Uji Kinerja Mesin Pendingin Tenaga Surya Dengan Luas Kolektor 0.25 m2

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Surya
Energi surya adalah energi yang berupa sinar dan panas dari matahari.
Energi ini dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti
pemanas surya, fotovoltaik surya, listrik termal surya, arsitektur surya, dan
fotosintesis buatan. Teknologi energi surya secara umum dikategorikan menjadi
dua kelompok, yakni teknologi pemanfaatan pasif dan teknologi pemanfaatan
aktif. Pengelompokan ini tergantung pada proses penyerapan, pengubahan, dan
penyaluran energi surya. Contoh pemanfaatan energi surya secara aktif adalah
penggunaan panel fotovoltaik dan panel penyerap panas. Contoh pemanfaatan
energi surya secara pasif meliputi mengarahkan bangunan ke arah matahari,
memilih bangunan dengan massa termal atau kemampuan dipersi cahaya yang
baik, dan merancang ruangan dengan sirkulasi udara alami.
Pada tahun 2011, Badan Energi Internasional menyatakan bahwa
"perkembangan teknologi energi surya yang terjangkau, tidak habis, dan bersih
akan memberikan keuntungan jangka panjang yang besar. Perkembangan ini akan
meningkatkan keamanan energi negara-negara melalui pemanfaatan sumber
energi yang sudah ada, tidak habis, dan tidak tergantung pada impor,
meningkatkan kesinambungan, mengurangi polusi, mengurangi biaya mitigasi
perubahan iklim, dan menjaga harga bahan bakar fosil tetap rendah dari

sebelumnya. Keuntungan-keuntungan ini berlaku global. Oleh sebab itu, biaya
insentif tambahan untuk pengembangan awal selayaknya dianggap sebagai
investasi untuk pembelajaran, inventasi ini harus digunakan secara bijak dan perlu
dibagi bersama.
Bumi menerima 174 petawatt (PW) radiasi surya yang datang (insolasi) di
bagian atas dari atmosfer. Sekitar 30% dipantulkan kembali ke luar angkasa,
sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan, dan daratan. Sebagian besar
spektrum cahaya matahari yang sampai di permukaan Bumi berada pada

Universitas Sumatera Utara

jangkauan spektrum sinar tampak dan inframerah dekat. Sebagian kecil berada
pada rentang ultraviolet dekat.
Permukaan darat, samudra dan atmosfer menyerap radiasi surya, dan hal
ini mengakibatkan temperatur naik. Udara hangat yang mengandung uap air hasil
penguapan air laut meningkat dan menyebabkan sirkulasi atmosferik atau
konveksi. Ketika udara tersebut mencapai posisi tinggi, di mana temperatur lebih
rendah, uap air mengalami kondensasi membentuk awan, yang kemudian turun ke
Bumi sebagai hujan dan melengkapi siklus air. Panas laten kondensasi air
menguatkan konveksi, dan menghasilkan fenomena atmosferik seperti angin,

siklon, dan anti-siklon. Cahaya matahari yang diserap oleh lautan dan daratan
menjaga temperatur rata-rata permukaan pada suhu 14 °C. Melalui proses
fotosintesis, tanaman hijau mengubah energi surya menjadi energi kimia, yang
menghasilkan makanan, kayu, dan biomassa yang merupakan komponen awal
bahan bakar fosil.
Total energi surya yang diserap oleh atmosfer, lautan, dan daratan Bumi
sekitar 3.850.000 eksajoule (EJ) per tahun. Pada tahun 2002, jumlah energi ini
dalam waktu satu jam lebih besar dibandingkan jumlah energi yang digunakan
dunia selama satu tahun. Fotosintesis menyerap sekitar 3.000 EJ per tahun dalam
bentuk biomassa. Potensi teknis yang tersedia dari biomassa adalah 100-300 EJ
per tahun. Jumlah energi surya yang mencapai permukaan planet Bumi dalam
waktu satu tahun sangatlah besar. Jumlah ini diperkirakan dua kali lebih banyak
dibandingkan dengan semua sumber daya alam Bumi yang tidak terbarukan yang
bisa diperoleh digabungkan, seperti batubara, minyak bumi, gas alam, dan
uranium. Energi Surya dapat dimanfaatkan pada berbagai tingkatan di seluruh
dunia, yang utamanya bergantung pada jarak dari khatulistiwa.
2.2 Mesin Pendingin Tenaga Surya Siklus Adsorpsi
Sejarah mesin pendingin adsorpsi dimulai pada abad ke-19 mendahului
jenis kompresi uap dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri. Siklus
pendinginan adsorpsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan

utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan

Universitas Sumatera Utara

tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan
uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi.
Pada sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan pada sistem
pendingin adsorpsi digunakan absorber dan generator. Uap bertekanan rendah diserap di
absorber, tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator sehingga
absorber dan generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak. Untuk
melakukan proses kompresi tersebut, sistem pendingin kompresi uap memerlukan masukan
kerja mekanik sedangkan sistem pendingin adsopsi memerlukan masukan energi panas. Oleh
sebab itu, siklus kompresi uap sering disebut sebagai siklus yang digerakkan dengan kerja dan
siklus

absorbsi

disebut

sebagai

siklus

yang

digerakkan

dengan

panas.

