TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagai persyaratan mencapai derajat Sarjana Teknik di Teknik Mesin
KOMPOR SURYA DENGAN PENYIMPAN PANAS SENSIBEL
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagai persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik
di Teknik Mesin
Diajukan oleh :
PRIHARTANTO UTOMO
045214020
Kepada :
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
SOLAR STOVE WITH SENSIBLE HEAT STORAGE
A THESIS
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree
In Mechanical of Engineering
By:
PRIHARTANTO UTOMO
045214020
To :
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERCITY
INTISARI
Kompor surya yang paling umum di masyarakat di Indonesia dan negaraberkembang lain adalah jenis kotak dan jenis parabola. Tetapi di beberapa negara atau
daerah, kedua jenis kompor surya ini sulit diterima masyarakat karena cara memasak
dengan kedua jenis kompor surya ini berbeda dengan kebiasaan memasak masyarakat.
Kebiasaan memasak masyarakat diantaranya memasak dilakukan di dalam ruangan, cara
memasak dengan mengukus atau menggoreng dan waktu memasak pagi, siang dan
malam. Penelitian ini bermaksud untuk membuat model kompor surya pelat datar untuk
memasak di dalam ruangan dan mengetahui unjuk kerja kompor tersebut.Kompor surya pelat datar ini terdiri dari kolektor (pipa seri dan paralel), kotak
penyimpan panas yang sekaligus berfungsi sebagai kompor, panci pemasak, katup
pengatur, kolom ekspansi dan lubang udara. Variabel yang diukur pada penelitian ini
adalah radiasi surya yang datang, temperatur udara sekitar, temperatur fluida kerja yang
masuk dan keluar kolektor, temperatur panci pemasak, dan temperatur air dalam panci
pemasak.Unjuk kerja kompor ini adalah nilai efisiensi maksimum pada kolektor pipa seri
adalah 1,25 %, sedangkan nilai efisiensi pada kolektor pipa paralel adalah 1,05 %, nilai
efisiensi sensibel maksimum pada kolektor pipa seri adalah 1,11 %, sedangkan nilai
efisiensi sensibel pada kolektor pipa paralel adalah 0,95 % dan temperatur air maksimum
o pada kolektor pipa paralel adalah 51,65C, sedangkan temperatur air maksimum pada o kolektor pipa seri adalah 50,25 C.
Kata Kunci: Kompor Surya, Kolektor Pelat Datar, Kolektor Seri, Kolektor Paralel
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat yang
telah dilimpahkan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas Tugas Akhir ini
sebagai syarat dalam memperoleh gelar sarjana.Penulis menyadari bahwa terselesaikannya Tugas Akhir ini adalah berkat dukungan
dari banyak pihak, maka pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima
kasih kepada :1. Ir Gregorius Heliarko SJ., SS., B.ST., MA., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, dorongan serta meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
3. Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas kuliah, bimbingan , serta fasilitas yang diberikan selama masa kuliah.
4. Bapak, Ibu (alm), dan adik penulis yang telah memberikan doa, dorongan semangat, motivasi, fasilitas dan curahan kasih sayang yang tak pernah berhenti diberikan kepada penulis.
5. Seluruh teman-teman Teknik Mesin ’04 yang serta semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ..........................................................................................i
TITLE PAGE .....................................................................................................ii
LEMBAR PENGESAHAN ...............................................................................iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ..........................................................................iv
LEMBAR PERNYATAAN ...............................................................................v
INTISARI ...........................................................................................................vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ………………vii
KATA PENGANTAR........................................................................................viii
DAFTAR ISI.......................................................................................................x
DAFTAR GAMBAR..........................................................................................xiii
DAFTAR TABEL ..............................................................................................xv
BAB I : PENDAHULUAN .............................................................................1
1.1. Latar Belakang ............................................................................................1
1.2.Perumusan Masalah ....................................................................................3
1.3. Tujuan Penelitian ........................................................................................3
1.4.Batasan Masalah .........................................................................................4
BAB II : DASAR TEORI.................................................................................5
2.1. Landasan Teori............................................................................................5
2.2.Tinjauan Pustaka.........................................................................................7
2.3. Rumus Perhitungan.....................................................................................9
BAB III : METODE PENELITIAN ................................................................13
3.2. Variabel yang Divariasikan.........................................................................18
3.3.4.4.2 Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Fluida ( Q f ).........................29
4.5.2 Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Fluida ( Q f ) ........................35
4.5.1 Temperatur Fluida (T f ) .................................................................35
4.5. Analisis Pada Kolektor Paralel ...................................................................35
4.4.7 Efisiensi Sensibel ............................................................................34
4.4.6 Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Air ( Daya Sensibel ) ..........33
4.4.5 Efisiensi Kolektor Seri ( η ) ...........................................................32
4.4.4 Faktor Pelepas Panas ( F R ) ............................................................31
4.4.3 Laju Energi Surya yang Diserap oleh Kolektor ..............................30
4.4.1 Temperatur Fluida (T f ) ..................................................................28
Variable yang Diukur..................................................................................18
4.4. Analisis Pada Kolektor Seri ........................................................................28
4.2.2 Panas Jenis Fluida Kerja ( C PF ) .....................................................26 4.3. Radiasi Surya (G) .......................................................................................27
4.2.1 Massa Fluida ( m f ) .........................................................................26
Fluida yang Dipergunakan ........................................................................26
4.1. Tabel Hasil Pengambilan Data....................................................................21
4.2.
