Rancang Bangun Prototype Kolektor Surya Tipe Plat Datar Bersirip untuk Penghasil Panas pada Pengering Produk Pertanian dan Perkebunan

RANCANG BANGUN DAN ANALISA KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR BERSIRIP UNTUK PENGHASIL PANAS PADA PENGERING HASIL PERTANIAN DAN PERKEBUNAN SKRIPSI

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ANDRI M. SIJABAT NIM. 110421037 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sebab kasih dan anugrah yang melimpah sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini dengan judul

  Prototype Kolektor Surya Tipe Plat Datar Bersirip untuk Rancang Bangun Penghasil Panas pada Pengering Produk Pertanian dan Perkebunan. Skripsi

  ini disusun dan diselesaikan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, 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 skripsi ini dapat diselesaikan. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banya terimakasih kepada: 1.

  Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

  2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT. selaku dosen pembimbimg yang telah meluangkan waktunya dalam memberikan arahan dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini.

  3. Bapak Tulus Burhanudin Sitorus, ST., MT. selaku Dosen Pembanding I dan bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II yang telah memberikan banyak masukan dalam perbaikan skripsi ini.

  4. Ibu S. Farah Dina sebagai pembimbing lapangan yang telah banyak memberikan masukan, arahan dan juga motivasi sehingga penulis dapat tetap semangat dalam menyelesaikan skripsi ini.

  5. Para staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.

  6. Orang Tua penulis yang senantiasa mendukung penulis dalam daya, dana dan doa.

  7. Bapak Jufrizal yang menjadi abang dan sahabat penulis selama pengerjaan skripsi yang selalu memberi semangat dan motivasi juga ilmu sehingga penulis terbantu dalam menyelesaikan beberapa permasalahan.

  8. Aprizal Nasution dan Muhardityah, rekan satu team yang telah bersama- sama dengan penulis baik hujan dan terik matahari dalam memulai hingga menyelesaikan skripsi ini.

  9. Dan yang terakhir sekali kepada seluruh rekan, teman dan sahabat se- pelayanan di YAKPM BPC-Medan yang terus berdoa, mendukung dan memberikan semangat dalam suka dan duka kepada penulis sehingga penulis dapat terus berjuang menyelesaikan skripsi ini.

  Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk perbaikan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan banyak terima kasih.

  Medan, Juni 2014 Penulis, Andri M. Sijabat

  

Abstrak

  Pengeringan merupakan salah satu cara untuk mengurangi kadar air. Proses pengeringan yang umum dikenal adalah penjemuran secara langsung di bawah sinar matahari dan yang paling sering digunakan oleh para petani yang ada di Indonesia untuk mengeringkan hasil pertanian mereka. Cara ini masih sangat konvensional dan memiliki banyak kendala salah satunya adalah factor cuaca. Cuaca yang tidak menentu akan sangat mempengaruhi kualitas dari hasil panen yang dijemur. Kadar air yang terlalu tinggi akibat panas yang tidak cukup untuk mengurangi kadar air akan memicu berkembangnya mikroba atau jamur yang dapat mengakibatkan pembusukan. Oleh karena itu, dirancang sebuah alat untuk dapat membantu petani memaksimalkan pengeringan hasil pertanian mereka. Alat yang dirancang adalah kolektor surya tipe plat datar bersirip dengan ukuran 2 m x 2 m x 0,17 m. Kolektor surya terdiri dari lapisan kayu, sterofoam dan rockwoll sebagai isolator, plat alumunium sebagai penyerap panas dan kaca sebagai penutup. Selain kolektor, dirancang juga ruang pengering sebagai tempat pengeringan hasil pertanian dengan ukuran 2 m x 1 m x 1 m. Sampel yang digunakan dalam pengujian alat ini adalah ubi kayu (cassava) dan cabai merah. Untuk mendapatkan efisiensi daripada kolektor dilakukan pengujian selama 2 (dua) hari pada kondisi cuaca cerah. Dari hasil analisis yang dilakukan diperoleh panas radiasi rata-rata yang dapat diserap kolektor adalah 1856,755 watt, kehilangan panas rata-rata pada kolektor adalah 442,57 watt dan efisiensi rata-rata dari kolektor surya yang didapat selama proses pengujian adalah 69,70%

  Kata Kunci: Pengeringan, Kolektor Surya, Sirip, Pindahan Panas

  

