= 1,2342Wm
2
. C
b =
= 4,0352Wm
2
. C
Ua = a + b = 5,269Wm
2
. C
maka: Q
3
= 5,005 Wm
2
. C x 0,96 m
2
x 71,64 C
–35,91 C
= 180,75 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
= 3,964 + 5,31 + 180,75 = 190,032 Watt
4.2.5. Menghitung Energi yang Sampai ke kolektor Kaca Satu Lapis Energi yang sampai pada kolektor dapat dihitung dengan menggunakan
rumus:
2 1
Idt A
Q
incident
Dimana: A
: Luas penampang dari pelat absorber m
2
: 0,96 m
2
Penelitian dimulai pukul 09.00 WIB pada intensitas awal 421 Wm
2
dan intensitas tertinggi 833 Wm
2
pada pukul 12.35 WIB. Dengan memperhatikan grafik intensitas matahari yang terjadi pada saat penelitian ini ditunjukkan pada
Universitas Sumatera Utara
63
Gambar 4.12, maka dapat kita hitung besarnya energi berguna kolektor Alat pemanas air tenaga surya.
Dengan memperhatikan grafik intensitas matahari yang terjadi saat penelitian ini maka dapat kita hitung besarnya energi yang sampai pada solar
kolektor pemanas air laut sebagai berikut:
Gambar 4.5 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu, Tanggal 20 April 2016 Untuk menyelesaikan persamaan:
2 1
Idt A
Q
incident
Harga
2 1
Idt
dapat dihitung dari luas dibawah kurva dengan menggunakan metode trapesium. Dimana setiap 1 menit 60 detik kita menghitung luas dibawah kurva
dengan menggunakan rumus sebagai berikut: X
y y
L
2
1 1
Maka:
60 2
60 ,
420 90
, 421
1
L
2 1
Joulem 25.275
L
Sehingga luas dibawah kurva dalam 1 satu menit adalah 25.275 Joulem
2
.
Universitas Sumatera Utara
64
Karena air telah mencapai temperatur maksimum pada pukul 12.35 WIB, dengan menggunakan bantuan MS Excel, maka besarnya luas di bawah kurva di dapat
sebagai berikut:
6.883.593.
L
Sehingga energi yang sampai pada kolektor adalah:
6.883.593 6x
9 ,
incident
Q kJ
Q
incident
6608,249
4.2.6 Energi yang Diserap oleh Air
Energi ini dapat di hitung dengan menggunakan rumus:
1 2
w w
pw w
u
T T
C m
Q
Dimana:
m
w
= Massa air kg = 20 kg
C
p.w
= Panas jenis dari air laut kJkg.
C = 4,18 kJkg C
Tw
1
= Temperatur awal air sebelum dipanaskan oleh kolektor
C = 30,74 C
Tw
2
= Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor
C = 47,08 C
Maka: 74
, 30
27 ,
51 18
, 4
20
x
Qu
kJ 1715,639
4.2.7 Efisiensi dari Kolektor Kaca Satu Lapis
Efisiensi kolektor untuk memanaskan air dengan menggunakan air sirkulasi dapat dihitung sebagai berikut:
incident u
Q Q
6608,249 024
, 1366
100
26 ,
x
26
Universitas Sumatera Utara
65
Berikut grafiik efisiensi dari perhitungan efisiensi kolektor surya kaca satu lapis permenitnya dengan bantuan Ms. Excel dapat dilihat pada lampiran 6.
Gambar 4.6. Grafik Efisiensi Kolektor Surya Kaca satu lapis Vs Qu
4.3. Perhitungan dan Hasil Data untuk Kolektor Kaca Berlapis
Kategori