BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari - Rancang Bangun Kolektor Surya Sebagai Pengsasil Fluida Panas pada Alat Pengering Hibrida Pompa Kalor dan Surya

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Matahari

Matahari adalah bintang di pusat tata surya. Hal ini hampir bulat sempurna dan terdiri dari plasma panas terjalin dengan medan magnet. Matahari memiliki diameter sekitar 1.392.684 km, sekitar 109 kali Bumi, dan massa (sekitar 2 × 1.030 kilogram, 330.000 kali Bumi) menyumbang sekitar 99,86% dari total massa dari tata surya. Secara kimiawi, sekitar tiga perempat dari massa matahari terdiri dari hidrogen, sedangkan sisanya sebagian besar helium. Sisanya (1,69%, yang tetap sama dengan 5.628 kali massa Bumi) terdiri dari elemen yang lebih berat, termasuk oksigen, neon karbon, dan besi.

Gambar 2.1 Matahari [18]

Letak nya yang berjarak 149 juta kilometer dari bumi membuat panas dan cahayanya sangat mendukung dan berguna bagi kehidupan. Tumbuhan membutuhkan cahaya nya setiap hari untuk berfotosintesis, manusia mengubah cahaya nya menjadi sumber energi listrik dan menggunakan panas nya sebagai salah satu cara menjemur pakaian. Dalam klasifikasi bintang kelas spectral, Matahari merupakan bintang kelas G2V. G2 mengindikasikan permukaan matahari diperkirakan sekitar 9.941° Fahrenheit atau sekitar 5.505° Celcius. V adalah angka romawi yang mengidentifikasikan matahari seperti bintang lainnya, matahari menghasilkan energi dari hasil fusi nuklir inti hidrogen dengan inti helium dan pada Inti matahari, matahari mem-fusikan hidrogen dari 430 hingga 600 juta ton per detik nya [8].

Tabel 2.1 Data tentang matahari

dari 1,496×10

1.300.000 × Bumi

1,9891×10

kg 333.000 × Bumi

Matahari

Data pengamatan Jarak rata-rata

km 8 menit 19 detik

(V)

−26,74

4,83

Z = 0,0122

1,412×10

Ciri-ciri fisik Diameter rata-rata

khatulistiwa 4,379×10

1,392684×10

khatulistiwa 6,96342×10

km 109 × Bumi

11.990 × Bumi

km 109 × Bumi

9×10

−6 6,0877×10

31,6′ – 32,7’

3 1,408×10 kg/m

3 Pusat (model): 1,622×10 kg/m −4

3 Fotosfer bawah: 2×10 kg/m −6

3 Kromosfer bawah: 5×10 kg/m

3 −12

Korona (rt): 1×10 kg/m

274,0 m/s

27.542,29 28 × Bumi

617,7 km/detik

(dari permukaan) 55 × Bumi

7 Pusat (model): ~1,57×10 K

Fotosfer (efektif): 5.778

6 ~5×10 K

26 (L ) sol 3,846×10 W

~3,75×10 ~98 lm/W

7 −2 −1 rata-rata (I sol ) 2,009×10 W·m · sr

4,57 miliar tahun

Usia

Sumber: From[18] Pada gambar juga ditampilkan nilai konstanta matahari G SC , yang merupakan daya radiasi rata-rata yang yang diterimabumi (diluar atmosfer) dari matahari pad aarah tegak lurus permukaan.

Gambar 2.2 Hubungan antara matahari dengan bumi [4] Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak dari matahari ke bumi

tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 10 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh

1.52 x 10 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni

sekitar 4.8 KWh/m atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Matahari merupakan sumber energi yang benar-benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki Matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya dapat dikatakan gratis.

Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk daerah-daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru mencapai 55-60 % dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik. Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi yang dipancarkan oleh matahari. Energi matahari sangat efektif karena tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis.

26 Setiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 10 kalori. Energi

matahari persatuan luas pada jarak dari permukaan bola dengan matahari sebagai pusat bulatan dan jari-jari bulatan 150 juta km (jarak rata-rata bumi dengan matahari) adalah :

26 −1 56 10 .

S (2.1) = ................................................