BAB IV : PERHITUNGAN DATA..................................................................20
3.5. Pengolahan dan Analisis Data ....................................................................19
3.4. Langkah Penelitian......................................................................................19
4.5.3 Laju Energi yang Diserap oleh Kolektor ........................................37
4.5.5 Efisiensi Kolektor Paralel ( η ) ......................................................38
4.5.6 Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Air ( Daya Sensibel ) .........39
4.5.7 Efisiensi Sensibel ............................................................................41
BAB V : PEMBAHASAN...............................................................................52
5.1. Efisiensi Kolektor .......................................................................................52
5.2. Daya Sensibel..............................................................................................53
5.3.Efisiensi Sensibel ........................................................................................54
5.4. Temperatur Air ...........................................................................................55
5.5. Perbandingan Dengan Percobaan Sebelumnnya ........................................55
BAB VI : KESIMPULAN DAN SARAN.........................................................57
6.1. Kesimpulan .................................................................................................58
6.2.Saran ...........................................................................................................59
Daftar Pustaka…………………………………………………………………60
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Bagian-bagian Kompor Surya Jenis Kolektor Datar.......................5Gambar 2.2. Bagian bagian Kolektor Datar.........................................................6Gambar 2.3. Susunan Pipa Kolektor Pararel dan Seri .........................................7Gambar 3.1. Bagian-bagian Kompor Surya Jenis Kolektor Datar.......................13Gambar 3.2. Dua Kolektor Datar (Ukuran 1m x 0,5m) dengan Susunan Pipa Kolektor Seri dan Pararel...............................................................14Gambar 3.3. Dua Buah Kotak Penyimpan Panas (Ukuran 20cm x 20cm x 4cm) dan Dua Panci Pemasak Masing-masing Berisi 0,5 Liter Air .......14Gambar 3.4. Panci Pemasak Berisi 0,5 Liter Air................................................15Gambar 3.5. Katup atau Kran Pengatur Berfungsi Untuk Mengatur Laju Aliran Fluida Antara Kotak Penyimpan Panas dan Kolektor ...................15Gambar 3.6. Kolom Ekspansi Berfungsi Untuk Menjaga Tekanan Fluida Kerja Saat Temperatur Tinggi ................................................................16Gambar 3.7. Lubang Udara Berfungsi Untuk Keluarnya Udara Saat Minyak Dipompa ke Dalam Kompor Surya................................................16Gambar 3.8. Sel Surya yang Telah Dikalibrasi Untuk Mengukur Radiasi Surya ..............................................................................................17Gambar 3.9. Termokopel dan Displainya ...........................................................17Gambar 3.10. Posisi-posisi Pengukuran pada Peralatan/Model Penelitian ........18Gambar 5.2. Grafik Hubungan Daya Sensibel dengan Radiasi Surya yang Masuk....................................................................................... 53Gambar 5.3. Daya Sensibel Rata-rata ..........................................................53 Gambar 5.4. Grafik Hubungan Efisiensi Sensibel dengan Radiasi Surya yang Masuk...................................................................................... 54
Gambar 5.5. Grafik Hubungan Temperatur Air dengan Radiasi Surya yang Masuk.............................................................................................55Gambar 5.6. Grafik Efisiensi Kolektor Dari Tiga Variasi Ketinggian ...............55Gambar 5.7. Grafik Efisiensi Sensibel Dari Tiga Variasi Ketinggian ................56Gambar 5.8. Grafik Temperatur Air Dari Tiga Variasi Ketinggian ...................56
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Data pada Tanggal 25 September 2007, Jenis Kolektor Seri............. 21Tabel 4.2. Data pada Tanggal 25 September 2007, Jenis Kolektor Paralel ........ 21Tabel 4.3. Data pada Tanggal 26 September 2007, Jenis Kolektor Seri............. 22Tabel 4.4. Data pada Tanggal 26 September 2007, Jenis Kolektor Paralel ........ 22Tabel 4.5. Data pada Tanggal 28 September 2007, Jenis Kolektor Seri............. 23Tabel 4.6. Data pada Tanggal 28 September 2007, Jenis Kolektor Paralel ........ 23Tabel 4.7. Data pada Tanggal 2 Oktober 2007, Jenis Kolektor Seri................... 24Tabel 4.8. Data pada Tanggal 2 Oktober 2007, Jenis Kolektor Paralel .............. 24Tabel 4.9. Data pada Tanggal 3 Oktober 2007, Jenis Kolektor Seri................... 25Tabel 4.10. Data pada Tanggal 3 Oktober 2007, Jenis Kolektor Paralel ............ 25Tabel 4.11. Data Besar Radiasi yang Diterima Kolektor.................................... 28Tabel 4.12. Temperatur Fluida Seri .................................................................... 29Tabel 4.13. Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Fluida pada Kolektor Seri .... 30Tabel 4.14. Faktor Pelepas Panas pada Kolektor Seri ........................................ 31Tabel 4.15. Efisiensi Kolektor Seri pada Pengambilan Data Hari ke Tiga......... 32Tabel 4.16. Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Air pada Kolektor Seri......... 33Tabel 4.17. Temperatur Fluida Paralel................................................................ 35Tabel 4.18. Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Fluida pada KolektorParalel................................................................................................ 36