Salah satu keunggulan sistim absorpsi adalah karena menggunakan panas
sebagai energi penggerak. Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah
(low level energy) karena panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan
sering kali tidak didaur ulang. Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai
cara, seperti menggunakan kolektor surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler
yang menggunakan energi komersial.
Sistem absorpsi menyerap uap tekanan rendah dari evaporator ke dalam
zat cair penguap (absorbing liquid) yang cocok pada absorber. Pada komponen ini
terjadi perubahan fasa dari uap menjadi cair, karena proses ini sama dengan

kondensasi, maka selama proses berlangsung terjadi pelepasan kalor. Tahap
berikutnya adalah menaikan tekanan zat cair tersebut dengan pompa dan
membebaskan uap dari zat cair penyerap dengan pemberian kalor.
Pada sistem kompresi uap, siklus yang terjadi dioperasikan oleh kerja
(work-operated cycle) karena kenaikan tekanan refrigeran pada saluran discharge
dilakukan oleh kompresor. Sedangkan pada sistem absorbsi, siklusnya
dioperasikan oleh kalor (heat-operated cycle) karena hampir sebagian besar
operasi berkaitan dengan pemberian kalor untuk melepaskan uap refrigeran dari
zat cair yang bertekanan tinggi pada generator. Sebenarnya pada sistem ini juga
membutuhkan kerja atau usaha untuk menggerakan pompa namun relatif lebih
kecil dibandingkan dengan sistem kompresi uap.

Universitas Sumatera Utara

Generator menerima kalor dan membuat uap refrigeran terpisah dari
absorbentnya menuju ke kondensor, sementara absorben akan kembali menuju
absorber melalui katup trotel. Pada kondensor terjadi pelepasan kalor ke
lingkungan sehingga fasa refrigeran berubah dari uap superheat menjadi cair.
Selanjutnya refrigeran mengalami penurunan tekanan dan temperatur secara
adiabatis

pada

katup

ekspansi

sehingga

ketika

memasuki

evaporator

temperaturnya akan berada di bawah temperatur lingkungan. Pada komponen
evaporator inilah terjadi proses pendinginan suatu produk dimana kalornya
diserap oleh refrigeran untuk selanjutnya menuju absorber.
2.3 Adsorben
2.3.1 Karbon Aktif

Karbon aktif merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95%
karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan
pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung diusahakan agar tidak terjadi
kebocoran udara di dalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung
karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Karbon aktif selain
digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben
(penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan
ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap karbon aktif tersebut dilakukan
aktivasi dengan aktif faktor bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada
temperatur tinggi.

Gambar 2.1 Adsorben karbon aktif

Universitas Sumatera Utara

Adsorben karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari
cangkang kelapa. Adapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan
adalah sebagai berikut.
Tabel 2.1 Sifat adsorben karbon aktif
Sifat Adsorben Karbon Aktif

Massa Jenis

352,407-544,629 m3/kg

Pore Volume

0,56-1,20 cm3/g

Diameter rata-rata pori

15-25 Å

Regeneration Temperature

100-140 oC

Ukuran Karbon Aktif

3 mm

Untuk membuat arang aktif, setidaknya minimal dilakukan dengan 2 cara.
antara lain:
a.Karbonisasi atau pembuatan arang dari batok kelapa tua
b. Aktivasi arang cangkang kelapa
Untuk membuat arang dari cangkang kelapa perlu memenuhi syarat antara
lain tempurung dari kelapa tua dan berkadar air rendah. Syarat ini akan
memudahkan proses pengarangan, pematangannya akan berlangsung baik dan
merata.
Prinsip dasar aktivasi arang aktif adalah distilasi kering atau pirolisis yaitu
pembakaran tanpa menggunakan udara atau oksigen dengan suhu tinggi.
Berikut cara kerja pembuatan arang aktif:
a. Karbonisasi atau pembuatan arang
Untuk membuat arang ada beberapa cara, yang pertama cukup dimasukkan
ke dalam drum minyak, kemudian tempurung dibakar saat awal saja, kemudian
setelah menyala ditutup. Harap ingat, drum harus dikasih lubang udara sedikit
untuk melihat apakah arang sudah jadi atau belum, bisa dilihat dari indikasi
asap yang keluar.
Cirinya adalah jika asap tebal dan putih, berarti batok sedang mengering,
jika asap tebal dan kuning, berarti sedang terjadi pengkarbonan, Pada fase ini
sebaiknya tungku ditutup dengan maksud agar oksigen pada ruang

Universitas Sumatera Utara

pengarangan serendah-rendahnya sehingga diperoleh hasil arang yang baik.
Untuk pengaturan udara di dalam tungku bisa diatur dengan membuka tutup
lubang udara.
Kemudian jika asap semakin menipis dan berwarna biru, berarti
pengarangan hampir selesai, tunggu sampai arang menjadi dingin. Setelah
dingin arang bisa di bongkar.
b. Aktivasi Arang Aktif
Adapun prosedur atau langkah-langkah untuk mengaktifkan karbon dapat
dilakukan dengan berikut ini.
1. Arang dimasukkan ke dalam tangki aktivasi (pirolisis) dan ditutup rapat.
2. Pastikan sambungan pipa pendingin, dan termocouple untuk pengamatan
temperatur berfungsi sebagaimana mestinya.
3. Alirkan air pendingin ke dalam pipa pendingin, kemudian kompor tungku
pirolisis mulai dinyalakan. Kompor bisa menggunakan bahan bakar
minyak tanah atau solar. Pengaturan api bisa diatur menggunakan
kompresor.
4. Melakukan pengamatan terhadap kerja dari tungku aktivasi dengan

mengamati kenaikan temperatur. Temperatur selama proses sekitar 600°C
apabila temperatur telah mencapai 600°C dan terlihat pada ujung
pendingin tidak adanya tar (cairan berwarna coklat) yang keluar, ditandai
dengan adanya gelembung air, maka pembakaran dipertahankan selama 3
jam. Setelah waktu tersebut proses telah selesai.
5. Kemudian api dimatikan, dan tungku aktivasi dibiarkan sampai dingin,
setelah itu bisa dibuka dan dikeluarkan untuk dilakukan penggilingan
sesuai mesh yang diinginkan. Arang aktif atau karbon aktif siap
digunakan.

