TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

  

EFEK PENGAMPLASAN DENGAN SERBUK KARBON

TERHADAP

KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA THERMAL

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh:

  Nama : ANTONIUS DONY CAHYADI NIM : 025214001

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

THE EFFECT OF GRINDING AND CARBON POWDERING

ON THERMAL COLLECTOR PROPERTIES

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

by

  

ANTONIUS DONY CAHYADI

Student Number : 025214001

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta,

  5 Oktober 2007 Penulis Antonius Dony Cahyadi

  

INTISARI

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh pengamplasan dan

serbuk karbon dengan variasi waktu dan kekasaran amplas, terhadap absorptivitas dan

emisivitas suatu bahan. Bahan yang dipakai adalah pelat aluminium dengan tebal 2

mm.

  Dalam pembuatan spesimen ada 6 variasi waktu dan pengamplasan yaitu :

variasi A pengamplasan pelat aluminium menggunakan amplas ukuran 1500. Variasi

B pengamplasan pelat aluminium menggunakan amplas ukuran 2000. Untuk setiap

variasi ukuran amplas dibagi lagi pengerjaannya berdasarkan waktu pengamplasan,

yaitu : 10 menit, 20 menit, dan 30 menit. Setelah dilakukan pengamplasan, kemudian

dilakukan pengujian radiasi untuk mengetahui besar absorptivitas surya dan

emisivitas termal serta suhu yang diserap oleh aluminium yang telah mengalami

pengamplasan

  Dari pengujian absorptivitas dan emisivitas dengan metode mekanik

(permukaan dihaluskan dengan cara diamplas) dapat meningkatkan absorptivitas 7 -

9 kali lipat, emisivitas juga meningkat 2 - 4 kali lipat serta kenaikan suhu yang

diserap benda uji 7 ºC - 12 ºC. Dalam pengujian ini semakin lama waktu

pengamplasan tidak berpengaruh secara signifikan tehadap besar kecilnya nilai

absorptivitas dan emisivitas serta suhu yang diserap benda uji.

  Kata kunci : absorptivitas, emisivitas, amplas.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan bagi Dia Nama diatas segala nama dan Raja

diatas segala raja, Yesus Kristus yang telah memberikan kasih karunianya yang besar,

yang senantiasa selalu menuntun langkah demi langkah hingga akhirnya penulis

dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang merupakan salah satu syarat yang harus

ditempuh untuk memperoleh gelar sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih atas

segala bantuan yang berupa moril maupun materiil dari semua pihak terutama

kepada: 1.

  Romo Ir. Greg. Heliarko SJ.,S.S.,B.S.T.,M.A.,M.Sc., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Bapak Budi Setyahandana, S.T., M.T., Dosen Pembimbing yang telah membimbing dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

  3. Laboran Laboratorium Teknologi Mekanik dan Laboratorium Perpindahan Panas Universitas Sanata Dharma yang telah membantu penelitian penulis.

  4. Segenap dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin FST-USD yang telah membantu dan selalu membimbing dalam masa-masa kuliah.

  5. Kedua orang tuaku yang sangat kusayangi, ayahanda (Sukamta Y.B.) dan ibunda (Srini M.M) terima kasih untuk semuanya.

  6. Buat kedua adikku Irene dan Vivi, kakak-kakakku, Mas Anto, Mas Eko, Tiada kata yang bisa penulis ucapkan selain terima kasih dan semoga Tuhan selalu memberkati dan membalas segala kebaikan anda semua.

  

Demikian usaha yang telah penulis lakukan sudah semaksimal mungkin,

namun penulis menyadari bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu dengan terbuka dan senang hati menerima saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kemajuan yang akan datang.

  

Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat berguna dan memberikan wawasan

lebih tentang ilmu pengetahuan dan teknologi bagi semua pembaca.

  Yogyakarta,

  5 Oktober 2007 Penulis

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Pengaruh Radiasi Datang .............................................................. 9Gambar 2.2. Refleksi Spekular dan Refleksi Baur ............................................ 10Gambar 2.3. Sudut Azimut dan Sudut Polar ...................................................... 11Gambar 2.4. Bagian-bagian Kolektor surya Termal .......................................... 12Gambar 3.1. Bentuk Spesimen Benda Uji ......................................................... 32Gambar 3.2. Peletakkan Benda Uji .................................................................... 33Gambar 3.3. Mesin Amplas M-2500 ................................................................. 33Gambar 3.4. Alat Penguji Absorptivitas ............................................................ 36Gambar 3.5. Pemasangan Spesimen .................................................................. 37Gambar 3.6. Panel Indikator .............................................................................. 39Gambar 3.7. Pemasangan Spesimen ................................................................. 41Gambar 4.1. Diagram pengaruh pengamplasan pada absorptivitas ................... 45Gambar 4.2. Diagram pengaruh pengamplasan pada emisivitas ....................... 49Gambar 4.3. Diagram pengaruh pengamplasan pada suhu yang diserap........... 49Gambar 4.4. Diagram pengaruh pengamplasan pada suhu yang diserap........... 50Gambar 4.5. Foto Permukaan Aluminium Pengamplasan 1500 + karbon......... 54Gambar 4.6. Foto Permukaan Aluminium Pengamplasan 2000 + karbon......... 54