Tabel 4.20. Laju Energi Kalor yang Diserap oleh Air pada Kolektor Paralel .... 40Tabel 4.26. Hasil Perhitungan pada Tanggal 25 September 2007, JenisTabel 4.30. Hasil Perhitungan pada Tanggal 2 Oktober 2007, JenisKolektor Paralel ................................................................................ 50
Tabel 4.29. Hasil Perhitungan pada Tanggal 2 Oktober 2007, JenisKolektor Paralel ................................................................................ 49
Tabel 4.28. Hasil Perhitungan pada Tanggal 28 September 2007, JenisKolektor Paralel ................................................................................ 48
Tabel 4.27. Hasil Perhitungan pada Tanggal 26 September 2007, JenisKolektor Paralel ................................................................................ 47
Kolektor Seri ..................................................................................... 46
Tabel 4.21. Hasil Perhitungan pada Tanggal 25 September 2007, JenisTabel 4.25. Hasil Perhitungan pada Tanggal 2 Oktober 2007, JenisKolektor Seri ..................................................................................... 45
Tabel 4.24. Hasil Perhitungan pada Tanggal 2 Oktober 2007, JenisKolektor Seri ..................................................................................... 44
Tabel 4.23. Hasil Perhitungan pada Tanggal 28 September 2007, JenisKolektor Seri ..................................................................................... 43
Tabel 4.22. Hasil Perhitungan pada Tanggal 26 September 2007, JenisKolektor Seri ..................................................................................... 42
Kolektor Paralel ................................................................................ 51
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Ketergantungan masyarakat akan minyak bumi sebagai bahan bakar untuk memasak semakin besar. Telah banyak penelitian dilakukan untuk mencari sumber energi alternatif untuk memasak, salah satunya adalah kompor surya. Sebagai negara tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup
2
dengan radiasi harian rata-rata 4,8 kWh/m . Cara kerja dari kompor surya adalah dengan memanfaatkan energi surya dari matahari dan mengkonversikan radiasi surya yang terserap menjadi panas. Panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk memasak baik secara langsung (dengan kompor surya jenis kotak atau parabola) maupun tidak langsung (dengan kompor surya jenis kolektor datar). Penggunaan kompor ini juga sejalan dengan target pengurangan emisi karbondioksida di atmosfer (berdasarkan Protokol Kyoto).
Kompor surya yang paling umum di masyarakat di Indonesia dan negara berkembang lain adalah jenis kotak dan jenis parabola, karena pembuatan kedua jenis kompor surya ini relatif mudah dan murah. Akan tetapi ada juga masyarakat di beberapa negara atau daerah yang sulit menerima kedua jenis kompor surya ini dengan alasan cara memasak dengan kedua jenis kompor surya ini berbeda dengan kebiasaan memasak mereka yang berkaitan dengan tempat, waktu, dan cara mereka memasak.
Untuk kompor surya jenis parabola hanya dapat dipakai di luar ruangan saja, sehingga kurang nyaman karena orang yang memasak harus berjemur di bawah radiasi surya. Kompor surya jenis kotak hanya dapat memanggang dan mengukus tetapi tidak dapat digunakan untuk menggoreng. Kelemahan lain dari kedua jenis kompor surya tersebut adalah hanya dapat dipakai pada saat radiasi surya cukup banyak (pada siang hari dan cuaca tidak mendung). Selain itu, umur pemakaian kedua jenis kompor surya umumnya ini tidak lama.
Beberapa negara seperti India, Mali, Chili, Argentina dan Jerman mengembangkan kompor surya jenis kolektor datar yang cara pemakaiannya lebih sesuai dengan kebiasaan memasak di masyarakat. Proses memasak dengan kompor surya jenis kolektor datar ini dapat dilakukan di dalam ruangan. Jika dilengkapi dengan penyimpan panas dengan kapasitas yang memadai maka proses memasak dapat dilakukan pada pagi, siang dan malam hari. Cara memasak dengan mengukus, memanggang dan menggoreng dapat dilakukan dengan kompor surya jenis ini. Keuntungan lain dari kompor surya jenis kolektor datar ini adalah keandalan, kenyamanan pemakaian, perawatan yang mudah dan umur pakai yang lama. Kelemahan dari kompor surya jenis kolektor datar adalah pembuatannya yang memerlukan biaya yang lebih mahal dan teknologi yang lebih tinggi dibandingkan kompor surya jenis kotak dan parabola.
