RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN

RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FADLY RIAN ARIKUNDO NIM. 080401091 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul “RANCANG BANGUN

PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK

PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN

PERKEBUNAN”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, nasihat dan bantuan baik materil, maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.sc selaku dosen pembimbing yang telah membantu dalam bimbingan serta dukungan dalam penulisan skripsi ini.

2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera dan sebagai dosen pembanding I yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan sebagai dosen pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST, MT. sebagai dosen yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

5. Bapak Ir. Zaman Huri, M.T selaku dosen wali yang telah membimbing dan memberikan nasihat selama penulis kuliah.

6. Kedua orang tua penulis, Alm. Suryana Hardjadinata dan Zuliani Yendani yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a, nasihat serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada penulis.

7. Abang penulis, Hendra Indrawan, Riza Suryan Putra, SP., kakak penulis Erica Dina M.Eng, adik penulis Indah Rizki Mahfira dan keluarga lainnya yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam penyelesaian skripsi ini.

8. Ibu S. Farah Dina dan Bapak Haznam yang juga telah membantu penulis selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.

9. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

10. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Indra Gunawan dan Nehemia Sembiring yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi 11. Eka Harditya Yonanda Srg ST., yang selalu senantiasa mengingatkan, mendukung, dan memberi semangat kepada penulis.

12. Teman-teman penulis khususnya Fitra Ali, Zaki Miswari, Willy Erlangga, Paramitha Rara, Nurul Aini, Qarina yang telah memberikan dukungan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

13. Rekan-rekan khususnya Felix Asade, Ramadhan, Harry Pramana, Ari Fadillah, yang bersama-sama dengan penulis menuntaskan kerja praktek.

14. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 khususnya, Ferdinand, Michael, Joshua, Fauzi, Alexander, Howard Lee, Otto, Munawir, Sahir Bani, Frans, Agorlif, Herto dan rekan-rekan lainnya, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih sempurna. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, April 2013 FADLY RIAN ARIKUNDO

ABSTRAK

Proses pengeringan merupakan salah satu kegiatan penting yang dilakukan pada produk pertanian dan perkebunan untuk meningkatkan kualitas dengan cara menghilangkan sebagian kadar air sampai batas dimana mikroba tidak dapat tumbuh. Untuk itu, pada tugas akhir ini dirancang sebuah ruang pengering berukuran 0,5m x 0,5m x 0,7m yang menggunakan kolektor surya pelat datar dengan ukuran 2m x 0,5m serta menggunakan ubi kayu sebagai sampel. Perancangan alat pengeringan ini bertujuan untuk mengeringkan ubi kayu dari kadar air awal ±60% menjadi >10%. Kolektor surya diisolasi dengan rockwoll,

sterofoam dan kayu sehingga kehilangan panas dapat diminimalisasi. Medium

pengering adalah udara panas yang dihasilkan melalui kolektor yang menangkap radiasi sinar matahari dan dialirkan secara alamiah keruang ruang pengering selanjutnya akan digunakan untuk mengeringkan ubi kayu. Setelah dilakukan penelitian dengan metode eksperimen yakni dengan cara mengamati dan mengukur langsung hal-hal yang dilakukan pada alat pengering tersebut kemudian dilakukan pengolahan serta evaluasi data penelitian. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pada pukul 08:00–17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 372,21 watt, kehilangan panas rata-rata pada kolektor adalah 161,32 watt dan efisiensi rata-rata dari kolektor surya yang didapat selama proses pengujian adalah 40,13%.

Kata kunci : pengering, kolektor surya, perpindahan panas

ABSTRACT The drying process is one of important activities on agricultural and plantation products to increase quality by deaden water content partly till limit of

microbes can't grow. Therefore, in this final project designed a drying chamber

measuring 0.5 m x 0.5 m x 0.7 m using flat plate solar collector sized 2m x 0.5m

and used cassava as sample. Design of this drying tool aim to dry cassava from

the initial moisture content of ± 60% to >10%. Isolated solar collector with

rockwool, sterofoam and wood are used to isolate the solar collector to minimize

the heat loss. Medium dryer is hot air which produced through collector which

caught the solar radiation and flowed naturally to drying chamber. Furthermore it will be used to dry the cassava. The research used experimental method, that is,

observe and quantify directly the drying tool. Then it will be processing and

evaluate the data. From research was conducted at 8 am until 5 pm in sunny

weather, the result show that the average radiation heat which can be absorbed

by the collector is 372.21 watt, the average heat loss is 161.32 watt and the

average efficiency from the solar collector during test is 40.13%.