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Sifat-sifat fisik Aluminium .............................................................. 22Tabel 2.2. Sifat-sifat mekanik Aluminium......................................................... 30Tabel 4.1. Data Pengujian Absorptivitas Surya Material Awal ......................... 42Tabel 4.2. Data Pengujian Absorptivitas Surya Dicat Hitam ............................ 42Tabel 4.3. Data Pengujian Absorptivitas Surya Amplas 1500 + karbon .......... 42Tabel 4.4. Data Pengujian Absorptivitas Surya Amplas 2000 + karbon .......... 43Tabel 4.5. Data Pengujian Emisivitas Termal Material Awal ........................... 45Tabel 4.6. Data Pengujian Emisivitas Termal Dicat Hitam ............................... 46Tabel 4.7. Data Pengujian Emisivitas Termal Amplas 1500 + Karbon ............. 46Tabel 4.8. Data Pengujian Emisivitas Termal Amplas 2000 + Karbon ............. 47Tabel 4.9. Data Hasil Pengujian Dengan Sinar Matahari .................................. 50 Tabel 4.10Data Hasil Pengujian Dengan Sinar Halogen ................................... 52

  DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL.................................................................................... i

HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING ........................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI DAN DEKAN............................ iv

HALAMAN PERNYATAAN ..................................................................... v

  

INTISARI..................................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ................................................................................. vii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... ix

DAFTAR TABEL........................................................................................ x

DAFTAR ISI................................................................................................ xi

BAB I PENDAHULUAN.....................................................................

  1 1.1.

  1 Latar Belakang ...................................................................

  1.2.

  3 Batasan Masalah.................................................................

  1.3.

  4 Tujuan penelitian................................................................

  1.4.

  4 Cara Penelitian ...................................................................

  1.5.

  5 Sisematika Penulisan..........................................................

  BAB II DASAR TEORI.........................................................................

  6

  2.2.

  7 Perpindahan Kalor..............................................................

  

2.2.1. Perpindahan Kalor Konduksi ....................................

  7

2.2.2. Perpindahan Kalor Konveksi ....................................

  8

2.2.3. Perpindahan Kalor Radiasi........................................

  8 2.3. Pelat Absorber ....................................................................

  14

2.3.1. Sifat-sifat Pelat Absorber ..........................................

  14

2.3.2. Pembuatan Permukaan Selektif.................................

  15

2.3.3. Bahan Pelat Absorber................................................

  17 2.4. Aluminium..........................................................................

  17

2.4.1. Sifat-sifat Aluminium................................................

  20

2.4.2. Pengaruh Unsur-unsur Logam Paduan Aluminium ..

  22 2.5. Bahan Abrasif.....................................................................

  24

  2.5.1. Amplas (Sandpaper) ................................................. 24

  2.5.2. Karbon....................................................................... 28 BAB III METODE PENELITIAN ..........................................................

  30 3.1. Skema Penelitian ................................................................

  30 3.2. Cara Penelitian ...................................................................

  31 3.3. Proses Pembuatan Benda Uji .............................................

  32 3.4. Proses Pengamplasan .........................................................

  32 3.5. Amplas................................................................................

  34 3.6. Pengujian Bahan.................................................................

  35

  

3.6.2. Pengujian Emisivitas Termal ....................................

  37

3.6.3. Pengujian Sinar Matahari ..........................................

  40 BAB IV DATA PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .........................

  42 4.1. Analisis Pengujian Absorptivitas .......................................

  42 4.2. Analisis Pengujian Emisivitas ............................................

  45 4.3. Analisis Pengujian Dengan Sinar Matahari........................

  49 BAB V KESIMPULAN DAN PENUTUP.............................................

  56 5.1. Kesimpulan.........................................................................

  56 5.2. Penutup ...............................................................................

  57 5.3. Saran ...................................................................................

  57 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................

  58

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Energi merupakan salah satu faktor pendukung kehidupan manusia yang paling vital karena tanpa adanya energi semua aspek kehidupan di muka bumi ini tidak akan tercipta. Energi yang paling banyak digunakan terutama dalam hal teknologi sekarang ini adalah energi yang tidak dapat diperbaharui yang sewaktu-waktu dapat habis, misalnya energi yang dihasilkan dari minyak bumi, gas, batu bara, dan lain-lain. Seiring perkembangan jaman dan pertumbuhan jumlah penduduk yang sangat pesat maka kebutuhan akan energi semakin banyak pula dan itu memaksa untuk menggali dan mengambil energi dari perut bumi secara besar- besaran. Sementara jumlah energi yang ada di dasar perut bumi ini kian hari berkurang dan tidak menutup kemungkinan akan habis.