2 4 (15 10 )

-2 -1 -1

.menit (pembulata) = Langley menit S ≈ 2,0 kal.cm

S = 2,0 Ly menit , yang disebut konstanta matahari Maka energy matahari yang diterima bumi dengan jari-jari 6370 km adalah :

2 E b

= π a S ………………………………………………………(2.2)

6 2 -2 -1

= 3,14 x (637 x 10 cm) x 2 kal cm menit

18 -1

= 2,55 x 10 kal.menit

= 3,67 x 10 kal/hari

2.1.1 Bagian-bagian matahari

Matahari memiliki bagian-bagian penting yang membentuknya, berikut adalah bagian dari matahari.

Gambar 2.3 Bagian-bagian matahari [4] A.

Inti Matahari Inti adalah area terdalam dari Matahari yang memiliki suhu sekitar 15 juta

C. Berdasarkan perbandingan diameter, bagian inti berukuran seperempat jarak dari pusat ke permukaan dan 1/64 total volume Matahari. Kepadatannya adalah sekitar 150 g/cm3. Suhu dan tekanan yang sedemikian tingginya memungkinkan adanya pemecahan atom-atom menjadi elektron, proton, dan neutron.

Sementara itu, energi panas di dalam inti menyebabkan pergerakan elektron dan proton sangat cepat dan bertabrakan satu dengan yang lain menyebabkan reaksi fusi nuklir. Inti Matahari adalah tempat berlangsungnya reaksi fusi nuklir helium menjadi hidrogen. Energi hasil reaksi termonuklir di inti berupa sinar gamma dan neutrino memberi tenaga sangat besar sekaligus menghasilkan seluruh energi panas dan cahaya yang diterima di Bumi. Energi tersebut dibawa keluar dari Matahari melalui radiasi. B.

Zona Radiatif Zona radiatif adalah daerah yang menyelubungi inti Matahari. Energi dari inti dalam bentuk radiasi berkumpul di daerah ini sebelum diteruskan ke bagian

Matahari yang lebih luar. Kepadatan zona radiatif adalah sekitar 20 g/cm3 dengan suhu dari bagian dalam ke luar antara 7 juta hingga 2 juta derajat Celcius. Suhu dan densitas zona radiatif masih cukup tinggi, namun tidak memungkinkan terjadinya reaksi fusi nuklir.

C. Zona konvektif Zona konvektif adalah lapisan di mana suhu mulai menurun. Suhu zona konvektif adalah sekitar 2 juta

C. Energi dari inti Matahari membutuhkan waktu 170.000 tahun untuk mencapai zona konvektif. Saat berada di zona konvektif, pergerakan atom akan terjadi secara konveksi di area sepanjang beberapa ratus kilometer yang tersusun atas sel-sel gas raksasa yang terus bersirkulasi.

Fotosfer Fotosfer atau permukaan matahari meliputi wilayah setebal 500 kilometer dengan suhu sekitar 5.500 derajat Celcius (10.000 derajat

Fahrenheit). Sebagian besar radiasi Matahari yang dilepaskan keluar berasal dari fotosfer. Energi tersebut diobservasi sebagai sinar Matahari di Bumi, 8 menit setelah meninggalkan Matahari.

Kromosfer Kromosfer merupakan lapisan gas di atas fotoser yang tebalnya sekitar l6.000 km. Oleh karena itu, kromosfer sering disebut lapisan atmosfer matahari. suhu

kromosfer diperkirakan sekitar 4.000

C. Makin ke atas. suhu kromosfer makin tinggi. Pada lapisan yang paling atas.,suhu kromosfer diperkirakan mencapai 10.000

C. Warna dari kromosfer biasanya tidak terlihat karena tertutup cahaya yang begitu terang yang dihasilkan fotosfer. Kromosfer hanya dapat dilihat pada saat terjadi gerhana matahari total. Pada saat itu. Kromosfer tampak seperti gelang atau cincin yang berwarna merah. F.

Korona Korona merupakan lapisan terluar dari Matahari. Lapisan ini berwarna putih, namun hanya dapat dilihat saat terjadi gerhana karena cahaya yang dipancarkan tidak sekuat bagian Matahari yang lebih dalam. Saat gerhana total terjadi, korona terlihat membentuk mahkota cahaya berwarna putih di sekeliling Matahari.

Lapisan korona memiliki suhu yang lebih tinggi dari bagian dalam Matahari dengan rata-rata 2 juta derajat Fahrenheit, namun di beberapa bagian bisa mencapai suhu 5 juta derajat Fahrenheit.