Universitas Sumatera Utara

Syarat mutu karbon aktif menurut Standar Industri Indonesia (SII No.
0254-79) adalah seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.2 Standar Mutu Karbon Aktif
Jenis Uji

Satuan

Persyaratan

1. Bagian yang hilang pada pemanasan 95oC

%

Maksimum 15

2. Air

%

Maksimum 10

3. Abu

%

Maksimum 2,5

4. Bagian yang tidak mengarang

%

Tidak ternyata

2.3.2 Alumina Aktif
Alumina aktif dibuat dari aluminium hidroksida dengan dehydroxylating
dengan cara yang menghasilkan bahan yang sangat berpori, bahan ini dapat
memiliki luas permukaan signifikan lebih dari 200 meter persegi / g. Senyawa
ini digunakan sebagai pengering dan sebagai filter fluoride, arsenik dan
selenium dalam air minum. Alumina aktif terbuat dari aluminium oksida
(alumina, Al2O3), substansi kimia yang sama seperti safir dan ruby. Ini
memiliki luas permukaan yang sangat tinggi untuk rasio berat, karena banyak
"terowongan " seperti pori-pori.

Gambar 2.2 Alumina Aktif
Alumina aktif digunakan untuk berbagai macam aplikasi adsorben dan
katalis termasuk adsorpsi katalis dalam produksi polyethylene , dalam produksi
hidrogen peroksida , sebagai adsorben selektif untuk bahan kimia, termasuk

Universitas Sumatera Utara

arsenik , fluoride , dalam penghapusan belerang dari aliran gas ( Claus proses
Catalyst ) .
Table 2.3 Sifat alumina aktif
Luas Permukaan

320 m2 / grm ( minimal )

Total Volume Pori - Pori

0.50 CC / grm

Kapasitas adsorptive ( R.H

22% ( dari berat )

60% )
Pengausan

0.2% ( dari berat )

Pengausan akibat gesekan

99.6% ( dari berat )

Kepadatan

47lbs/ft3 ( 753 kgs/m3 )

Ukuran

1/16”, 1/8”, 3/16”, 1/4'”
1.5mm, 3mm, 5mm, 6mm

Alumina aktif juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari
air minum . Di AS , ada program luas untuk fluoridate air minum . Namun , di
daerah tertentu , seperti daerah Jaipur India , ada cukup fluoride dalam air
menyebabkan fluorosis . Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi
kadar fluoride dari 0,5 ppm sampai kurang dari 0,1 ppm . Jumlah fluoride
kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar
menyentuh media filter alumina . Pada dasarnya , semakin alumina di filter,
semakin sedikit fluoride bias mencapai akhir , air disaring . Suhu air yang lebih
rendah , dan air pH rendah ( air asam ) akan disaring lebih efektif juga. pH
yang ideal untuk pengobatan adalah 5.5 yang memungkinkan sampai tingkat
penghapusan 95 % .
2.4 Refrigeran
Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)
atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari
benda

atau

udara

yang

didinginkan

dan

membawanya

kemudian

membuangnya ke udara sekeliling di luar benda.

Universitas Sumatera Utara

Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi 7
kelompok yaitu sebagai berikut:
1. Kelompok refrigeran senyawa halokarbon.
Kelompok refrigeran senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon
(HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan
mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl),
fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hidrogen tergantikan oleh atom Cl
dan F maka refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan
karbon. Refrigeran ini disebut refrigeran chlorofluorocarbon (CFC). Jika hanya
sebagian saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka
refrigeran

yang

terbentuk

Refrigeran halokarbon

disebut

hydrochlorofluorocarbon

yang tidak mengandung atom

(HCFC).

khlor disebut

hydrofluorocarbon (HFC).
2. Kelompok refrigeran senyawa organik cyclic.
Kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor
refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi
ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini
adalah:
1. R-C316

C4Cl2F6

1,2-dichlorohexafluorocyclobutane

2. R-C317

C4ClF7

chloroheptafluorocyclobutane

3. R-318

C4F8

octafluorocyclobutane

4. Kelompok refrigeran campuran Zeotropik.
Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri
dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang
terbentuk merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan
dengan cara destilasi.

Universitas Sumatera Utara

3. Kelompok refrigeran campuran Azeotropik.
Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi
yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada
konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu
mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan
refrigeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau
tekanan) yang lain refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.
4. Kelompok refrigeran senyawa organik biasa
Kelompok refrigeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya.
Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara
penomoran refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah
dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi
dua digit. Sebagai contoh butana (C4H10), jika dipaksakan dituliskan sesuai
dengan cara penomoran refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan
bernomor R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan.
5. Kelompok refrigeran senyawa anorganik.
Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan
digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari
refrigeran ini adalah:


R-702 : hidrogen



R-704 : helium



R-717 : amonia



R-718 : air



R-744 : O2



R-764 : SO2

Universitas Sumatera Utara

6. Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh.
Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan
menambahkan angka keempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap di
depan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran
halokarbon.
2.4.1 Metanol
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya.