  Melihat keadaan tersebut, manusia dituntut berpikir dan bertindak untuk mengatasi masalah energi dengan menemukan berbagai macam inovasi dan penemuan. Ada berbagai macam cara untuk menindaklanjuti keadaan tersebut, yaitu dengan memanfaatkan sumber daya alam sebagai pengganti minyak bumi yang sebenarnya ada di sekitar kita, contohnya : energi surya, energi gelombang, energi angin, energi air, biogas dan lain sebagainya. Dilihat dari letak geografisnya, Indonesia berada pada garis memilih salah satu energi alternatif yang cocok untuk digunakan yaitu menggunakan energi surya. Energi surya selain hemat juga ramah lingkungan. Dengan memanfaatkan potensi energi tersebut maka dapat digunakan teknologi radiasi termal (thermal radiation) yaitu radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu benda maka sebagian dari radiasi itu akan dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi). Ada dua macam fenomena yang bisa diamati jika radiasi tersebut menimpa permukaan suatu benda. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi maka dikatakan refleksi itu spekular, apabila berkas yang jatuh itu tersebar secara merata ke segala arah sesudah refleksi maka refleksi itu disebut baur (diffuse). Untuk mengambil panas dari surya, dapat digunakan alat penerima atau pengumpul yang disebut kolektor yang berfungsi untuk mengumpulkan radiasi surya sebanyak mungkin dan mengalirkan energi yang didapat ke fluida kerja.

  Hal yang harus diperhatikan dalam kolektor ini adalah efisiensi konversi, yang semuanya dipengaruhi oleh sifat-sifat pelat absorber pada kolektor itu sendiri. Namun, harus diperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi penyerapan radiasi surya (gelombang pendek) pelat absorber. Faktor ini disebut faktor absorptivitas surya. Semakin besar nilai absorptivitasnya maka semakin besar efisisensi konversi pelat absorber tersebut. Dengan keadaan pelat absorber yang menyerap radiasi surya maka bertemperatur lebih tinggi dari benda sekitar akan memancarkan energi secara radiasi.

  Pengaruh kekasaran permukaan terhadap sifat-sifat radiasi termal bahan merupakan masalah yang akan menjadi bahan penelitian. Biasanya permukaan benda yang kasar lebih menunjukan sifat baur dari pada permukaan benda yang halus (mengkilap). Untuk mendapatkan sifat kasar atau halus dapat diperoleh dengan beberapa metode diantaranya vacuum

  evaporation , vacuum sputtering, ion exchange, chemical vapour disposition, chemical oxidation , dipping in chemical baths, electroplating, spraying, screen printing , brass painting, mekanik, dan lain-lain.

1.2 Batasan Masalah 1.

  Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah pelat alumunium dengan tebal 2 mm.

  2. Metode peningkatan absorptivitas termal pelat yang digunakan adalah secara mekanik (pengamplasan).

  3. Dengan metode mekanik (pengamplasan) benda uji permukaannya dihaluskan menggunakan amplas dengan variasi ukuran butiran amplas dan waktu pemakanan.

  4. Hanya dilakukan pengujian untuk mencari besar absorptivitas dan emisivitas.

1.5 Tujuan Penelitian

  Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk : 1.

  Mengetahui absorptivitas dan emisivitas termal pada pelat aluminium yang telah diamplas.

  2. Mencari metode pengamplasan yang menghasilkan absorptivitas termal paling tinggi.

  3. Mencari data untuk mendukung pengadaan energi alternatif yang lebih hemat dan bermanfaat.

1.4. Cara penelitian 1.

  Literatur Mencari buku-buku literatur dan informasi yang berhubungan dengan penelitian ini.

  2. Konsultasi Melakukan diskusi dengan pihak-pihak yang menguasai materi ini misal dosen atau mahasiswa yang memiliki pengetahuan di bidang ini.

  3. Pembuatan spesimen Di dalam penelitian yang dilakukan ini pembuatan spesimen dilakukan di laboratorium Teknologi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma.

  4. Pengujian Spesimen Pengujian spesimen yang dilakukan adalah pengujian absorptivitas

  Perpindahan Panas, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Analisis Data

  Data yang telah didapat dari penelitian kemudian dianalisa sesuai dengan aturan yang ditetapkan untuk mendapatkan kesimpulan terakhir yang sesuai dengan tujuan penelitian.

1.5 Sistematika Penulisan

  Pada bab I, penulis membahas tentang latar belakang, batasan masalah, dan sistematika penulisan pada bab II, akan diuraikan tentang pengertian perpindahan kalor, tiga modus perpindahan kalor dan segala macam tentang pelat absorber serta pengertian tentang aluminium. Metode yang digunakan dalam penelitian, bahan yang digunakan serta urutan pada proses pembuatan dan pengujian spesimen dijelaskan pada bab III.

  Pembahasan dan data hasil pengujian dibahas pada bab IV. Bab V dijelaskan tentang kesimpulan dan saran-saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Pendahuluan

  Di dalam perancangan peralatan konversi energi surya, sebuah kolektor berperan sangat penting untuk menentukan besar kecilnya energi yang diserap, dipantulkan dan yang diteruskan. Selain itu yang sangat menentukan pula besar atau kecilnya energi yang dikonversi adalah aliran fluidanya. Pada umunya peralatan seperti ini menggunakan fluida cairan, karena koefisien aliran laminer dan koefisien perpindahan panas dalam pipa sama. Untuk memperbesar perpindahan panas biasanya aliran laminer dibuat supaya menjadi turbulensi dengan memberikan gangguan pada aliran itu.