Pemanfaatan bahan dasar yang tersedia di pasar lokal merupakan cara untuk menekan biaya pembuatan kompor surya jenis kolektor datar. Penyederhanaan teknik pembuatan sampai tingkat teknologi yang dapat dikerjakan oleh industri kolektor datar. Pemanfaatan bahan dan teknologi yang terdapat di pasar dan industri lokal akan mempengaruhi unjuk kerja kompor surya jenis kolektor datar ini.
1.2. Perumusan Masalah
Pada penelitian ini akan dibuat model kompor surya jenis kolektor datar dengan penyimpan panas menggunakan bahan dan teknologi yang tersedia di pasar dan industri lokal untuk mengetahui kemungkinan penerapannya di Indonesia. Kemungkinan penerapan kompor surya jenis kolektor datar di Indonesia ditentukan oleh unjuk kerja yang dihasilkan. Unjuk kerja kompor surya ditunjukkan oleh temperatur maksimal, efisiensi kolektor dan efisiensi sensibel yang dapat dihasilkan.
1.3. Tujuan Penelitian
a. Membuat model kompor surya pelat datar dengan memanfaatkan suberdaya lokal yang ada.
b. Mengetahui efisiensi kolektor, efisiensi sensibel dan temperatur air maksimum yang dapat dihasilkan kompor surya pelat datar tipe seri dan paralel.
c. Membandingkan hasil penelitian dengan penelitian lain.
Hasil-hasil penelitian ini diharapkan dapat : a. Menambah kepustakaan teknologi kompor tenaga surya.
b. Hasil-hasil penelitian ini diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi kompor surya yang dapat diterima masyarakat sehingga dapat meningkatkan kesejahteraan.
c. Mengurangi ketergantungan penggunaan kayu bakar dan minyak bumi sehingga kelestarian hutan dan alam dapat terjaga.
1.4. Batasan Masalah
a. Unjuk kerja kompor surya ditunjukkan oleh temperatur maksimal, efisiensi kolektor dan efisiensi sensibel yang dapat dihasilkan.
b. Fluida kerja yang digunakan minyak goreng sebagai penyimpan panas.
c. Beda ketinggian antara fluida keluar kolektor dengan fluida masuk kompor: 10 cm.
BAB II DASAR TEORI
2.1. Landasan Teori
Kompor surya jenis kolektor datar (Gambar 2.1.) umumnya terdiri dari satu atau lebih kolektor datar, satu atau lebih panci pemasak dan dapat ditambahkan sebuah tangki penyimpan panas sehingga proses memasak dapat dilakukan pada malam hari. Pada bagian sisi kolektornya ditambahkan reflektor yang berfungsi untuk memperbanyak jumlah radiasi surya yang masuk ke dalam kolektor.
Gambar 2.1. Bagian-bagian Kompor Surya Jenis Kolektor DatarRadiasi surya yang masuk ke dalam kolektor diterima oleh pelat absorber yang mengkonversikannya menjadi panas. Panas yang terjadi diambil oleh fluida fluida kerja tersebut naik. Kenaikan temperatur fluida kerja ini menyebabkan rapat massanya turun sehingga fluida kerja dapat mengalir secara alami ke panci pemasak yang berada di sebelah atas kolektor. Di dalam panci pemasak terjadi perpindahan sebagian energi sensibel ke dalam bahan makanan yang dimasak sehingga temperatur fluida kerja yang telah memberikan panas ke makanan turun. Turunnya temperatur menyebabkan rapat massa fluida kerja di sekitar panci akan naik sehingga secara alami akan mengalir ke bawah (ke arah kolektor) dan tempatnya digantikan fluida kerja yang bertemperatur lebih tinggi (dari kolektor). Dengan demikian sirkulasi fluida kerja terjadi secara alami tanpa bantuan pompa. Kemampuan fluida kerja bersirkulasi secara alami tergantung pada kekentalan fluida, kemiringan kolektor dan beda ketinggian antara kolektor dengan tangki penyimpan.
Gambar 2.2. Bagian bagian Kolektor DatarGambar 2.3. Susunan Pipa Kolektor Pararel dan SeriKolektor merupakan bagian kompor surya yang menerima energi surya (Gambar 2.2.). Susunan pipa di dalam kolektor dapat berupa susunan pararel atau susunan seri (Gambar 2.3.).
2.2. Tinjuan Pustaka
Nusa Tenggara Timur merupakan propinsi termiskin di Indonesia disusul Lampung, Jawa Timur, Nusa Tenggara Barat dan Sulawesi Tenggara. Masyarakat di daerah-daerah ini umumnya memanfaatkan kayu bakar untuk memasak.
