PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN VARIASI SUDUT KOLEKTOR 20 DAN 30
PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN VARIASI SUDUT KOLEKTOR 20 DAN 30
Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh:
ABSTRAK
Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial.Dengan menggunakan alat yang disebut dengan Pemanas Air Tenaga Surya (PATS), dapat dilakukan pemanas air secara terus menerus tanpa mengeluarkan biaya yang besar. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air, biasanya dalam modus sirkulasi alami. Kelemahan utama dari pemanas air tenaga surya adalah proses perpindahan panas rendah. Menggunakan refrigeran sebagai fluida sekunder untuk mentransfer panas merupakan solusi yang terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan fluida kerja refrigeran R-718 dengan memvakum fluida tersebut pada tekanan yang berbeda serta dengan pengaturan kemiringan absorber yang berbeda pula. Tiga kolektor digabungkan dalam satu unit yang dirancang dan dibuat sebagai peralatan eksperimen. Dimensi masing- masing kolektor adalah pelat absorber berukuran 20 x 100 (cm), dua pipa panas dengan diameter 3/4 inci dan satu tangki air berisi 4 liter. Penelitian dengan memanfaatkan refrigeran bertekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg. Adapun penelitian terhadap tiga tekanan yang berbeda tersebut dilakukan bersamaan dengan tiap penelitian dilakukan variasi sudut kemiringan pada sudut 20 dan 30 dengan tahap penelitian sebagai berikut: 1) Mengisi pipa panas pada kolektor 1, 2 dan 3 masing masing dengan refrigeran R-718 vakum 45 cmHg. 40 cmHg dan 35 cmHg, 2) Melakukan pengujian dengan kemiringan absorber tiap pengujian sebesar 20 dan 30 . Adapun hasil penelitian ini adalah: 1)Pada tekanan fluida kerja vakum 45 cmHg dan sudut kemiringan 30 didapat suhu pemanasan air tertinggi 2) Temperatur kolektor berbanding lurus dengan temperatur air pada tangki. 3) Efisiensi pada temperatur air maksimum dari kolektor pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan fluida sekunder refrigeran R-718 sudut 20 tertinggi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 30,02% dengan temperatur air maksimum 56,21 C dan pada sudut 30 efesiensi pada tekanan vakum 35 cmHg sebesar 43,75% dengan temperatur air maksimum 59,69
C. 4) Efisiensi terbaik adalah pada kolektor dengan fluida kerja vakum 35 cmHg.
Kata kunci: pipa panas, refrigeran, pemanas air, energi surya
ABSTRACT
Solar energy is one of renewable energy resource potential. By using an instrument called the Solar Water Heater, water heating can be carried out continuously without spending huge costs. At this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water, usually in natural circulation mode. The main drawback of solar water heater is the process of heat transfer is low. Using refrigerant as a secondary fluid to transfer heat is the best solution. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heating systems using the heat pipe working fluid refrigerant R-718 by vacuuming the fluid at different pressures and with the slope setting different absorber. Three collectors are combined in a single unit designed and manufactured as experimental equipment. The dimensions of each collector is the absorber plate measuring 20 x 100 (cm), two heat pipes with a diameter of 3/4 inch and a water tank contains 4 liters. Research by utilizing a vacuum pressure refrigerant 45 cmHg, 40 cmHg and 35 cmHg. The study of three different pressures is performed in conjunction with each variation of the angle of research conducted on the corner of 20 and 30 with the phase of the study as follows: 1) Fill the heat pipes on the collector 1, 2 and 3 respectively with refrigerant R-718 vacuum 45 cmHg , 40 cmHg and 35 cmHg, 2) Conducting tests with each test absorber slope of 20 and 30 . The results of this study are: 1) In the working fluid pressure of 45 cmHg vacuum and the angle of 30 obtained the highest temperature of the water heating 2) The temperature of the collector is proportional to the temperature of the water in the tank. 3) The efficiency at maximum water temperature of solar water heater collector heat pipe system with a secondary fluid refrigerant R-718 at 20 top corner on 35 cmHg vacuum pressure is 30.02%, and the maximum water temperature is 56,21
C. At 30 , efficiency in 35 cmHg vacuum pressure is 43,75% with the rate of maximum temperature water is
59.69 C. 4) The best efficiency for solar water heater is obtained when the vacuum pressure rate of refrigerant R-718 is 35 cmHg.
Keywords: heat pipes, refrigerant, water heaters, solar energy
…………………………………………………………………………….. DAFTAR ISI ABSTRAK …………………………………………………………......... i KATA PENGANTAR …………………………………………………………………............ iii DAFTAR ISI …………………………………………………………........... v DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………………… ix DAFTAR TABEL ……………………………………………………………… xii DAFTAR LAMPIRAN ………………………………………………………………….. xiii DAFTAR NOTASI xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang …………………………………………………………..