Gambar 2.3 Metanol ( CH3OH)
Adapun sifat Metanol dapat dilihat seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.4 Sifat Metanol
Sifat Metanol
Massa jenis

787 kg/m³, cair

Titik lebur

-97,7oC

Titik didih

64,5oC

Klasifikasi EU

Flammable (F), Toxic (T)

Panas Laten Penguapan (Le)

1100 kJ/kg

Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus.
Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer,

Universitas Sumatera Utara

metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah
terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada etanol).
Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan
sebagai bahan aditif bagi etanol industri
Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri.
Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah
beberapa hari uap metanol akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan
sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.
2.4.2 Keamanan Refrigeran
Refrigeran dirancang untuk digunakan pada ruangan tertutup atau tidak
bercampur dengan udara luar. Jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak
diinginkan, maka refrigeran ini akan keluar sistem dan bisa saja terhirup oleh
manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran
harus dikategorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan
untuk mengklasifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan, yaitu bersifat
racun dan mudah terbakar.
Berdasarkan toxicity, refrigeran dapat dibagi dua kelas, yaitu kelas A
bersifat tidak beracun pada konsentrasi yang ditetapkan dan kelas B jika
bersifat racun. Batas yang digunakan untuk mendefinisikan sifat racun atau
tidak adalah sebagai berikut. Refrigeran dikategorikan tipe A jika pekerja tidak
mengalami gejala keracunan meskipun bekerja lebih dari 8 jam/hari (40
jam/minggu) di lingkungan yang mengandung konsentrasi refrigeran sama atau
kurang dari 400 ppm (part per million by mass). Sementara kategori B
sebaliknya.
Berdasarkan sifat mudah terbakar, refrigeran dapat dibagi atas 3 kelas,
kelas 1, kelas 2, dan kelas 3. Yang disebut kelas 1 jika mudah terbakar jika
diuji pada tekanan 1 atm (101 kPa) temperatur 18,3oC. Kelas 2 jika
menunjukkan keterbakaran yang rendah saat konsentrasinya lebih dari 0,1
kg/m3 pada 1 atm dan temperatur 21,1oC atau kalor pembakarannya kurang
dari 19 MJ/kg. Kelas 3 sangat mudah terbakar. Refrigeran ini akan terbakar

Universitas Sumatera Utara

jika konsentrasinya kurang dari 0,1 kg/m3 ataun kalor pembakarannya lebih
dari 19 MJ/kg.
Berdasarkan defenisi ini, sesuai dengan standar 34-1997. Refrigeran
diklasifikasikan menjadi 6 kategori.
1. A1 : sifat racun rendah dan tidak terbakar.
2. A2 : Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah.
3. A3 : Sifat racun rendah dan mudah terbakar.
4. B1 : sifat racunlebih tinggi dan tidak terbakar.
5. B2 : sifat racun lebih tinggi dan sifat terbakar rendah.
B3 : sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar
2.5 Komponen Mesin Pendingin Tenaga Surya
2.5.1

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 merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan
fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energy
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.
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.

Universitas Sumatera Utara

a. Flat-Plate Collectors
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan
fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energy
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.

Gambar 2.4 Flat-Plate Collectors
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 industri.
b. Concentrating Collectors
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperature antara 100°C – 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.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Concentrating Collectors
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,
concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking.
Temperatur fluida melebihi 4000 C dapat dicapai pada sistem kolektor ini.
c.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 Tube Collectors

Universitas Sumatera Utara

Radiasi total pada permukaan miring adalah jumlah dari tiga komponen yang
diterangkan dengan menggunakan rumus :
IT – IbT + IdT + IrT......................(2.1)
Intensitas radiasi langsung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal
Ibn,
....................................(2.2)
Dimana :
Ib

= radiasi sorotan pada permukaan horizontal

cosØz = sudut zenith, untuk permukaan yang dimiringkan dengan sudut
terhadap bidang horizontal, intensitas dari komponen sorotan
adalah :

.........(2.3)

Dimana ØT disebut sudut masuk, dan didefenisikan sebagai sudut antara arah
sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus ( 90 oC)
pada permukaan miring.
Persamaan untuk sudut ØT , yaitu sudut masuk adalah :
Cos T = sin . Sin (ф – ) + cos . Cos (ф – ). Cos ω..........(2.4)
Radiasi sorotan IbT pada permukaan miring selanjutnya dapat dihitung dari
radiasi sorotan Ib pada sebuah permukaan horizontal,

...........................(2.5)

Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi
yang diancarkan ke permukaan oleh atmosfer, dank arena itu berasal dari

Universitas Sumatera Utara

seluruh bagian langit. Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa
radiasi sebaran (langit) didistribusikan merata , maka radiasi sebaran pada
permukaan miring dinyatakan dengan:
...................................(2.6)
Dimana

adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan

besarnya radiasi sebaran. Selain komponen radiasi langsung dan sebaran,
permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari
permukaan yang berdekatan; jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari
reflektansi

dari permukaan yang berdektan itu,dan kemiringan permukaan

yang menerima. Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi
patulan , adalah :


Dimana

.............(2.7)

= 0,20-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk permukaan

lapisan salju.

2.5.1.1 Efisiensi sirip
Efisiensi sirip adalah satu satunya parameter yang paling penting dalam
perancangan klektor surya jenis cairan. Pelat penyerapmemindahkan
panasnya secara konduksi ke pipa-pipa yang secara mekanis dan termal
tersambung pada pelat penyerap itu. Kerugian panas dari penyerap akan
menjadi minimum jika seluruh sirip ada pada Tb. Dalam sebuah kolektor yang
yang dirancang dengan sangat baik, selisih temperatur Tmaks – Tb dibuat
sekecil mungkin.
Hal ini

dicapai dengan memilih sebuah lembar penyerap dengan

konduktivitas termal k yang baik, dengan ketebalan d yang cukup memadai
dan dengan alur aliran panas (s-d)/2 sependek mungkin. Teori penukar panas
dengan permukaan yang diperluas sudah sangat mantap. Sirip-sirip pendingin
dapat dilihat pada motor dengan pendinginan udara, kompresor,dan peralatan
elekronik.