Penggunaan kompor surya merupakan salah satu cara untuk mencegah kerusakan hutan (Suharta dkk, 2005). Penggunaan kompor surya jenis kotak dan parabola di India masih di bawah biogas. Hal ini disebabkan cara memasak dengan kompor surya jenis kotak dan parabola berbeda dengan kebiasaan memasak masyarakat India (Jagadeesh, 2000). Kelemahan kompor surya jenis kotak dan parabola adalah pada saat radiasi surya yang ada berlebih kompor surya jenis ini tidak dapat menyimpan energi surya yang berlebih (Doraswami, 1994). Kompor surya menghasilkan efisiensi sensibel antara 0,3 sampai 0,36 dan efisiensi laten sekitar
2
0,49 (Silva dkk, 2005). Penelitian kompor surya jenis kolektor datar (4 m ) di Brazil menggunakan satu tangki penyimpan panas (50 liter), 5 katup kontrol, 3 panci pemasak dan satu oven menghasilkan efisiensi sensibel antara 0,34 sampai 0,38 dan efisiensi laten sekitar 0,30 (Silva dkk, 2002). Kompor surya jenis kolektor datar dengan fluida kerja minyak tumbuhan diperkenalkan ke beberapa negara (India, Mali, Chili dan Argentina). Fluida kerja dapat mencapai temperatur
O
240 C pada tekanan udara sekitar (Schwarzer dan Krings, 1996). Oven surya jenis
2
kolektor datar (0,95 m ) dengan 6 pipa vakum (panjang 1,8 m, diameter 27,2 mm dan lebar reflektor 0,63 m), fluida kerja minyak tumbuhan dan satu panci pemasak
O
(5 liter) menghasilkan temperatur 252 C (Balzar et al, 1996). Kompor surya jenis kolektor datar di India menggunakan panci masak bertekanan, 12 pipa vakum (panjang 1,8 m dan diameter 63,5 mm), dapat mendidihkan air 4 sampai 8 kg dalam waktu 100 menit dan 140 menit untuk massa air 14 kg. Temperatur yang dapat dicapai lebih tinggi dari kompor surya jenis kolektor datar tanpa pipa vakum
O
(250
C) (Kumar dkk, 2001). Kompor surya jenis kolektor datar dengan penyimpan panas dan kolektor yang dilengkapi tabung vakum dan reflektor
O O
menghasilkan temperatur antara 130 C sampai dengan 160 C (Morrison dkk, 1993). Di Jepang penelitian kompor surya jenis kolektor datar menggunakan tabung vakum dan bahan penyimpan panas yang dapat berubah fasa (erythritol)
O O
menghasilkan temperatur 110 C sampai 130
C. Temperatur tangki penyimpan
O
panas setelah melewati malam dapat dipertahankan sekitar 75 C (Sharma dan kompor 5 cm menghasilkan nilai efisiensi kolektor pada jenis kolektor paralel (2,32 %) lebih besar dibandingkan jenis kolektor seri (0,96 %) dan juga nilai temperatur air dalam panci pada jenis kolektor paralel (58,65 ºC) lebih besar dibandingkan jenis kolektor seri (51,95 ºC). Nilai efisiensi sensibel pada jenis kolektor seri (2,32 %) lebih besar dibandingkan jenis kolektor paralel (0,96 %) (Yulyanto, 2008). Penelitian kompor surya jenis kolektor datar dengan ketinggian kompor 7.5 cm menghasilkan nilai efisiensi kolektor pada jenis kolektor paralel (1 %) lebih besar dibandingkan jenis kolektor seri (1,38 %) dan juga nilai efisiensi sensibel pada jenis kolektor seri (1,15 %) lebih besar dibandingkan jenis kolektor paralel (1,03 %). Temperatur air dalam panci pada jenis kolektor paralel (52,4 ºC) lebih besar dibandingkan jenis kolektor seri (51,8 ºC) (Thomas Angga Surya Indarto, 2008).
2.3. Rumus Perhitungan
Efisiensi kolektor sangat menentukan unjuk kerja kompor secara keseluruhan. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur fluida kerja masuk kolektor, semakin rendah temperatur fluida kerja masuk kolektor efisiensi kolektor akan semakin tinggi, efisiensi sebuah kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan :
T T
⎛ − ⎞
i a
F F U (2.1)η = ( ) τα − ⎜ ⎟
c R R L
G
⎝ ⎠ dengan : F : faktor pelepasan panas
R
2 G : radiasi yang datang (W/m ) o
T : temperatur sekitar (
C)
a o
T : temperatur fluida kerja masuk kolektor (
C)
i 2 o
U : koefisien kerugian (W/(m .
C))
L
(τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor Faktor pelepasan panas kolektor (F ) dihitung dengan persamaan :
R . f Δ Δ m . C . T / t
Pf f
=
F (2.2) R
− −
A G ( τα ) U ( T T ) C [ L i a ]
dengan :
2 A : luasan kolektor (m ) C o C : panas jenis fluida kerja (J/(kg.
C))
PF
2 G : radiasi yang datang (W/m )
m : massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg)
F o
T : temperatur sekitar (
C)
a o
T : temperatur fluida kerja masuk kolektor (
C)
i o
T : temperatur fluida kerja keluar kolektor (
C)
O
Δ : selang waktu (detik) t
2 o U : koefisien kerugian (W/(m .
C))
L
(τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor
Koefisien kerugian U tergantung dari beberapa parameter diantaranya
L
kualitas pelat absorber, isolasi kolektor dan jumlah tutup kaca. Untuk perancangan
2 o praktis harga U sebesar 8 W/(m .