  Energi surya pada sebuah kolektor menggunakan prinsip perpindahan panas radiasi, konveksi, dan konduksi. Panas yang diserap oleh pelat penyerap secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dialirkan sepanjang pelat tersebut dan melalui dinding saluran, kemudian panas dialirkan ke fluida dalam saluran secara konveksi. Selanjutnya pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca (umumnya menutupi kolektor) secara radiasi. Yang terpenting dalam sebuah kolektor surya adalah bagaimana cara menggunakan energi surya itu secara optimal, yaitu dengan mengatur kedudukan permukaan kolektor pada berbagai sudut terhadap bidang

2.2 Perpindahan Kalor

  Perpindahan kalor (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Istilah-istilah yang digunakan untuk menyatakan tiga modus perpindahan kalor, yaitu konduksi atau hantaran, konveksi atau ilian dan radiasi atau pancaran.

2.2.1 Perpindahan Kalor Konduksi

  Perpindahan energi terjadi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Kita katakan bahwa energi berpindah secara konduksi atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradien suhu normal :

  q T

  ∂ .............................................................................(2.1)

  ≈

  A x

  ∂ Jika dimasukan konstanta proporsionalitas (proportionality constant)

  T

  ∂

  q = kA .................................................................(2.2) x

  ∂ Di mana : q = Laju perpindahan kalor, watt K = konduktivitas termal, W/(m.K)

  2 A = luas penampang tegak lurus pada aliran panas, m T

  ∂ = gradien suhu dalam arah aliran panas, -K/m.

  x

  ∂

2.3.1 Perpindahan Kalor Konveksi

  Perpindahan panas dapat terjadi secara tak langsung/tanpa media penghantar, seperti halnya udara yang mengalir di atas suatu permukaan panas kemudian permukaan lain menjadi panas. Apabila aliran udara/fluida disebabkan oleh sebuah blower maka disebut konveksi paksa. Dalam perancangan sebuah kolektor surya, biasanya perpindahan panas konveksi dinyatakan dengan hukum pendinginan Newton, yaitu :

  q = hA ( T T ) ........................................................(2.3) - _w

  Yang diketahui di mana :

  2

  h = koefisisen konveksi, W/(m .K)

2 A = luas permukaan, m

  T = temperatur dinding

  w

  T = temperatur fluida, K Di sini laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. Besaran h disebut koefesien perpindahan kalor konveksi (convection heat transfer

  

coefficient ). Dari pembahasan di atas, diharapkan bahwa perpindahan

  kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida disamping ketergantungannya kepada sifat-sifat termal fluida tersebut.

2.2.3 Perpindahan Kalor Radiasi

  Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan energi terjadi melalui bahan antara, kalor juga dapat pancaran atau radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu benda, maka sebagian dari radiasi itu dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi), seperti digambarkan pada Gambar 2.1. Fraksi yang dipantulkan kita namakan

  reflektivitas ( ρ), fraksi yang diserap absorptivitas (α) fraksi yang diteruskan transmisivitas( τ), maka :

  α + ρ+ τ = 1 ..............................................................(2.4) Kebanyakan benda padat tidak meneruskan radiasi termal, sehingga transmisivitas dapat dianggap nol,

  α + ρ = 1 ...................................................................(2.5) Radiasi datang Refleksi

  Absorpsi Transmisi

Gambar 2.1 Pengaruh radiasi datang

  Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu permukaan, dapat dilihat pada Gambar 2.2. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi maka dikatakan refleksi itu spekular kesegala arah sesudah refleksi, maka refleksi itu disebut baur (diffuse). Biasanya permukaan yang kasar lebih menunjukan sifat baur dari pada permukaan yang diupam mengkilap. Demikian pula permukaan yang diupam lebih spekular dari pada permukan kasar. Pengaruh kekasaran permukaan terhadap sifat-sifat radiasi termal bahan sangat besar peranannya, sehingga hal ini yang perlu dipelajari lebih dalam.

  Sumber Sumber Sinar refleksi

  Bayangan cermin Sumber

  (a) (b)

Gambar 2.2 (a) Refleksi spekular dan (b) refleksi baur

  Hukum Kirchoff mengatakan bahwa suatu benda yang berada dalam kesetimbangan termodinamik akan mempunyai absorptivitas ( α) yang sama dengan emisivitas (

  ε) pada suatu panjang gelombang tertentu atau dapat dinyatakan dengan persamaan : ......................................................................(2.6)

  ε λ = α λ Persamaan di atas hanya berlaku untuk permukaan yang tidak bergantung pada sudut azimut Φ dan sudut polar µ seperti terlihat pada Gambar 2.3, maka persamaan di atas akan menjadi :

  ε ( µ ,Φ)= α ( µ ,Φ) .................................................(2.7)

  λ λ _Z

_Sudut

N _{F A}

_polar

_µ

_{E W horisontal Perm ukaan} P _{Sudut azim ut S}

Gambar 2.3 Sudut azimut dan sudut polar

  Untuk permukaan yang tidak transparan (opaque) maka radiasi hanya akan diserap dan dipantulkan karena permukaan yang tidak transparan tidak meneruskan radiasi (

  τ = 0) sehingga persamaan menjadi : α λ  + ρ λ  = ε λ + ρ λ = 1 ............................................(2.8) atau secara umum :

  ( µi , ε ( µ ,Φ) = α ( µ ,Φ) = 1- ρ Φi) .......................(2.9)

  λ λ λ

  Dari persamaan di atas dapat disimpulkan emisivitas dan absorptivitas dapat diketahui jika reflektivitas diketahui.