1 1.2. Perumusan Masalah ……………………………………………………...
3
1.3. Batasan Masalah… ………………………………………………………
3 1.4. Tujuan Penelitian ………………………………………………………..
4
1.4.1. Tujuan Umum ……………………………………………………
4 1.4.2. Tujuan Khusus …………………………………………………..
4
1.5. Manfaat Penelitian ………………………………………………………
4
1.6. Sistematika Penulisan ……………………………………………………
5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Perpindahan Panas ………………………………………………………
7
2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi ……………………………………
7
2.1.2. Teori Dasar Konveksi ……………………………………………
7
2.1.3. Perhitungan Panas Radiasi ………………………………………
8
2.2. Radiasi Surya ……………………………………………………………
8
2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya ………………………………………
8
2.2.2. Absorbtivitas, Reflectivitas dan Transimitas ……………………
9
2.2.3. Rumusan Radiasi Surya …………………………………………
11
2.2.4. Hipotesis Pengaruh Sudut………………………………………… 18
2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS…
19 2.3. Panas, Panas Latent, dan Panas Sensible ………………………………..
20 2.3.1. Pengaruh Heat (Panas) Terhadap Wujud Benda …......................
20
2.3.2. Jenis panas ………………………………………………………
21 2.3.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya .
22 2.4. Alat Pemanas Air Tenaga Surya ………………………………………..
22 2.4.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya …………………….
23
2.4.2. Plat Absorber Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya ……………
24 2.4.3. Isolator Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya ………………….
25 2.4.4. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya..
25 2.4.5. Energi yang Diserap oleh air …………………………………….
27 2.4.6. Efisiensi dari Kolektor …………………………………………..
28 2.5. Refrigeran R-718 ………………………………………………………..
28 BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu ………………………………………………………
31 3.1.1. Tempat Penelitian ………………………………………………..
31
3.1.2. Waktu Pelaksanaan ………………………………………………
31 3.2 Bahan dan Peralatan …………………………………………………….
31
3.2.1. Bahan ……………………………………………………………
31
3.2.2. Peralatan …………………………………………………………
32 3.3. Pelaksanaan Penelitian …………………………………………………..
40 3.3.1. Pemeriksaan Peralatan …………………………………………..
41 3.3.2. Persiapan Pendahuluan ………………………………………….
41 3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran ………………………………….
42 3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor ……………………………………….
42 3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian ………………………………. ………………………………………………………………
42
3.4. Eksperimen Set-UP
43
3.5. Variabel Penelitian ……………………………………………………
43
3.5.1. Variabel bebas ………………………………………………..…
43 3.5.2. Variabel terikat ………………………………………………….
44 3.6. Analisa Data ……………………………………………………………..
44 3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian ……………………………………..
45
4.1. Hasil Penelitian …………………………………………………………
o …………………………………..
o …………………………………….
69
4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q
incident
)…………………….…
71
4.6.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ……………………………………
73
4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……………………
74
4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 20
75
68
4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) ………………………
76
4.7.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ……………………………………
78
4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……………………
80
4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 30
o …………………………………..
81 4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident )……………………….
81
4.8.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ……………………………………
84 4.8.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum …………………..
4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 30
67 4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum …………………..
46 4.2. Analisa Suhu Kolektor dan Air pada Tangki dari Hasil Penelitian ……..
57
46
4.2.1. Penelitian Tahap I ………………………………………………
46 4.2.2. Penelitian Tahap II …………………………………..................
48 4.2.3. Penelitian Tahap III ……………………………………………..
50
4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 20
o ……………………………………..
52
4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) ………………………
52
4.3.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ……………………………………
56 4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum……..……………..
4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 30
) ……………………………………
o ……………………………………..
58 4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) ………………….......
58 4.4.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) …………………………………...
61 4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum …………………..
62
4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 20
o
……………………………………
63 4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ) ……………………...
63
4.5.2. Energi yang Diserap Air (Q
u
85
4.9. Fluktuatif Tekanan Saat Pengujian………………………….………….
87 4.10. Data cuaca saat penelitian berlangsung…………………………..…….
89 4.11. Pembahasan…………………………………………………………….
95 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ……………………………………………………………….
98 5.2.Saran …………………………………………………………………........ ……………………………………………………………….
99 DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………………………….
xv LAMPIRAN xvii
DAFTAR GAMBAR
26
o
………..….……… Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20
o
………..…….…… Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30
o ……………….…..
9
10
10
11
14
20
23
26
o ………….………..
31
33
34
34
35
36
37
43
47
48
49
50
51
Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30
….…….….……… Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20
Nomor Judul Halaman 2.1.
3.6
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.7
o
3.8
4.1 4.2.