Keywords: dryer, solar collectors, heat transfer

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ......................................................................................... i ABSTRAK ........................................................................................................... iii ABSTRACT ......................................................................................................... iv DAFTAR ISI ........................................................................................................ v DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii

DAFTAR GRAFIK ............................................................................................. ix DAFTAR SIMBOL ............................................................................................. xi

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

1.1

1 Latar Belakang

1.2 Tujuan ....................................................................................................... 3

1.3

3 Manfaat

1.4

3 Batasan Masalah

1.5

4 Sistematika Penulisan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5

2.1

5 Pengeringan

2.2

8 Ubi (Cassava)

2.3

10 Kolektor dan Jenis Jenisnya

2.4

13 Pemanfaatan Energi Matahari

2.5

16 Tinjauan Perpindahan Panas

2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi

2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi Natural

2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi

23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 25

3.1

25 Waktu Dan Tempat Penelitian

3.2

25 Metode Desain

3.2.1 Perancangan Pelat Absorber

3.2.2 Perancangan Kaca Penutup

3.2.3 Perancangan Isolasi

3.2.4 Perancangan Rangka Mesin Pengering

3.2.5 Perancangan Boks Pengering ........................................................... 28

3.3

29 Alat dan Bahan yang Digunakan

3.3.1 Peralatan Pengujian

3.3.2 Bahan Pengujian

3.4

39 Persiapan Pengujian

3.5

41 Prosedur Pengujian

BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA ........................................................... 42

4.1

42 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)

4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran

4.1.2 Perbandingan Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran

4.2

46 Desain Kolektor Surya

4.3

47 Perhitungan Kehilangan Panas Kolektor Surya

4.3.1 Menghitung Kecepatan Profil Dalam Kolektor (

48 )

4.3.2

51 Menghitung Kehilangan Panas Pada Dinding

4.3.3

58 Perhitungan Kehilangan Panas Pada Sisi Alas

4.3.4

60 Perhitungan Kehilangan Panas Pada Sisi Atas

4.3.5

62 Menghitung Kehilangan Panas Radiasi

4.3.6 )

total

Menghitung Kehilangan Panas Total Kolektor (Q

4.4

63 Efisiensi Kolektor Surya

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 76

5.1

76 Kesimpulan

5.2

76 Saran

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Daftar Komposisi Kimia Ubi (Cassava) 100 gr bahan ........................... 9Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer ......................................................................... 32Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ............................................................ 33Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ....................................................... 33Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ........................................................ 34Tabel 4.1 Data Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran 1 Maret 2013 .................. 42Tabel 4.2 Perbandingan Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran................. 43Tabel 4.3 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada

Tanggal 01 Maret 2013 ........................................................................... 67

Tabel 4.4 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada

Tanggal 02 Maret 2013 ........................................................................... 69

Tabel 4.5 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada

Tanggal 05 Maret 2013 .......................................................................... 72

Tabel 4.6 Data Perhitungan Efisiensi Kolektor Tiap 15 Menit Pada

Tanggal 06 Maret 2013 ........................................................................... 74

DAFTAR GAMBAR

30 Gambar 3.5 Agilient

47 Gambar 4.3 Gradient Perpindahan Panas Pada Isolator

46 Gambar 4.2 Penampang Kolektor Surya

39 Gambar 4.1 Rancangan Kolektor Surya

38 Gambar 3.14 Experimental Setup

38 Gambar 3.13 Pelat Seng

37 Gambar 3.12 Sterofoam

37 Gambar 3.11 Kaca

36 Gambar 3.10 Rockwool

36 Gambar 3.9 Triplek

35 Gambar 3.8 Sampel Ubi Kayu

32 Gambar 3.7 USB load cell

31 Gambar 3.6 Hobo Microstation data logger

29 Gambar 3.4 Laptop

Gambar 2.1 Mesin Pengering

28 Gambar 3.3 Alat Pengering

26 Gambar 3.2 Boks Pengering

21 Gambar 3.1 Kolektor

19 Gambar 2.10 Konveksi Natural Dan Tebal lapisan Batas Pada Bidang Miring

18 Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural.