  Efisiensi kolektor dalam mengkonversikan energi surya menjadi energi termal tergantung pada :

  2. Emisivitas termal pelat absorber pada panjang gelombang yang panjang.

  3. Kerugian panas karena konduksi, konveksi dan radiasi. Selain itu bahan pelat absorber harus memiliki konduktivitas termal yang baik dan panas jenis yang kecil. Efisiensi sebuah kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan :

  T - T _{i a}

  = F ( ) F U ................................(2.10)

  η R τα R L G _T

  dengan : F : faktor pelepasan panas

  R

  (

  τα ) : faktor transmitan-absorpan kolektor

  2 U : koefisien kerugian (W/(m .K)) L

  T : temperatur fluida masuk kolektor (K)

  i

  T : temperatur sekitar (K)

  a

  2 G : radiasi yang datang (W/m ) T

Gambar 2.4 Contoh penggunaan pelat absorber pada kolektor surya termal

  Dari persamaan efisiensi terlihat bahwa jika faktor absorptivitas surya ( α) merupakan fungsi beberapa faktor diantaranya emisivitas termal ( ε). Jika emisivitas termal membesar maka koefisien kerugian membesar, sehingga efisiensi akan berkurang. Idealnya pelat absorber memiliki faktor absorptivitas surya yang besar dan emisivitas termal yang rendah. Dari beberapa metode peningkatan efisiensi kolektor, penggunaan permukaan selektif merupakan cara yang paling efektif dan ekonomis. Dari beberapa penelitian yang dilakukan ternyata peningkatan harga faktor absorptivitas surya memberikan pengaruh yang lebih besar dibandingkan penurunan faktor emisivitas termal terhadap peningkatan efisiensi kolektor. Faktor lain yang mempengaruhi koefisien kerugian adalah kualitas isolasi, makin baik isolasi maka makin kecil harga koefisien kerugian.

  Perolehan panas berguna dari kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan : ₂

  q = . G (W/m ) .................................................(2.11) _{u T} η

  Dari persamaan di atas ini terlihat bahwa jumlah panas berguna tergantung dari efisiensi kolektor.

  Emisivitas termal adalah perbandingan total energi yang dipancarkan suatu permukaan dengan total energi yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Pada permukaan nyata emisivitas termal merupakan fungsi panjang gelombang radiasi, sudut datang, temperatur permukaan dan keadaan permukaan (kekasaran, warna, bahan, dll). Menurut Stefan-Boltzmann energi yang dipancarkan suatu permukaan dinyatakan dengan: _{4 4}

  q = ( T T ) ......................................................(2.12) _{S A} ε σ

  2

  q : energi yang dipancarkan (W/m ) ε : emisivitas termal

• 8

  2

  4 W/(m .K )

  σ : konstanta Stefan Boltzmann = 5,67 x 10 T : temperatur permukaan (K)

  S

  T : temperatur sekitar (K)

  A

  Untuk benda hitam faktor emisivitas termal ( ε) = 1, sehingga persamaan menjadi : _{4 4}

  q = ( T T ) - .......................................................(2.13) _{b S A} σ

  dan :

  q

  ....................................................................(2.14)

  ε = q _b

  Pada penelitian ini energi yang dipancarkan (q) diukur dengan radiometer sehingga emisivitas temal ( ε) dapat diketahui.

2.3 Pelat Absorber

2.3.1 Sifat-sifat Pelat Absorber

  Bila ditinjau dari bahan pelat absorber yang digunakan ,perlu diperhatikan sifat-sifatnya, karena merupakan salah satu faktor penentu efisiensi pemanfaatan energi surya. Sifat-sifat pelat absorber yang perlu diperhatikan adalah:

  1. Faktor absorptivitas yang besar (mendekati satu).

  3. Transisi spectral yang tajam antara absorptivitas yang tinggi dengan emisivitas termal yang rendah.

  4. Sifat optik dan fisik yang stabil.

  5. Kualitas kontak pelat dengan lapisan selektif yang baik.

  6. Mudah diaplikasikan.

  7. Proses pelapisan permukaan selektif yang murah dan tidak merusak lingkungan (Pandey dan Banerjee, 1998).

2.3.2 Pembuatan Permukaan Selektif

  Dalam proses pembuatan permukaan selektif ini, ada banyak cara untuk memperolehnya. Namun yang memerlukan perhatian lebih adalah bagaimana cara memperoleh permukaan selektif yang ideal dengan proses yang ada. Dimana dari hasil permukaan selektif yang diperoleh harus memiliki faktor absorptivitas surya (

  α) yang besar berkisar 0 (nol) sampai 1 (satu), dengan angka semakin mendekati 1 (satu) akan semakin baik, dan faktor emisivitas termal (

  ε) yang kecil berkisar 0 (nol) sampai 1 (satu), dengan angka semakin mendekati 0 (nol) semakin baik. Dari beberapa percobaan dan penelitian yang pernah ada, diantaranya seperti berikut : a. Permukaan selektif dengan lapisan oksida tembaga.