G. Bintik matahari Bintik Matahari adalah granula-granula cembung kecil yang ditemukan di bagian fotosfer Matahari dengan jumlah yang tak terhitung. Bintik Matahari tercipta saat garis medan magnet Matahari menembus bagian fotosfer. Ukuran bintik Matahari dapat lebih besar daripada Bumi. Bintik Matahari memiliki daerah yang gelap bernama umbra, yang dikelilingi oleh daerah yang lebih terang disebut penumbra.

Warna bintik Matahari terlihat lebih gelap karena suhunya yang jauh lebih rendah dari fotosfer. Suhu di daerah umbra adalah sekitar 2.200 °C sedangkan di daerah penumbra adalah 3.500 °C.

Lidah api (prominensa) Prominensa adalah salah satu ciri khas Matahari, berupa bagian Matahari menyerupai lidah api yang sangat besar dan terang yang mencuat keluar dari bagian permukaan serta seringkali berbentuk loop (putaran).

Prominensa berisi materi dengan massa mencapai 100 miliar kg. Prominensa terjadi di lapisan fotosfer Matahari dan bergerak keluar menuju korona Matahari. Plasma prominensa bergerak di sepanjang medan magnet Matahari. Pergerakan semburan korona tersebut terjadi pada kecepatan yang sangat tinggi, yaitu antara 20 ribu m/s hingga 3,2 juta km/s. Pergerakan tersebut juga menyebabkan peningkatan suhu hingga puluhan juta derajat dalam waktu singkat.

2.1.2 Manfaat dan peran Matahari

Matahari adalah sumber energi bagi kehidupan. Matahari memiliki banyak manfaat dan peran yang sangat penting bagi kehidupan seperti: a)

Panas Matahari memberikan suhu yang pas untuk kelangsungan hidup organisme di Bumi.

b) Cahaya Matahari dimanfaatkan secara langsung oleh tumbuhan berklorofil untuk melangsungkan fotosintesis c)

Mahluk hidup yang sudah mati akan menjadi fosil yang menghasilkan minyak Bumi dan batu bara sebagai sumber energi. Hal ini merupakan peran dari energi Matahari secara tidak langsung.

d) Pembangkit listrik tenaga Matahari adalah moda baru pembangkit listrik dengan sumber energi terbarukan. Pembangkit listrik ini terdiri dari kaca-kaca besar atau panel yang akan menangkap cahaya Matahari dan mengkonsentrasikannya ke satu titik e) Pergerakan rotasi Bumi menyebabkan ada bagian yang menerima sinar

Matahari dan ada yang tidak. Hal inilah yang menciptakan adanya hari siang dan malam di Bumi. Sedangkan pergerak Bumi mengelilingi Matahari menyebabkan terjadinya musim.

f) Matahari menjadi penyatu planet-planet dan benda angkasa lain di sistem tata surya yang bergerak atau berotasi mengelilinya. Keseluruhan sistem dapat berputar di luar angkasa karena ditahan oleh gaya gravitasi Matahari yang sangat besar.

2.2 kolektor surya

Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.

Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [8]

1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan

2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.

3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .

4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan

5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor

2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya

Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar

Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.

Kolektor Plat Datar Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industry [8].

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka.

Gambar 2.4 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana [8] B.

Concentrating Collectors

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100°

– 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus

Gambar 2.5 Konsentrator [8] Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 400

C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.

Evacuated Tube Collectors

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.

Gambar 2.6 Evacuated Receiver [8]

2.2.2 Manfaat kolektor surya

Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.

Dibidang Industri Koektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti negara Jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar minyak dewasa ini semakin menipis, maka dengan pemanfaatan tenaga surya sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan permasalahn ini.

Dibidang teknologi tenaga listrik dapat dihasilkan dari kolektor surya listrik merupakan kebutuhan masyarakat, penggunaan tenaga matahari sebagai bahan yang menggubah sinar menjadi energi listrik patut dikembangkan, seperti yang pernah diterapkan oleh pemerintah pada tahun 2002 di daerah Bireun, Aceh Utara, pemerintah mencoba memberikan listrik tenaga surya bagi masyarakat setempat, tetapi karena peralatan yang tidak mencukupi dan tidak memadai maka proyek ini hanya berjalan ditempat, Output dari tenaga matahari tersebut hanya menghasilkan tenaga sebesar 10

– 20 volt dalam semalam. Padahal kalau jika dikembangkan dan diadakan penelitian lebih lanjut kemungkinan besar akan berhasil, tetapi mungkin mengingat dana yang juga sangat besar mungkin pemerintah menunda dulu proyek tersebut. Tetapi pada intinya tenaga surya bisa bermanfaat dan dapat menghasilkan listrik.