17 Gambar 2.8 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor

16 Gambar 2.7 Perpindahan Panas Konduksi

14 Gambar 2.6 Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya Pelat Datar

13 Gambar 2.5 Energi Yang Masuk Bumi

12 Gambar 2.4 Hubungan Matahari Dan Bumi

12 Gambar 2.3 Evacuated Tube Collector

10 Gambar 2.2 Kolektor Surya Konsentrator, (a) Line Focus, (b) Point Focus

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 01 Maret 2013 ................................. 43

Grafik 4.2 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 02 Maret 2013 ................................. 44

Grafik 4.3 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 05 Maret 2013 ................................. 44

Grafik 4.4 Intensitas Radiasi Matahari Hasil Pengukuran Hobo dan Pengukuran BMKG Pada Tanggal 06 Maret 2013 ................................. 45

Grafik 4.5 Waktu vs Temperatur 1 Maret 2013 pukul 12.00-12.15 ........................ 48 Grafik 4.6 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 01

Maret 2013.............................................................................................. 68 Grafik 4.7 Grafik Waktu vs Temperatur Pada Tanggal 01 Maret 2013 .................. 68 Grafik 4.8 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari

Pada Tanggal 01 Maret 2013 .................................................................. 68 Grafik 4.9 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 02

Maret 2013.............................................................................................. 68 Grafik 4.10 Grafik Waktu vs Temperatur Pada Tanggal 02 Maret 2013 .................. 69 Grafik 4.11 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari

Pada Tanggal 02 Maret 2013 .................................................................. 70 Grafik 4.12 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 05

Maret 2013.............................................................................................. 71 Grafik 4.13 Grafik Waktu vs Temperatur PadaTanggal 05 Maret 2013 ................... 71 Grafik 4.14 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas Radiasi Matahari

Pada Tanggal 05Maret 2013 ................................................................... 73 Grafik 4.15 Grafik Waktu vs Itensitas Radiasi Matahari Pada Tanggal 06

Maret 2013.............................................................................................. 73 Grafik 4.16 Grafik Waktu vs Temperatur PadaTanggal 06 Maret 2013 ................... 74 Grafik 4.17 Grafik Waktu vs Efisiensi dan Itensitas RadiasiMatahari

Pada Tanggal 06 Maret 2013 .................................................................. 75

DAFTAR SIMBOL SIMBOL KETERANGAN SATUAN

2 A Luas Penampang m

A Ketinggian Dari Permukaan Laut km B Konstanta Hari

Panas Jenis kJ/kg K E Faktor Persamaan Waktu menit E b Energi Matahari Yang Diterima Bumi kal/hari F’ Faktor Efisiensi Kolektor

g Gravitasi m/s

Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung

2 Ke Permukaan Bumi W/m

2 Radiasi Difusi W/m

2 G Radiasi Di Atmosfer W/m on

Gr L Bilangan Grashof

2 G sc Radiasi Rata-Rata Yang Diterima Bumi W/m

2 Radiasi Total W/m

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m K

hw Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi W/m C

2 I Itensitas Radiasi Matahari W/m

k Konduktivitas Bahan Termal W/m K

L Posisi Bujur

loc o

Lst Standart Meridian Nu Bilangan Nusselt .

Watt

Q Laju Energi Panas

Ral Bilangan Rayleigh Re Bilangan Reynold

S Konstanta Matahari Ly.menit ST Waktu Matahari STD Waktu Lokal

T r Temperatur Udara Sekitar

σ Kontanta Stefan Boltzomann W/m

Ө Kemiringan Kolektor

Posisi Lintang

C φ

Perbedaan Temperatur

Selang Waktu Perhitungan s ∆

C Δt

� Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor

̇ Laju Aliran Massa Udara kg/s Nilai Transmisifitas

2 K

% Massa Jenis kg/m

ε Emisivitas Bahan Efisiensi

δ Tebal Lapisan Batas m

Sudut Deklinasi

Koefisien Udara 1/K δ

C Kecepatan Karakteristik m/s Kecepatan Profil Kolektor m/s wQ Nilai Ketidakpastian Nilai Absorbsifitas

Temperatur Udara Lingkungan

∞

C T

s T Temperatur Dinding o

RANCANG BANGUN PROTOTYPE KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING PRODUK PERTANIAN DAN PERKEBUNAN