  Lapisan oksida tembaga dibentuk dengan konversi kimia, yaitu dengan mencelupkan pelat tembaga yang telah dibersihkan dan panas selama waktu tertentu. Faktor absorptivitas surya ( α) yang didapatkan sebesar 0,89 dan faktor emisivitas termal (

  ε) yang didpatkan sebesar 0,17 (Choudhury, 2002).

  b. Permukaan selektif oksida cobalt.

  Dapat dibuat dengan metode electroplating pada pelat baja-nikel, dengan metode ini didapatkan faktor absorptivitas surya ( α) antara

  0,87 – 0,92 dan faktor emisivitas termal ( ε) antara 0,07 – 0,08 (Choudhury, 2002).

  c. Permukaan selektif dengan metode sputtering.

  Dengan mengganti lapisan anti korosi dari nickel-chromium menjadi copper-nickel. Dengan metode ini dapat menaikkan absorptivitas surya (

  α) dari 0,89 – 0,91 menjadi 0,97, dan menurunkan faktor emisivitas termal dari 0,12 menjadi 0,06 (Gelin, 2004).

  d. Permukaan selektif dengan metode elektrokimia.

  Dengan oksidasi alumunium dan pigmentasi nikel, dapat menghasilkan absorptivitas surya ( α) sebesar 0,91 dan emisivitas termal sebesar 0,17 (Kadirgan et al, 1999).

  e. Permukaan selektif dengan metode grinding.

  Untuk memperoleh permukann selektif dengan metode grinding ini, menggunakan kekasaran permukaaan 1µm - 2µm.

  Absorptivitas surya ( α) yang dihasilkan sebesar 0,90 dan emisivitas

  Namun dengan metode grinding ini, setelah diuji dengan mikrostruktur terdapat variasi pada penggunaan komposisi dan struktur dari alat grinding. Penggunaan komposisi dan struktur yang tepat dapat mempengaruhi hasil absorptivitas surya (

  α) sampai di atas 0,94.

2.3.3 Bahan Pelat Absorber

  Dalam pemilihan bahan pelat absorber ditentukan dengan pertimbangan, harus memiliki faktor absorptivitas surya yang besar (mendekati satu), emisivitas termal yang kecil (mendekati nol), transisi spektral yang tajam antara absorptivitas surya yang tinggi dengan emisivitas termal yang rendah, sifat optik dan fisik yang stabil, kualitas kontak pelat dengan lapisan selektif yang baik dan mudah diaplikasikan. Maka dari itu, dipilih aluminium sebagai bahan pelat absorber karena tidak beracun, relatif murah dan mudah didapatkan di pasaran serta memiliki sifat dasar yang baik sebagai pelat absorber.

2.4 Aluminium

  Aluminium adalah unsur logam yang dapat dijumpai dalam kerak bumi dan terdapat dalam batuan seperti felspar dan mika. Aluminium juga merupakan logam yang keras, kuat, ringan dan berwarna putih meskipun sangat elektropositif bagaimanapun juga tahan terhadap korosi karena banyak lagi sifat-sifat baik lainnya sebagai sifat logam. Akan tetapi aluminium murni juga memiliki sifat mampu cor dan mekanis yang kurang baik. Oleh karena itu untuk mendapatkan sifat-sifat mekanis yang lebih baik dan yang sesuai dengan kebutuhan produksi biasanya aluminium dapat dipadukan dengan logam-logam lainnya seperti dengan penambahan Cu, Mg, Zn, Ni, dsb, secara satu persatu atau bersama-sama. Penggunaan Aluminium sebagai logam setiap tahunnya berada pada urutan kedua setelah besi dan baja, dan tertinggi diantara logam non-ferous lainnya. Hal ini disebabkan oleh sifat-sifat Aluminium yang antara lain:

• Kuat - Ringan - Tahan korosi
• Mudah dibentuk
• Mempunyai konduktivitas panas dan listrik yang tinggi

Tabel 2.1 Sifat – sifat fisik Aluminium

  Kemurnian Al (%) Sifat - sifat

  99,996 >99,0

  o

  Massa jenis (20

  C) 2,6989 2,71 Titik cair 660,2 653-657

  o o Panas jenis (cal/g.