Universitas Sumatera Utara

Parameter rancangan yang berkaitan dengan tebal pelat , konduktivitas
thermal k, dan sela antara pipa s disebut efiiensi sirip dan diberi lambang F.
Temperatur pelat, Tp C


...........................(2.8)



Dalam kolektor surya, efisiensi sirip adalah suatu ukuran untuk
mengetahui kebaikan radiasi diserap dan diubah menjadi panas yang
dikonduksikan ke bagian dasar sirip
.................................(2.9)
Dimana :
UL = Kerugian panas total
S = sela antara pipa
d = diameter luar pipa
Harga konduktivitas termal untuk bahan khas yang digunakan dalam
kolektor surya ditunjukkan dalam tabel 2.5. Suatu penelitian terhadap literatur
mengenai kolektor komersial menunjukkan bahwa harga F berkisar antara 0.92
dan 0.95.
Tabel 2.5 Konduktivitas termal beberapa bahan kolektor surya tertentu
No
Bahan
Konduktivitas termal
(k), W/(m.K)
1
Tembaga
385.0
2
Aluminium
211.0
3
Timah Putih
66.0
4
Baja, 1 % karbon
45.0
5
Baja tahan karat
16.0
6
Kaca
1.05
7
ABS ( Akrilonitiril-Butadien-Stiren )
0.27
8
Polikarbonat
0.2
9
Karet alam 30 durometer
0.14
10 Karet alam 70 durometer
0.17
11 Isolasi papan kaca serat
0.043

Universitas Sumatera Utara

2.5.1.2 Koefisien Kerugian, UL
Mekanisme kerugian panas dari dalam penyerap dalam gambar di bawah
ini adalah sebagai berikut. Panas hilang dari bagian atas pelatpenyerap karena
konveksi ala dan karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca.
Sebagian dari radiasi itu akan benar-benar melauipenutup kaca, tetapi dalam
analisis ini hal itu akan diabaikan. Panas ini akan dikonduksikan oleh pelat kaca
ke permukaan luarnya. Kemudian dipindahkan ke etmosfer luar secara konveksi
dan radiasi.

Gambar 2.7 Kerugian panas kolektor
Kerugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss),dinyatakan dengan:
Ut(tp-ta) W/m2.............................(2.10)
Dimana :
Ut

= Koefisien kerugian atas ,W/(m2.K)

Tp dan Ta = Temperatur pelat dan temperatur lingkungan.
Kebalikan dari Ut,1/Ut, adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari
pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel sederhana dalam
gambar
Dalam sirkuit ini,
a. h1 = koefisien konveksi (alam) dalam

Universitas Sumatera Utara

b. h2 = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
c. R(kaca) = harga R dari kaca,tebal/konduktivitas termal =t/k,m2.K/W
d. Ho = koefisien konveksi luar
e. Hro = koefisien radiasi (ekivalen) luar
Dimana satuan-satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah
W/(m2.K). Karena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi
dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan
total dapat ditulis
.................................(2.11)

a. Koefisien konveksi alam
koefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah
telah dikorelasikan oleh hollands dan lain-lain untuk sudut miring lain antara 0o
dan 70 yang dinyatakan dalam bilangan Rayleigh (perbandingan gaya apung
terhadap gaya viskos) dan sudut miring

1

. Koefisien tersebut dapat dengan

mudah dinyatakan dari sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan
sudut miring sebagai parameter. Fungsi-fungsi

didefenisikan

sebagai berikut:

Dan temperatur rata-rata (Tm) :
Tm = (Tp+Tc)/2K.................................................(2.12)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8 Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas
melalui bagian atas kolektor, I/Ut
b. koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah :
................................(2.13)




yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai
q = hri (Tp-Tc)..................................(2.14)
dimana :
...................(2.15)




c. Tahanan termal kaca dinyatakan dengan :
......................................(2.16)

Dimana:
t

= Tebal kaca

m dan k = konduktivitas termal W/(m.K)
d. Koefisien konveksi luar ho dihitung dengan :
ho = 5,7 + 3.8 V.............................(2.17)
dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s (meter/detik)

Universitas Sumatera Utara

e. Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai :


w/(m2.k)..............................(2.18)

Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah
Tlangit = 0,0552 (Ta3/2)..............................................(2.19)
Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin (K)
Koefisien kerugian Total UL, ditentukan dengan menambahkan koefisien
kerugian bawah dari kolektor pada Ut, atau
UL = Ub + Ut...........................................................(2.20)
Dengan cara menyamakan perpindahan panas dari pelat penyerap ke luar
dengan perpindahan panas dari pelat penyerap ke tutup muka dengan mudah
dapat diperolah persamaan untuk menghitung temperatur tutup. Temperatur ini
digunakan untuk mendapatkan sebuah garga baru dari Utdan proses tersebut
diulangi sampai selisihnya dengan harga dari Ut berikutnya menjadi cukup
kecil.
Pelepasan panas sebuah kolektor surya lebih baik sebagai fungsi dari
temperatur masuk fluida Ti. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai faktor
pelepasan panas yang diberi lambang FR. Apabila kerugian panas dinyatakan
sebagai fungsi temperatur fluida masuk Ti maka kerugian tersebut dinyatakan
sebagai :
UL(T1-Ta)..............................(2.21)

Dimana Ti selalu lebih kecil dari pada temperatur pelat yang menjadi dasar
bagi UL . Maka perolehan panas yang dinyatatakan sebagai fungsi temperatur
fluida masuk, menjadi
FR[ (GT (

) - UL (Ti-Ta)]

2.5.1.3 Faktor Efisiensi, F’

Karena temperatur Tp dari pelat penyerap berubah-ubah sepanjang dan
melintang pelat itu, maka persamaan perolehan panas kolektor dan persamaan
efisiensi biasanya dinyatakan dengan fungsi dari temperatur fluida masuk, yang
relative mudah dikontrol dan diukur selama pengujian dan operasinya.