C) adalah khas untuk bahan isolasi biasa (serat
L
kaca, sabut kelapa dan serbuk gergaji), pelat absorber yang dicat hitam dan jumlah tutup kaca satu sampai dua buah.
Efisiensi sensibel didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah energi yang dipakai untuk menaikkan temperatur sejumlah massa air dalam panci
O
pemasak dari temperatur awal sampai 95 C dengan jumlah energi surya yang
O
datang selama interval waktu tertentu. Pemilihan temperatur akhir 95 C dimaksudkan agar tidak terjadi pendidihan pada kondisi akhir air.
Δ m . C . T w pw w
η =
S t
(2.3)
A G . dt C
∫
dengan :
2 A : luasan kolektor (m ) C o C : panas jenis air (J/(kg.
C))
P
dt : lama waktu pemanasan (detik)
2 G : radiasi surya yang datang (W/m )
m : laju aliran massa air (kg)
W o
ΔT : kenaikan temperatur air (
C) Daya sensibel adalah laju energi sensibel yang digunakan untuk
. m C Δ T . . w pw w
(2.4)
Q
=
w
Δ t dengan :
o C : panas jenis air (J/(kg.
C))
P
m : laju aliran massa air (kg)
W o
ΔT : kenaikan temperatur air (
C) Δt : lama waktu pemanasan (detik)
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Peralatan
Gambar 3.1. Bagian-bagian Kompor Surya Jenis Kolektor DatarKompor surya kolektor datar (Gambar 3.1) terdiri dari :
1. Dua kolektor datar (ukuran 1m x 0,5m) dengan susunan pipa kolektor seri dan parallel (Gambar 3.2).
2
6
5
1
3
4
Gambar 3.2. Dua Kolektor Datar (Ukuran 1m x 0,5m) dengan Susunan PipaKolektor Seri dan Paralel
2. Dua buah kotak penyimpan panas (ukuran 20cm x 20cm x 4cm) (Gambar 3.3).
Gambar 3.3. Dua Buah Kotak Penyimpan Panas (Ukuran 20cm x 20cm x 4cm) dan Dua Panci Pemasak Masing-masing Berisi 0,5 Liter Air.3. Dua panci pemasak masing-masing berisi 0.5 liter air (Gambar 3.4).
Gambar 3.4. Panci Pemasak Berisi 0,5 Liter Air4. Katup atau kran pengatur berfungsi untuk mengatur laju aliran fluida antara kotak penyimpan panas dan kolektor (Gambar 3.5).
Gambar 3.5. Katup atau Kran Pengatur Berfungsi Untuk Mengatur Laju Aliran Fluida Antara Kotak Penyimpan Panas dan Kolektor.5. Kolom ekspansi berfungsi untuk menjaga tekanan fluida kerja saat bertemperatur tinggi agar tidak terjadi tekanan berlebih dan berfungsi memasukkan minyak (Gambar 3.6).
Gambar 3.6. Kolom Ekspansi Berfungsi Untuk Menjaga Tekanan Fluida KerjaSaat Temperatur Tinggi
6. Lubang udara berfungsi untuk keluarnya udara saat minyak dipompa ke dalam kompor surya (Gambar 3.7).
Dalam pengambilan data, peralatan yang digunakan meliputi:
1. Sel surya yang telah dikalibrasi untuk mengukur radiasi surya (Gambar 3.8).
Gambar 3.8. Sel Surya yang Telah Dikalibrasi Untuk Mengukur Radiasi Surya 2. Termokopel dan displai (Gambar 3.9).3.2. Variabel yang Divariasikan
Susunan pipa kolektor : seri atau paralel
3.3. Variabel yang Diukur
1. Temperatur udara sekitar (T a
)
2. Radiasi surya yang datang pada permukaan miring kolektor (G)
3. Temperatur fluida kerja masuk kolektor (T i
)
4. Temperatur fluida kerja keluar kolektor (T o
)
5. Temperatur panci pemasak (T p
)
6. Temperatur air dalam panci pemasak (T w
) Untuk pengukuran temperatur digunakan termokopel dan untuk pengukuran radiasi surya digunakan solar sel yang telah dikalibrasi. Posisi termokopel pada alat dapat dilihat pada Gambar 3.10.
3.4. Langkah Penelitian
1. Menyiapkan kompor menggunakan kolektor dengan susunan pipa seri dan paralel yang telah diisi fluida kerja minyak goreng.
2. Menyiapkan sel surya yang telah dikalibrasi untuk mengukur radiasi surya.
3. Mengisi panci pemasak dengan 0,5 liter air.
4. Membuka katup atau kran pengatur agar fluida kerja bersirkulasi antara kolektor dan kotak penyimpan.
5. Mencatat G, T , T , T , T , dan T tiap 15 menit dari pukul 10.00 WIB
a i o p w sampai dengan pukul 14.00 WIB.