4.3
4.4
4.5
4.6 Interaksi Energi Surya ……………………………………………......
Pola Absorpsi ………………………………………………………… Radiasi Surya..………………………………………………………... Hubungan antara Matahari dan Bumi………………………………… Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari……………………….…..…... Pengaruh Koefisien Sudut Pengubah Terhadap Kemiringan………… Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)…………........................... Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber …………………………. Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi…………………...……. Tata Letak Lokasi Penelitian ………………………………………… Skema Pemanas Air Tenaga Surya ...………………………………... Pompa Vacum………………………………………………...………
Manifold Gauge ……………………… .. ……………………………………. Agilient 34972 A ……………………………………………… .. ……………
Laptop…………………………………………………………………
Hobo Microstation data logger …………………………………………….
Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya…………...….. Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 20
o
…………………… Grafik Temperatur Pelat Absorber, Air padaVacum 45 cmHg, 40cmHg dan 35 cmHg Vs Waktu pada Sudut 30
52
4.7 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu …………………..……………
53
4.8 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o Tahap I Sudut 20 ………………………………….………...……….
56
4.9 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap I Sudut 20 ……………………………………………..……...
57 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu …………………………….….
59
4.11 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o
Tahap I Sudut 30 ………………………….…………………………
62
4.12 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap I Sudut 30 ……………………………………………..……...
63
4.13 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu …………………………..……
64
4.14 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o Tahap II Sudut 20 …………………………………………..……….
68
4.15 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap II Sudut 20 …………………………………………………...
69 4.16 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu ……………………………….
70
4.17 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o
Tahap II Sudut 30 ……………………………….…………..………
74
4.18 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap II Sudut 30 ………………………………………….………...
75 4.19 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu …………………...…………...
76
4.20 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o Tahap III Sudut 20 ………………………………………….……….
79
4.21 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap III Sudut 20 …………………………………………………..
80
4.22 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu ………………………….……
82
4.23 Grafik Jumlah Energi yang Diserap Air pada Pengujian
o Tahap III Sudut 30 ……………………………………………….….
85
4.24 Grafik Efesiensi Kolektor per Satuan Waktu pada Pengujian
o Tahap III Sudut 30 ……………………………………………...…...
86 4.25 Tekanan Saat Awal Pengujian ………………………………............
91 4.26 Tekanan Pada Pukul 09.00 ………………………………….............
91
4.27 Tekanan Pada Pukul 10.00 ………………………………….............
92 4.28 Tekanan Pada Pukul 11.00 ………………………………….............
92 4.29 Tekanan Pada Pukul 12.00 ………………………………….............
93 4.30 Tekanan Pada Pukul 13.00 ………………………………….............
93 4.31 Tekanan Pada Pukul 14.00 ………………………………….............
94 4.32 Tekanan Pada Pukul 15.00 ………………………………….............
94 4.33 Tekanan Pada Pukul 16.00 ………………………………….............
95 4.34 Perubahan Tekanan Dan Temperatur Air Terhadap Waktu…………..
95
4.35 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap I Sudut 20 ……………………………….………...
96
4.36 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap I Sudut 30 ……………………………….………...
96
4.37 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap II Sudut 20 ……………………...……….………...
97
4.38 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap II Sudut 30 ……………………...……….………...
98
4.39 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap III Sudut 20 …………………….……….………...
98
4.40 Grafik Tingkat Kelembapan dan Temperatur Lingkungan Saat
o Penelitian Tahap III Sudut 30 …………………….……….………...
99
DAFTAR TABEL
4.5 Urutan Hari Berdasarkan Bulan……………………………………............
46
40
39
38
37
30
29
29
24
16
12
Faktor Koreksi Iklim ……………………………………………………… Emisivitas Material………………………………………………………... Sifat R-718 pada tekanan vacum 45 cmHg (0,4001 bar absolut).………… Sifat R-718 pada tekanan vacum 40 cmHg (0,466 bar absolut)..……..…... Sifat R-718 pada tekanan vacum 35 cmHg (0,533 bar absolut)................... Spesifikasi Measurement Apparatus ……………………………...……… Spesifikasi Pyranometer ………………………………………….…..…... Spesifikasi Wind Velocity Sensor ….……..……………………………………. Spesifikasi T dan RH Smart Sensor …..…………………………..…………… Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap……………………..………. Perbandingan Efisiensi……………………………………………………. Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada Kemiringan Kolektor 20 …………………………………………………. Uji Korelasi Performansi PATS Saat Pengujian Pada Kemiringan Kolektor 30 …………………………………………………. Efisiensi pada Temperatur Air Maksimum dari Setiap Penelitian………...
4.4
Nomor Judul Halaman 2.1.
4.3
4.2
4.1
3.4
3.3
3.2
3.1
2.6
2.5
2.4
2.3
2.2
90 100 101 102