Universitas Sumatera Utara

Langkah pertama untuk mencapai hal tersebut adalah menggunakan effisiensi
sirip F’ berdasarkan temperatur dasar Tb.
Perolehan panas melalui lebar sirip (s-d)/2 , adalah :



Ta)]................(2.22)

Apabila radiasi yang diserap Gt ( ) untuk sesaat dibuat sama denga nol,maka
aliran panas dapat ditulis sebagai
.............................................(2.23)
Dimana tahanan terhadap aliran panas dalam sirip adalah
..............................................(2.24)
Tahanan dari perekat (misalnya solder) adalah

Dimana b adalah panjang perekat dan 1 adalah tebalnya. Perbandingan kb/I
disebut kondukstansi perekat Cb

2.5.1.4 Efisiensi Termal Kolektor Surya
a. Persamaan efisiensi termal
Perolehan panas atau keluaran berguna dari sebuah kolektor surya pelat
rata diberikan sebagai

Apabila keluaran ini dibagi dengan masukan, yaitu masukan radiasi pada
kolektor,perbandingan yang dihasilkan adalah




............................(2.25)

 didefenisikan sebagai termal kolektor, dan FR UL biasanya hampir
konstan dalam daerah operasi kolektor. Dengan demikian persamaan ini
dapat dilihat sebagai bentuk persamaan lurus y = b = mx, dimana b adalah
sumbu -y yang terpotong dan m adalah kemiringan garis tersebut. FR ( )
adalah titik potong dan -FRUL adalah kemiringan garis lurus, dengan satuan

Universitas Sumatera Utara

absis a (Ti-Ta)/GT . Karena itu bilangan FR dan -FRUL adalah karakteristik
prestasi termal dari kolektor pelat rata, dan merupakan masukan bagi
sejumlah program komputer untuk sistem energi surya.
b. Persamaan empiris untuk koefisien kerugian Ut
Sebuah persamaan empiris disarankan oleh S.A. Klein dan baru-baru ini
dimodifikasi

oleh

Agarwal

dan

Larson

untuk

memperhitungkan

ketergantungan sudut Ut pada kemeringin ,



...(2.26)





Dimana :
N = Jumlah kaca penutup
F = (1- 0,04 ho + 0,0005ho2)(1+0,091N)
C = 250[1-0,0044( -90o)]
Harga ho = 5,7 + 3,8 V W/m2.K
Dimana V adalah kecepatan angin

2.5.2 Kondensor
Kondensor adalah salah satu jenis mesin penukar kalor (heat exchanger)
yang berfungsi untuk mengkondensasikan fluida kerja. Pada sistem tenaga uap,
fungsi utama kondensor adalah untuk mengembalikan exhaust steam dari
turbin ke fase cairnya agar dapat dipompakan kembali ke boiler dan digunakan
kembali. Selain itu, kondensor juga berfungsi untuk menciptakan back pressure
yang rendah (vacuum) pada exhaust turbin . Dengan back pressure yang
rendah, maka efisiensi siklus dan kerja turbin akan meningkat.
Kondensor adalah alat untuk mengurangi gas atau uap ke cair. Kondensor
yang digunakan dalam pembangkit listrik untuk menyingkat uap gas buang dari
turbin dan alat pendingin untuk menyingkat uap refrigeran, seperti amonia dan
freon. Industri minyak dan kimia menggunakan kondensator sebagai
hidrokarbon dan uap kimia lainnya. Dalam distilasi, kondensor mengubah uap
menjadi cair. Semua kondensor bekerja dengan menghilangkan panas dari gas
atau uap. Dalam beberapa kasus, gas melewati tabung panjang panas-konduktif

Universitas Sumatera Utara

logam, seperti tembaga(biasanya diatur dalam kumparan atau bentuk lainnya),
dan memindahkan panas ke udara sekitarnya. Kondensor

industri besar

menggunakan air atau cairan lainnya untuk menghilangkan panas. Kondensor
panjang juga mengacu pada perangkat yang terpasang pada mesin carding
dipabrik-pabrik tekstil untuk mengumpulkan serat ke dalam keliling untuk
mesin berputar.
Kondensor adalah sebuah alat yang digunakan untuk membuang kalor ke
lingkungan, sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari
uap ke cair. Sebelum masuk ke kondensor refrigeran berupa uap yang
bertemperatur dan bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondensor
refrigeran berupa cairan jenuh yang bertemperatur lebih rendah dan bertekanan
sama (tinggi) seperti sebelum masuk ke kondensor.
Berdasarkan jenis media pendingin yang digunakan kondenser dibagi
menjadi 3 jenis, yaitu:
1. Kondensor berpendingin air (water cooled condenser).
Kondensor berpendingin air dapat dibedakan menjadi dua kategori, yaitu:
a. Kondensor yang air pendinginnya langsung dibuang
b. Kondensor yang air pendinginnya disirkulasikan kembali.
Jika medium yang digunakan adalah air, kelebihannya adalah air
mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih baik
daripada air. Oleh karena itu tidak dibutuhkan peralatan yang besar untuk
proses pemindahan panas. Tetapi air tidak boleh dibuang begitu sajake
lingkungan. Misalnya setelah digunakan sebagaipendingin kondensor air akan
menjadi panas dan tidak bisa dibuang begitu saja ke sungai atau danau
Sesuai dengan namanya, kondensor yang air pendinginnya langsung
dibuang, maka air yang berasal dari suplai air dilewatkan ke kondensor akan
langsung dibuang atau ditampung di suatu tempat dan tidak digunakan
kembali. Sedangkan kondensor yang air pendinginnya digunakan kembali,
maka air yang keluar dari kondensor dilewatkan melalui menara pendingin
(cooling tower) agar temperaturnya turun. Selanjutnya air dialirkan kembali ke
dalam kondensor, demikian seterusnya secara berulang - ulang.