6. Pengambilan data dilakukan 5 kali.
3.5. Pengolahan dan Analisis Data
Setelah pengambilan data maka dilakukan pengolahan data sebagai berikut :
1. Menghitung faktor pelepasan panas kolektor (F ) dengan persamaan (2.2)
R
2. Menghitung efisiensi kolektor ( η ) dengan persamaan (2.1)
c
3. Mengh itung daya sensibel (Q h ) dengan persamaan (2.4)
4. Menghitung efisiensi sensibel ( ) dengan persamaan (2.3) η S
Analisis akan lebih mudah dilakukan dengan membuat grafik-grafik berikut : 1. Grafik hubungan efisiensi kolektor dengan Ti-Ta/G.
2. Grafik daya sensibel dengan G ( τα ).
3. Grafik histogram daya sensibel rata-rata pada tiap variasi susunan pipa kolektor.
BAB IV ANALISIS DATA, PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Data-data yang digunakan dalam perhitungan kolektor seri maupun paralel yaitu: Fluida kerja = Minyak Panjang kolektor =
1 m Lebar kolektor = 0,5 m Luas Kolektor = 0,5 m
2 Diameter dalam pipa = 0,01 m Panjang pipa didalam kolektor: Kolektor seri = 2,2 m
Kolektor paralel = 4,4 m Luas penampang pipa = 0,0000785 m
2 Volume pipa dalam kolektor: Kolektor seri = 0,17 liter Kolektor paralel = 0,35 liter
Volume air dalam panci = 0,5 liter Massa jenis fluida kerja = 0,833 kg/liter Massa jenis air = 1 kg/liter Massa air dalam panci = 0,5 kg
4.1 Tabel Hasil Pengambilan Data
Tabel 4.1. Data pada Tanggal 25 September 2007, Jenis Kolektor SeriRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,10 29,4 32,1 69,9 25,5 25,6 2 10:15 3,89 30,7 33,8 77,3 35,6 35,8 3 10:30 3,29 31,2 35,8 83,3 38,9 38,7 4 10:45 3,79 31,2 37,5 90,8 40,8 41,8 5 11:00 3,64 30,1 39,3 98,1 44,4 45,4 6 11:15 3,84 31,9 39,4 95,8 45,5 46,7 7 11:30 3,42 32,8 38,5 84,9 46,0 48,6 8 11:45 3,60 32,8 39,1 89,7 45,5 47,3 9 12:00 3,44 33,8 40,7 94,5 45,8 48,0
10 12:15 3,50 32,7 40,5 92,0 46,2 48,0 11 12:30 2,66 32,2 37,2 76,1 44,1 47,0 12 12:45 1,16 32,8 35,8 72,5 42,0 44,3 13 13:00 0,71 28,6 34,6 64,3 40,0 41,9 14 13:15 2,58 30,8 32,1 60,6 38,1 38,9 15 13:30 0,84 29,6 35,6 63,8 38,0 39,0 16 13:45 1,74 31,0 35,1 59,4 37,1 37,2 17 14:00 1,13 31,3 34,1 52,0 35,8 36,3
Tabel 4.2. Data pada Tanggal 25 September 2007, Jenis Kolektor ParalelRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,10 29,4 34,7 63,3 29,3 30,7 2 10:15 3,89 30,7 35,7 78,1 33,6 35,0 3 10:30 3,29 31,2 37,8 83,9 36,1 37,9 4 10:45 3,79 31,2 39,8 89,9 39,7 42,8 5 11:00 3,64 30,1 43,0 92,5 42,5 46,3 6 11:15 3,84 31,9 44,5 89,9 42,7 48,3 7 11:30 3,42 32,8 42,9 83,2 43,6 48,9 8 11:45 3,60 32,8 42,7 87,9 43,6 48,7 9 12:00 3,44 33,8 42,9 89,8 45,6 49,1
10 12:15 3,50 32,7 44,6 84,2 45,2 50,3 11 12:30 2,66 32,2 41,2 75,0 43,7 48,1 12 12:45 1,16 32,8 38,7 72,9 41,5 45,4 13 13:00 0,71 28,6 37,6 63,0 39,9 43,6 14 13:15 2,58 30,8 32,5 69,5 36,9 40,4
Tabel 4.3. Data pada Tanggal 26 September 2007, Jenis Kolektor SeriRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,04 28,0 29,4 33,5 27,6 26,8 2 10:15 2,60 29,7 33,3 50,8 27,2 28,1 3 10:30 0,75 31,5 33,7 71,6 29,2 29,3 4 10:45 3,45 32,5 34,6 81,2 31,7 31,2 5 11:00 3,57 31,2 35,8 92,8 35,4 35,8 6 11:15 1,29 30,8 36,4 80,5 40,3 42,9 7 11:30 0,64 30,8 35,0 67,3 41,6 43,8 8 11:45 3,28 29,0 34,9 79,2 39,1 41,1 9 12:00 0,87 32,4 37,5 73,3 41,7 43,6