Abstract

  Drying is one way to reduce the water content. The drying process is commonly known direct drying in the sun and are most commonly used by farmers in Indonesia to dry their crops. This is still a very conventional way and had a lot of obstacles one of which is the weather factor. Erratic weather will greatly affect the quality of the crop is dried. The water content is too high due to heat is not sufficient to reduce the moisture content will lead to the development of microbes or fungi that can lead to decay. Therefore, a tool designed to help farmers maximize their drying agricultural products. Is a tool designed solar collectors flat plate type finned with size 2 mx 2 mx 0.17 m. Solar collector consists of a layer of wood, sterofoam and rockwoll as insulators, aluminum plate as a heat sink and as a cover glass. In addition to the collector, drying chamber is also designed as a drying agricultural products with a size of 2 mx 1 mx 1 m. The samples used in the testing of this tool is manioc (cassava) and red chili. To obtain the efficiency of the collector rather than testing for 2 (two) days in sunny conditions. From the results obtained by the analysis carried an average heat radiation that can be absorbed by the collector is 1856.755 watts, the average heat loss in collector is 442.57 watts and the average efficiency of the solar collector obtained during the testing process is 69.70 %

  Keywords: Drying, Solar Collector, fins, Moving Heat Transfer

  DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .................................................................................. i ABSTRAK .................................................................................................... iii DAFTAR ISI ................................................................................................ v DAFTAR GAMBAR ................................................................................... viii DAFTAR TABEL ......................................................................................... ix DAFTAR GRAFIK ...................................................................................... x

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

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

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

  1.3.Manfaat Penelitian ...................................................................... 3

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

  1.5.Sistematika Penulisan ................................................................. 4

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

  2.1. Pengeringan ............................................................................... 5

  2.1.1. Jenis-jenis Pengeringan .................................................... 6

  2.2. Kolektor dan Jenis-jenisnya ....................................................... 8

  2.3. Sirip (Fin)................................................................................... 12

  2.3.1. Efisiensi Sirip (Fin Efficiency) .......................................... 13

  2.3.2. Efisiensi Sirip Menyeluruh (Overall Fin Efficiency) .......... 14

  2.4. Pemanfaatan Energi Matahari .................................................... 15

  2.5. Tinjauan Pindahan Panas ........................................................... 18

  2.5.1. Perpindahan Panas Konduksi ........................................... 18

  2.5.2. Perpindahan Panas Konveksi ........................................... 20

  2.5.3. Perpindahan Panas Radiasi ............................................... 25

  2.5. Tinjauan Mekanika Fluida ......................................................... 26

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................... 27

  3.1. Waktu dan Tempat Penelitian .................................................... 27

  3.2. Metode Desain ........................................................................... 27

  3.3. Perancangan Alat dan Pemilihan Bahan ...................................... 28

  3.3.1Kaki Penyangga Alat Pengering .......................................... 28

  3.3.2. Perancangan Lemari Pengering ................................................ 28

  3.3.3. Perancangan Kolektor Surya ............................................ 29

  3.3.3.1. Perancangan Pelat Absorber dan Sirip ................... 29

  3.3.3.2. Perancangan Kaca Penutup .................................. 30

  3.3.3.3. Perancangan Isolasi............................................... 30

  3.4. Alat dan Bahan Pengujian yang Digunakan ............................... 30

  3.4.1. Peralatan Pengujian .......................................................... 30

  3.4.2. Bahan Pengujian .............................................................. 36

  3.5. Experimental Set Up ................................................................... 38

  BAB IV RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA ................................ 39

  4.1. Rancang Bangun Alat ................................................................ 39

  4.1.1. Penyangga Alat Pengering ............................................... 39

  4.1.2. Lemari Pengering ............................................................. 40

  4.1.3. Kolektor Surya ................................................................. 40

  4.2. Perhitungan dan Hasil Data ........................................................ 42

  4.2.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)...... 43

  4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya .............................................. 45