Universitas Sumatera Utara

2. Kondensor berpendingin udara (air cooled condenser).
Ada dua metoda mengalirkan udara pada jenis ini, yaitu konveksi alamiah dan
konveksi paksa dengan bantuan kipas. Konveksi secara alamiah mempunyai
laju aliran udara yang melewati kondenser sangat rendah, karena hanya
mengandalkan kecepatan angin yang terjadi pada saat itu. Oleh karena itu
kondensor jenis ini hanya cocok untuk unit-unit yang kecil seperti kulkas,
freezer untuk keperluan rumah tangga, dll. Kondensor berpendingin udara yang
menggunakan bantuan kipas dalam mensirkulasikan media pendinginannya
dikenal sebagai kondensor berpendingin udara konveksi paksa. Secara garis
besar, jenis kondensor
a. Kondensor yang kipasnya dioperasikan dengan pengatur jarak jauh (remote
control)
b. Kondensor yang kipasnya dirakit bersama-sama dengan unit kompresor atau
condensing unit. Kapasitasnya kondensor jenis ini biasanya cocok untuk
beban mulai < 1kW s/d 500 kW, bahkan kadang dapat lebih dari 500 kW.
Kelebihan dari kondensor berpendingin udara adalah tidak diperlukan pipa
untuk mengalirkan udara dan setelah udara tersebut menyerap panas maka
udara tersebut dapat dilepas ke udara lingkungan. Kelemahan dari kondensor
berpendingin udara adalah udara tidak mempunyai sifat membawa dan
menghantar panas yang baik. Oleh karena itu diperlukan usaha yang lebih
untuk mengalirkan udara yang lebih banyak.Kondensor dengan media
berpendingin udara

umumnya digunakan pada siklus refrigerasi

dengan

kapasitas pendinginan yang lebih kecil.
3. Kondensor evaporatif (evaporative condenser).
Kondensor evaporatif pada dasarnya adalah kombinasi antara kondensor
dengan menara pendingin yang dirakit menjadi satu unit atau kondensor yang
menggunakan udara dan air sebagai media pendinginnya. Air disiramkan ke
pipa-pipa kondensor dan udara juga ditiupkan. Hal ini akan mengakibatkan
terjadinya penguapan di pemukaan kondensor. Karena panas penguapan sangat
tinggi dan ini diambil dari refrigeran melalui dinding pipa maka jenis ini akan
mempunyai koefesien perpindahan panas yang sangat baik.

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.6 Perbandingan kondensor berpendingin udara dan air
Parameter
Pendingin Udara
Pendingin air
Perbedaan temperature
6 s/d 22C
6 s/d 12C
Tc - Tpendingin
Laju aliran pendingin per 12 s/d 20 m3/menit 0,007 s/d 0,02 m3/menit
TR
Luas perpindahan panas
10 s/d 15 m2
0,5 s/d 1 m2
per TR
Kecepatan fluida
2,5 s/d 6 m/s
2 s/d 3 m/s
pendingin
Daya pompa/ blower per 75 s/d 100 w
Kecil
TR
TR = Ton of Refrigerasi (Beban di evaporator) 1TR = 3,5 kW
2.5.2.1 Analisis Kondensor
Dua sistem A dan B yang berbeda suhunya, bila dihubungkan satu sama lain
akan terjadi perubahan suhu sampai suhu keduanya sama besar (setimbang).
Perubahan suhu itu terjadi karena aliran panas atau perpindahan dari A ke B
atau sebaliknya. Dari percobaan dan penelitian Count Rumford (1753-1814)
serta Sir Janes Prascolt Youle (1818-1889) muncul suatu pendapat bahwa
aliran panas itu tidak lain adalah suatu perpindahan energi :
 ...............................(2.27)
Dimana
Q = Panas yang diserap atau dikeluarkan (w)
m = Massa benda (kg)
c = Panas jenis (kj/kgc)
t = selisih temperatur (c)
Pada peristiwa melebur atau meleleh, panas yang diserap atau dikeluarkan
oleh benda yang mengalami perubahan fase tersebut. Demikian juga pada
peristiwa mendidih, mengembun dan sublimasi. Banyaknya panas persatuan
massa benda pada waktu terjadi perubahan fase disebut panas laten (L).
Q = m.l ..........................................(2.28)
Dimana
Q = Panas yang diserap atau dikeluarkan pada waktu perubahan fase (kj)
M = Massa benda (kg)
L = Panas laten (kj/kg)

Universitas Sumatera Utara

Perhitungan panas yang dilepas air persatuan massa dapat dirumuskan
sebagai berikut:
................(2.29)
Dimana
Z

= Panas yang dilepas air persatuan massa (kj/kg)

Cpw = Panas jenis air (kj/kg.k)
Cpes= Panas jenis es (kj/kg.k)
L

= Panas laten yang harus dilepas (kj/kg)

T3 = Temperatur akhir rata rata es (k)

2.5.3 Evaporator
Pada diagram Ph dari siklus kompresi uap sederhana, evapoator
mempunyai tugas merealisasikan garis 4-1. Setelah refrigeran turun dari
kondensor melalui katup ekspansi masuk ke evaporator dan diuapkan, dan
dikirimke kompressor. Pada prinsipnya evaporatorhampir sama dengan
kondensor, yaitu sama sama alat penukar kalor yang fungsinya mengubah fasa
refrigeran. Bedanya jika pada kondensor refrigeran berubah dari uap menjadi
cair, maka pada evaporator berubah dari cair menjadi uap. Perbedaan
berikutnya adalah sebagai siklus refrigerasi, pada evaporatorlah sebenarnya
tujuan itu ingin dicapai. Artinya jika kondensor fungsinya hanya membuang
panas ke lingkungan,maka pada evaporatorpanas harus diserap untuk
menyesuaikan dengan beban pendingin di ruangan.
Berdasarkan model perpindahan panasnya, evaporator dapat dibagi atas
natural convection dan forced convection.
1. Natural Convection
Pada evaporator natural convection, fluida pendingin dibiarkan mengalir
sendiri karena adanya perbedaan massa jenis. Pada evaporator jenis ini
umumnya evaporator ditempatkan di tempat yang lebih tinggi. Fluida yang
bersentuhan dengan evaporator akan turun suhunya dan massa jenisnya akan
naik. Sebagai akibatnya, fluida ini akan turun dan mendesak fluida di