  C) (100

  C) 0,2226 0,2297 Hantaran listrik (%) 64,94 59 (dianil) Tahanan listrik koefisien temperatur

  0,00429 0,0115

  o

  (

  C)

  o

• 6

  Koefisien pemuaian (20-100

  C) 23,5 x

  10

• 6

  23,86 x

  10 Jenis kristal, konstanta kisi fcc fcc Tabel 2.2 Sifat – sifat mekanik Aluminium.

  Kemurnian Al (%) Sifat - sifat 99,996 > 99,0

  Dianil 75 % dirol dingin Dianil H18

  2 Kekuatan tarik (kg/mm ) 4,9 11,6 9,3 16,9

  2 Kekuatan mulur (0,2%) (kg/mm ) 1,3 11,0 3,5 14,8

  Perpanjangan (%) 48,8 5,5 35

  5 Kekerasan Brinell 17 27 23

  44

2.4.1 Sifat-sifat Aluminium

  Aluminium merupakan logam non-ferous yang banyak digunakan karena memiliki sifat-sifat :

  1. Kerapatan (density) Aluminium mempunyai berat jenis rendah yaitu sebesar 2700

  3

  kg/m (dibandingkan baja yang mempunyai kerapatan 7770

  3

  kg/m )

  2. Tahan terhadap korosi Untuk logam non-ferous dapat dikatakan bahwa makin besar kerapatannya maka makin baik daya tahan korosinya, tetapi Aluminium merupakan pengecualian. Walaupun Aluminium mempunyai daya senyawa tinggi terhadap oksigen (O ) atau

  2

  logam aktif dan oleh sebab itu dikatakan bahwa Aluminium sangat mudah sekali teroksidasi (korosi), tetapi dalam kenyataan Aluminium mempunyai daya tahan yang baik terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh lapisan atau selaput tipis oksida transparan diseluruh permukaannya. Selaput ini mengendalikan laju korosi dan melindungi lapisan di bawahnya dari serangan atmosfir berikutnya.

  3. Sifat mekanis Aluminium mempunyai kekuatan tarik, kekerasan dan sifat mekanis lain sebanding paduan bukan besi (non-ferous alloys)

  4. Penghantar arus listrik yang baik Selain mempunyai daya tahan yang baik terhadap korosi, Aluminium memiliki daya hantar panas dan listrik yang tinggi.

  Daya hantar listrik aluminium murni sekitar 60% dari daya hantar listrik Tembaga.

  5. Tidak beracun Aluminium dapat digunakan sebagai bahan pembungkus atau kaleng makanan dan minuman. Hal ini disebabkan karena reaksi kimia antara makanan dan minuman tersebut dengan Aluminium tidak menghasilkan zat beracun yang dapat membahayakan manusia

  6. Sifat mampu bentuk (formability) Aluminium dapat dibentuk dengan mudah. Aluminium mempunyai sifat mudah ditempa (malleability) yang memungkinkannya dibuat dalam bentuk plat atau lembaran tipis.

  7. Titik lebur rendah (melting point)

  o

  Titik lebur Aluminium relatif rendah (660

  C) sehingga sangat baik untuk proses penuangan dengan waktu peleburan relatif singkat dan biaya operasi akan lebih murah. Selain itu sifat-sifat lain yang dimiliki aluminium adalah : anti magnetik, refleksifitas tinggi, nilai arsitektur dan dekoratif,

2.4.2 Pengaruh unsur-unsur logam pada paduan aluminium antara lain :

  1. Si Keuntungannya : - Mempermudah di dalam pengecoran.

• Meningkatkan daya tahan terhadap korosi.
• Memperbaiki sifat-sifat atau karakteristik coran.
• Menurunkan penyusutan hasil coran. Kerugiannya : - Penurunan kekuatan terhadap beban kejut.
• Hasil coran akan rapuh jika kandungan Si terlalu tinggi.

  2. Cu Keuntungan : - Meningkatkan kekerasan.

• Memperbaiki kekuatan tarik.
• Mempermudah pengerjaan dengan mesin. Kerugian : - Menurunkan ketahanan bahan terhadap korosi.
• Mengurangi keuletan bahan.
• Menurunkan mampu bentuk dan mampu rol.

  3. Mn

• Meningkatkan kekuatan dan daya tahan pada temperatur tinggi.
• Meningkatkan daya tahan terhadap korosi.
• Mengurangi pengaruh buruk unsur Fe. Kerugian : - Menurunkan kemampuan penuangan.
• Kekerasan butiran partikel meningkat.

  4. Mg Keuntungan : - Mempermudah di dalam penuangan.

• Meningkatkan kemampuan pengerjaan mesin.
• Meningkatkan daya tahan terhadap korosi.
• Meningkatkan kekuatan mekanis.
• Menghaluskan butiran kristal secara efektif.
• Meningkatkan ketahanan terhadap beban kejut/impack. Kerugian : meningkatkan kemungkinan timbulnya cacat pada hasil coran. -

  5. Ni Keuntungan :

• Meningkatkan kekuatan dan ketahanan bahan pada temperatur tinggi. Meningkatkan daya tahan terhadap korosi. - Menurunkan pengaruh buruk Fe dalam coran. -

  6. Zn Keuntungan : - Meningkatkan sifat mampu cor.

• Meningkatkan sifat mampu mesin.
• Mempermudah pembentukan.
• Meningkatkan keuletan bahan.
• Meningkatkan kekuatan terhadap beban kejut (impack). Kerugian : - Menurunkan ketahanan korosi.
• Menurunkan pengaruh baik pada unsur besi.
• Bila kadar Zn terlalu tinggi dapat menyebabkan cacat rongga udara.

2.5 Bahan Abrasif

  Dalam hal ini bahan arasif yang digunakan dalam penelitian ini adalah amplas.