2.3 Pengeringan

Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke waktu. Perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin meningkatnya jumlah penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan pertanian dan perkebunan makin menyempit. Hal tersebut menyebabkan dibutuhkannya teknologi-teknologi pemrosesan produk pertanian dan perkebunan yang mampu meningkatkan kualitas dan kuantitas produk tersebut, salah satunya adalah teknologi pengeringan bahan pangan.

Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembaban dari suatu bahan sampai batas kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber panas dan penerima uap cairan [16]. Pengeringan merupakan proses pemindahan panas dan uap air secara simultan, yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan, yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Tujuan pengeringan itu sendiri adalah untuk mengurangi kadar air bahan sampai batas dimana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti.

Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lebih lama. Metode pengeringan secara umum terbagi menjadi dua, pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami membutuhkan lahan yang luas, sangat tergantung pada cuaca, dan sanitasi hygiene sulit dikendalikan sedangkan pada pengeringan buatan kendala tersebut dapat diatasi [15].

Kelemahan Pengeringan buatan adalah memerlukan keterampilan dan peralatan khusus, serta biaya lebih tinggi dibanding pengeringan alami. Mekanisme pengeringan ketika benda basah dikeringkan secara termal dan berlangsung secara simultan ada dua. Mekanisme pertama perpindahan energi dari lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat.

Perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi, konveksi, radiasi, atau kombinasi dari ketiganya. Proses ini dipengaruhi oleh temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan.

Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film tipis udara. Mekanisme yang kedua perpindahan massa air yang terdapat di dalam benda ke permukaan. Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat menuju ke permukaan benda padat. Struktur benda padat tersebut akan menentukan mekanisme aliran internal air.

Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : [15]

1. Baki atau wadah Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.

2. Rotary Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi.

3. Flash Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.

4. Spray Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat.

Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone.

5. Fluidized bed Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.

6. Vacum Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.

7. Membekukan Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.

8. Batch dryer Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.

Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering.

2.4 Tinjauan perpindahan panas

Dalam perencanaan suatu alat dengan pemanfaatan tenaga surya perlu diketahui semua jenis perpindahan panas yang terjadi selama siklus terjadi. Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara konveksi dan konduksi ke udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan semua jenis perpindahan panas yang terjadi.

Gambar 2.7 Perpindahan panas pada kolektor plat datar [4]

Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain yang terjadi karena perbedaan suhu. Panas ini akan mengalir dari tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis besar dapat dibagi menjadi 3 bagian : a.

Konduksi

b. Konveksi

c. Radiasi

2.4.1 Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran (flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat, sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan panjangnya.

Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu :



Q   kA ...................................................................... (2.3) L

dengan : Q = laju aliran energi (W) ₂ A = luas penampang (m ) Δt = beda suhu (K) L = panjang (m) K = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)

Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat terdapat pada bahan bukan logam.

Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :

dT Q   kA

(2.4) _x ..................................................................

Bahan yang mempunyai konduktifitas termal yang tinggi dinamakan konduktor, sedangkan bahan yang konduktifitas termal rendah disebut isolator. Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu.

LINGKUNGAN

Gambar 2.8 perpindahan panas pada kolektor [4]

Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwool, steroform, dan kayu. Energi panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).

2.4.2 Konveksi

Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan panas secara konveksi telah diajukan oleh Newton pada tahun 1701 yang berasal dari pengamatan fisika.

 

Q h A ( t t ) ............................................................. (2.5)

_{c c s f}

2 c

dengan : h = koefisien konveksi (W/m K)

t = suhu permukaan (

t = suhu fluida (

C) Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :

a. Bilangan Reynold (R e )

k C P ^p _r  .

2 K)

 ..................................................................... (2.8) dengan : hc = koefisien konveksi (W/m

Nu ^c .

c. Bilangan Nusselt (Nu) k D h

2 K)

(2.7) dengan : Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K) μ = viskositas fluida (Pa.det) k = konduktivitas thermal (W/m

 ......................................................................

Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu :

Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re<2300 dikatakan aliran laminar; Re>2300 dikatakan aliran turbulen.

b. Bilangan Prandtl (Pr)

) v = kecepatan aliran fluida (m/s) D = diameter aliran fluida (m) μ = viskositas fluida (Pa.det)

= rapat massa (kg/m



dengan :

 .................................................................... (2.6)

   D R _e . .

D = diameter efektif aliran fluida (m) k = konduktifitas thermal fluida (W/mK) Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan : _{n m} (2.9) Nu  C (Re )(Pr ) ..........................................................

Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut:

1. Bidang vertikal Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida sehingga fluidanya mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda. Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang bidang L dan dinyatakan dengan L Ra. Untuk kasus ini ada beberala alternatif yang dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada McAdams (1954), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu:

0,25

9 Nu = 0,59 Ra L untuk 10 L ..........................................(2.10)

≤ Ra ≤ 10

1/3

13 Nu = 0,1 Ra L untuk 10 L ..........................................(2.11)

≤ Ra ≤ 10

2. Bidang miring Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan

90 . Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut

kemiringannya kurang dari 90 . Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah pelat yang panas dimiringkan

o dengan sudut ke terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.9.

miringan θ < 90

Gambar 2.9 Konveksi natural dan tebal lapisan batas pada bidang miring [4]

Pada ruang pengering (kanal) kolektor surya ini perpindahan panas yang terjadi menuju ruang pengering (drying chamber) adalah perpindahan panas konveksi natural, sehingga aliran udara bergerak yang terjadi melalui kolektor adalah akibat perpindahan panas konveksi natural. Perpindahan panas pada kolektor dianalisa dengan plat absorber adalah plat miring dan dengan temperatur seragam. Profil kecepatan dalam lapisan batas adalah:

(2.12) ( ..........................................................

) = (1 − )

Dengan δ adalah tebal lapisan batas (m) adalah daerah yang mengalami hambatan karena adanya tegangan geser pada permukaan plat dan kaca sehingga partikel fluida terpaksa berhenti pada sekitar permukaan benda, baik di permukaan plat maupun di permukaan kaca. Vc(y) adalah kecepatan karakteristik yang merupakan fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y). Pada posisi y yang sama, kecepatan karakteristik ini sama sepanjang x. persamaan untuk mencari kecepatan karakteristik adalah: Dan tebal lapisan batas adalah : Konstanta gravitasi pada persamaan diatas adalah gravitasi yang searah dengan plat miring (g cos Ө).

Pada gambar dapat dilihat bahwa pada bidang miring dengan sudut kemiringan

θ terhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi g cos θ yang sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat dianggap

sebagai pelat vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi g

cos θ. Maka untuk

bidang miring semua persamaan pada kasus bidang vertikal dengan T s dan q′′ konstan dapat digunakan. Tetapi gravitasi g harus diganti menjadi

g cos θ saat menghitung bilangan Ra.

3 cos ( − )

Ra = ................................................ (2.15)

Setelah menghitung bilangan Ra, maka semua persamaan untuk pelat vertikal, dapat digunakan. Kita tinggal memilih persamaan mana yang sesuai untuk kasus yang sedang dibahas.

2.4.3 Radiasi

Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton dipancarkan dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu permukaan ke permukaan lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui permukaan tersebut

Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya. Untuk radiator ideal, biasanya berupa benda hitam (black body). Daya pancar :

(2.16) Eb = σ. T ....................................................................

dimana : Eb = daya pancar benda hitam (W/m )

4 W/m K

σ = tetapan Stefan-Boltzmann = 5.669 x 10 T = suhu absolute (K)

Perpindahan panas secara radiasidipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: 1.

Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar kecil jumlahpancaran yang akan dapat dilepaskan.

2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau menyerap panas.

3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan lain. Karakteristik Radiasi dari Permukaan Benda Hitam: 1.

Emisi Permukaan Sifat dari permukaan radiasi (emisivitas) didefinisikan sebagai perbandingan radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam pada temperatur yang sama.

Emisivitas mempunyai nilai yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang dan arahnya. Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1, di mana benda hitam mempunyai nilai emisivitas 1.

2. Absorbsivitas (Penyerapan) Absorbsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.

3. Transmisivitas Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari - Rancang Bangun Kolektor Surya Sebagai Pengsasil Fluida Panas pada Alat Pengering Hibrida Pompa Kalor dan Surya