Universitas Sumatera Utara

bawahnya untuk bersirkulasi. Sistem ini hanya mampu pada refrigerasi
dengan kapasitas kapasitas kecil seperti kulkas.
2. Forced Convection
Kebalikan dari Natural Convection, Forced Convection menggunakan
blower untuk memaksa terjadinya aliran udara sehingga terjadi konveksi
dengan laju perpindahan panas yang lebih baik. Pada evaporator dengan
konveksi paksa dapat juga dibedakan atas dua bagian yaitu refrigeran
mengalir di dalam pipa dan refrigeran mengalir di luar pipa.
Berdasarkan bagaimana cara evaporator mengambil beban pendingin dari
ruangan yang ada beban pendinginnya, sistem pendingin dapat dibagi dua
jenis, yaitu : direct cooling sistem dan indirect cooling sistem. Perbedaan ini
jga akan mempengaruhi bentuk dan jenis evaporatornya . Pada direct cooling
sistem, eveporator langsung bersentuhan dengan udara yang mendinginkan
ruangan. Contoh yang termasuk ke sistem ini adalah sistem AC yang dipasang
di rumah-rumah. Sistem yang kedua, evaporator hanya mendinginkan fluida
kedua (biasa disebut refrigeran sekunder, misalnya air), lalu air ingin ini akan
disirkulasikan ke dalam ruangan yang akan didinginkan,untuk mendinginkan
udara. Sistem ini biasa digunakan untuk pengkondisian udara pada bangunanbangunan besar seperti supermarket. Dengan kata lain, pada sistem direct,
evaporator mendinginkan udara, tetapipada sistem indirect evaporator
mendinginkan refrigeran kedua.
2.5.3.1 Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi
tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila
bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair),
cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi
yang diperlukan disebut kalor transformasi.Kalor yang diperlukan untuk
merubah fasa dari bahan bermassa m adalah
QL = Le m.............................................(2.30)

Universitas Sumatera Utara

Dimana
QL = Kalor laten zat (J)
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
m = Massa zat (kg)
2.5.3.2 Kalor sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut
merubah temperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas panas dapat
diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka
dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas
sensible. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau
yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun
tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.
 .......................................(2.31)
Dimana :
Qs = Kalor sensibel zat (J)
Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg. K)
ΔT = Beda temperatur (K)
M = Massa benda (kg)

2.6 Tinjauan Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang
mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas,
dan

menukarkan

panas

di

antara

sistem

fisik.

Perpindahan

panas

diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal,
dan perpindahan panas melalui perubahan fasa.
Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam
sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang
pelat penyerap dan melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke
fluida dalam saluran dengan cara konveksi. Apabila sirkulasi dilakukan dengan
sebuah pompa, maka kita menyebutnya konveksi paksa. Pelat penyerap yang

Universitas Sumatera Utara

panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca ( umumnya menutupi
kolektor ) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi
2.6.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah proses perpindahan panas dari daerah
yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam satu medium baik
itu cair, padat, dan gas ataupun antara medium-medium yang berlainan yang
bersinggungan secara langsung. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal
(kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas
yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi
nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat benda itu akan
mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. Dapat
dikatakan bahwa energi dapat berpindah secara konduksi apabila laju
perpindahan kalor berbanding dengan gradien suhu normal.

Panas mengalir secara konduksi dari daeah yang berteperatur tnggi ke
daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas dinyatakan dengan
hukum Fourier
..................................(2.32)
Dimana :
q

= Laju perpindahan panas (w)

A

= Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap
jarak dalan arah aliran panas (-k/m)
k

= Konduktivitas thermal bahan (w/mok)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 Perpindahan panas
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik
merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel
yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan
energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam
bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada
bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang makin
membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya
dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom
dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran
dan gerakan elektron bebas. Fourier telah memberikan sebuah model
matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya
yaitu:


......................................................(2.33)

Dimana :
Q = laju aliran energi (W)
A = luas penampang (m2)
Δt = beda suhu (K)
L = panjang (m)
k = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)

Universitas Sumatera Utara

2.6.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan energi panas
dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi dan gerakan
mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas atau dingin)
terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas). Pada bagian tepi pelat
terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos semakin meningkat.
Gaya-gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser ( ) antara lapisanlapisan fluida. Jika tegangan ini dianggap berbanding lurus dengan gradient
kecepatan normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas :

=
Konstanta proporsional

..............................(2.34)
disebut viskositas dinamik.

Pada permulaan, pembentukan lapisan batas laminar pada suatu jarak kritis
karena sifat-sifat fluida, gangguan-ganguan kecil pada aliran itu membesar dan
mulailah terjadi proses transsisi hingga akhirnya aliran menjadi turbulen.
Karakterstik aliran ini ditentukan oleh kuantitas suatu besaran yang disebut
bilangan Reynolds. Untuk aliran melintas pada pelat rata, bilangan Reynold
didefenisikan sebagai :
................................(2.35)
Dimana,
= Kecepatan aliran bebas (m/s)
x = Jarak dari tepi depan pelat (m)
= Viskositas kinematik fluida (m2/s)
Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam panas, misalnya
dalam saluran baja sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi.
Apabila aliran udara disebabkan oleh sebuah blower, kita menyebutnya sebagai

Universitas Sumatera Utara

konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis, maka disebut
konveksi alamiah.
Secara matematik perpindahan panas konveksi pada permukaan pelat rata
dapat dirumuskan dengan persamaan berikut ini.
Qh = hA(Ts-TL)......................