2.5.1 Amplas (Sandpaper)

  Amplas terdiri dari bahan dasar, kertas atau kain, abrasif dan perekat. Amplas dibuat dalam bentuk lembaran, gulungan, pita ban, piringan, dan lain sebagainya. Ada berbagai variasi yang dapat diperoleh yang ditentukan oleh kombinasi abrasif dalam berbagai dasar (kain atau kertas), perekat biasa atau resin fenol, dan lain sebagainya. Di samping itu ada jenis amplas basah dan kering.

  Ada beberapa ukuran standar amplas. Yang paling sering digunakan adalah ukuran standar CAMI (Coated Abrasives

  

Manufacturer's Institute ) dan ukuran standar FEPA (Federation of

European Producers of Abrasives ). Kedua sistem pengukuran

  amplas tersebut, tidak dapat diperbandingkan secara tepat, karena FEPA lebih mendefinisikan mengenai ukuran antar partikel minimal dan partikel maksimal yang digunakan, sedangkan CAMI lebih mendefinisikan mengenai ukuran rata-rata partikel. Dalam penelitian ini amplas yang digunakan berdasar pada ukuran standar FEPA, karena amplas yang dijual di pasaran menggunakan ukuran standar FEPA.

  Pada industri amplas, ukuran partikel sering disebut dengan mikron, penyebutan singkat dari mikrometer. Tetapi, CGPM (Conference Generale des Poids et Mesures) sebagai pemegang kontrol untuk satuan SI, menyebutkan bahwa mikron harus disebut dengan mikrometer.

  Ukuran Ukuran standar Ukuran rata-rata parikel standar Deskripsi dalam mikron

  CAMI Grit FEPA (inch)

  4½ 1842(0,07174) P12 1815 P16 1324

  16 4 1320(0,05148) Sangat kasar

  P20 1000(0,03838) 20 3½ 905(0,03530) P24 764(0,02886)

  24 3 715(0,02789) 30 2½ 638(0,02488) P30 642(0,02426)

  36 2 535(0,02087) P36 538(0,02044) kasar

  40 1½ 428(0,01669) P40 425(0,01601)

  50 1 351(0,01369) P50 336(0,01271) 60 ½ 268(0,01045) P60 269(0,01014) P80 201(0,00768) medium

  80 192(0,00749) P100 162(0,00608) 100 2/0 141(0,05500) P120 125(0,00495) 120 3/0 116(0,00452) P150 100(0,00378) halus

  150 4/0 93(0,00363) 180 5/0 78(0,00304) P180

  82 220 6/0 66(0,00257) Sangat halus

  P220 68(0,00254) Bagian atas disebut makrogrit, bagian bawah disebut mikrogrit

  P240 58,5 ± 2,0(0,00230) 240 7/0 53,5(0,00209) Sangat halus

  P280 52,2 ± 2,0(0,00204) P320 46,2 ± 1,5(0,00180) 280 8/0 44(0,00172)

  320 9/0 36(0,00140) P400 extra halus 35,0 ± 1,5(0,00137) P500 30,2 ± 1,5(0,00120)

  Ukuran Deskripsi Ukuran rata-rata parikel Grit

  Ukuran standar standar dalam mikron CAMI FEPA (inch)

  P600 25,8 ± 1,0(0,00100 400 10/0 Extra halus 23,6(0,00092) P800 21,8 ± 1,0(0,00085) 500 19,7(0,00077)

  P1000 Super halus 18,3 ± 1,0(0,00071) 600 16,0(0,00062) P1200 15,3 ± 1,0(0,00060)

  Pada tabel bagian bawah ini,(amplas ukuran 800-2500) paling banyak digunakan dalam industri pengecatan dan logam, terutama pada proses finishing P1500 12,6 ± 1,0 800 12,2(0,00048) P2000 10,3 ± 0,8 1000 9,2(0,00036)

  Super halus P2500 8,4 ± 0,5 1200 6,5(0,00026)

  1500 3? 2000 1? Material yang digunakan sebagai bahan abrasif dari amplas itu antara lain:

  ƒ Silikon karbida Silikon karbida adalah material yang sering digunakan dalam industri amplas. Penggunaan yang paling utama adalah sebagai materi bubuk abrasif untuk materi ampas yang halus sampai super halus.

  Proses pembentukannya dari pencampuran bubuk

  o

  silica dan karbon pada suhu antar 1600-2500

  C. Pada proses pengamplasan ini yang digunakan adalah silikon carbida.

  ƒ Flint

  Flint adalah jenis batuan yang sangat keras, salah satu

  penyusunnya adalah kuarsa. Flint ini bentukan dari sedimentasi cryptocrystalline silicate atau yang secara umum dikenal sebagi silica. Flint biasanya berwarna abu-abu, biru, coklat atau hitam.

  ƒ Emery

  Emery adalah jenis batuan yang sangat keras,

  digunakan untuk membuat serbuk abrasif. Warnanya hitam atau abu-abu, dan memiliki berat jenis antara 3,5-3,8kg/m

  3 .

  Serbuk abrasif direkatkan pada permukaan amplas dengan menggunakan lem, resin, atau campuran dari keduanya. Lembaran yang ditempeli serbuk abrasif ada berbagai macam, antara lain, kertas, kain, atau bahan sintetis lainnya.

2.5.2 Karbon