  4.2.2.1. Menghitung Kecepatan Profil (v) Kolektor .......... 46

  4.2.2.2. Menghitung Temperatur Masuk Lemari Pengering 48

  4.2.2.3. Menghitung Koefisien Konveksi .......................... 49

  4.2.2.4 Menghitung Kehilangan Panas ............................. 52

  4.2.2.5. Menghitung Panas Masuk (Q ) pada Kolektor .... 57

  in

  4.2.2.6. Menghitung Panas Digunakan (Q u ) pada Kolektor 57

  4.2.3. Menghitung Efisiensi Kolektor ........................................ 57

  4.3. Menghitung Efisiensi Sirip ......................................................... 58

  4.3.1. Menghitung Kehilangan Panas pada Kolektor Bersirip...... 60

  4.3.2. Menghitung Panas Masuk (Q in ) pada Kolektor Bersirip..... 61

  4.3.3. Menghitung Panas Digunakan (Q u ) pada Kolektor Bersirip 61

  4.4. Menghitung Efisiens i (η) pada Kolektor Bersirip ........................ 62

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................... 68

  5.1. Kesimpulan ............................................................................... 68

  5.2. Saran ......................................................................................... 68

  DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema sistem pengering dengan energi surya .......................... 8Gambar 2.2 Komponen-komponen umum kolektor .................................... 9Gambar 2.3 Kolektor surya pelat datar ........................................................ 10Gambar 2.4 Kolektor surya prismatic ................................................................. 10Gambar 2.5 Kolektor Surya Konsentrator ................................................... 11Gambar 2.6 Evacuated Tube Collector ....................................................... 12Gambar 2.7 Sketsa Penampang Sirip ........................................................... 13Gambar 2.8 Penampang Multi Sirip ..................................................................... 14Gambar 2.9 Hubungan Matahari dan Bumi ................................................. 15Gambar 2.10 Energi yang masuk ke Bumi .................................................... 17Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi ................................................... 19Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor ........................... 19Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural ...... 20Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar .................................. 21Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pad Bidang Miring 23Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi ...................................................... 25Gambar 2.17 Penampang Saluran Nozel ....................................................... 26Gambar 3.1 Laptop ...................................................................................... 31Gambar 3.2 Agilient 34972 A ...................................................................... 31Gambar 3.3 Hobo Microstation data logger ............................................... 32Gambar 3.4 (a) Weight Display (b) load cell ............................................... 35Gambar 3.5 Ubi Kayu ................................................................................. 36Gambar 3.6 Cabai Merah............................................................................. 37Gambar 3.7 Experimental Set Up ................................................................. 38Gambar 4.1 Alat Pengering ................................................................................. 39Gambar 4.2 Rangka Pengering ................................................................... 39Gambar 4.3 Lemari Pengering .................................................................... 40Gambar 4.4 Sirip Kolektor ......................................................................... 41Gambar 4.5 Dimensi Kolektor Surya .......................................................... 41Gambar 4.6 Penampang Kolektor Surya ..................................................... 42Gambar 4.7 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor ........................................... 53

  

DAFTAR TABEL

  25 Maret 2014 .......................................................................... 46

Tabel 4.10 Data Temperatur Kolektor Tanggal 10 April 2104 ................... 64Tabel 4.9 Data Kolektor Bersirip dan Tanpa Sirip Tanggal 25 Maret 2014 63Tabel 4.8 Data Temperatur Kolektor Tanggal 25 Maret 2014 ................... 62Tabel 4.7 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 360,965 K .................. 51Tabel 4.6 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 309,775 K .................. 49Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 337,23 K .................... 46Tabel 4.4 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari MaksimumTabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer .......................................................... 33Tabel 4.3 Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014 .......... 44Tabel 4.2 Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 25 Maret 2014 ......... 43Tabel 4.1 Konduktivitas Bahan ................................................................ 42Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ......................................... 34Tabel 3.3 Spesifikasi Ambient Measurement Apparatus ........................... 34Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ............................................. 33Tabel 4.11 Data Kolektor Bersirip dan Tanpa Sirip Tanggal 25 April 2014 66

  DAFTAR GRAFIK

  Grafik 4.1 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 25 Maret 2014 ...... 44 Grafik 4.2 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014 ....... 45 Grafik 4.3 Grafik Waktu vs Temperatur Tanggal 25 Maret 2014 ............... 63 Grafik 4.4 Grafik Waktu vs Intensitas Radiasi Matahari dan Efisiensi

  Kolektor Bersirip dan Tanpa Sirip Tanggal 25 Maret 2014 ....... 64 Grafik 4.5 Grafik Waktu vs Temperatur Tanggal 10 April 2014 ................ 65 Grafik 4.6 Grafik Waktu vs Intensitas Radiasi Matahari dan Efisiensi

  Kolektor Bersirip dan Tanpa Sirip Tanggal 10 April 2014 ........ 67