10 12:15 3,17 29,7 34,8 82,4 38,6 41,1 11 12:30 0,30 30,0 35,8 79,2 39,2 44,6 12 12:45 2,95 31,3 35,3 72,2 40,0 43,5 13 13:00 0,24 32,5 37,6 72,3 42,2 44,8 14 13:15 2,30 28,6 33,7 58,6 41,1 40,7 15 13:30 0,06 30,5 35,7 54,9 39,3 41,7 16 13:45 0,12 31,6 33,3 47,0 35,2 37,3 17 14:00 0,21 29,6 31,6 45,7 34,2 36,7
Tabel 4.4. Data pada Tanggal 26 September 2007, Jenis Kolektor ParalelRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,04 28,0 29,0 55,2 28,3 28,0 2 10:15 2,60 29,7 32,6 64,1 30,2 31,0 3 10:30 0,75 31,5 33,6 71,0 33,7 35,9 4 10:45 3,45 32,5 34,4 78,1 35,1 38,2 5 11:00 3,57 31,2 38,4 86,9 39,7 44,4 6 11:15 1,29 30,8 39,9 72,5 44,1 47,1 7 11:30 0,64 30,8 38,2 61,5 42,8 47,4 8 11:45 3,28 29,0 37,7 81,8 40,8 45,9 9 12:00 0,87 32,4 37,9 68,8 42,0 46,8
10 12:15 3,17 29,7 37,8 81,9 40,8 46,6 11 12:30 0,30 30,0 39,8 67,2 43,3 49,1 12 12:45 2,95 31,3 36,6 77,4 41,0 45,3 13 13:00 0,24 32,5 40,1 61,4 42,4 47,8 14 13:15 2,30 28,6 35,8 59,1 39,3 44,8 15 13:30 0,06 30,5 36,7 52,8 46,2 44,2 16 13:45 0,12 31,6 32,1 52,5 37,3 41,3
Tabel 4.5. Data pada Tanggal 28 September 2007, Jenis Kolektor SeriRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 0,80 29,0 25,3 50,6 26,8 28,0 2 10:15 2,43 27,8 28,2 51,8 27,8 26,3 3 10:30 4,20 29,3 30,6 60,4 28,3 28,3 4 10:45 1,51 30,0 32,1 68,5 31,7 32,1 5 11:00 3,88 29,7 32,9 80,9 32,7 33,6 6 11:15 3,80 30,0 32,6 92,7 35,8 37,1 7 11:30 0,86 30,4 34,7 87,1 39,7 42,8 8 11:45 2,40 30,5 31,6 70,5 38,6 41,4 9 12:00 0,67 29,6 32,0 71,6 38,6 41,2
10 12:15 0,74 29,7 32,5 59,2 37,3 40,0 11 12:30 3,69 29,8 33,8 77,6 35,6 36,3 12 12:45 0,75 31,5 36,2 86,3 39,1 40,7 13 13:00 3,34 30,8 33,7 83,7 39,7 42,5 14 13:15 3,38 31,8 36,7 86,3 41,3 43,0 15 13:30 0,87 32,8 39,3 84,3 44,5 45,4 16 13:45 2,43 31,9 37,9 73,2 44,5 45,0 17 14:00 1,68 31,2 35,7 67,3 43,5 47,0
Tabel 4.6. Data pada Tanggal 28 September 2007, Jenis Kolektor ParalelRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 0,80 29,0 29,0 52,9 29,6 29,1 2 10:15 2,43 27,8 28,2 56,1 29,5 28,9 3 10:30 4,20 29,3 29,1 62,9 30,6 30,1 4 10:45 1,51 30,0 31,6 52,3 33,9 33,3 5 11:00 3,88 29,7 32,7 79,5 35,5 34,5 6 11:15 3,80 30,0 36,4 86,2 38,6 42,1 7 11:30 0,86 30,4 38,7 72,9 40,0 46,8 8 11:45 2,40 30,5 36,3 60,8 39,4 43,6 9 12:00 0,67 29,3 36,4 64,3 39,4 43,4
10 12:15 0,74 29,7 33,4 53,7 39,2 42,5 11 12:30 3,69 29,8 34,3 78,6 37,3 40,8 12 12:45 0,75 31,5 39,9 77,2 41,3 45,4 13 13:00 3,34 30,8 39,0 81,1 41,7 45,3 14 13:15 3,38 31,8 39,4 78,5 43,3 46,3 15 13:30 0,87 32,8 42,8 80,1 43,7 50,1 16 13:45 2,43 31,9 39,9 68,8 44,1 49,7
Tabel 4.7. Data pada Tanggal 2 Oktober 2007, Jenis Kolektor SeriRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,12 30,2 27,0 63,7 28,0 27,7 2 10:15 3,42 30,1 32,8 83,8 32,9 31,0 3 10:30 3,57 30,0 31,4 78,7 36,3 35,0 4 10:45 0,82 30,8 34,4 72,2 38,5 40,2 5 11:00 3,85 31,6 29,9 74,8 38,8 39,5 6 11:15 3,74 30,0 34,0 70,5 38,5 40,5 7 11:30 3,75 32,4 39,4 93,4 44,9 45,1 8 11:45 3,86 31,1 41,0 99,0 48,0 50,7 9 12:00 0,83 33,2 44,1 92,3 51,1 52,2
10 12:15 3,56 30,3 40,9 86,9 48,6 49,2 11 12:30 3,28 32,0 40,8 92,3 48,4 48,5 12 12:45 3,38 33,1 42,5 90,4 49,1 49,9 13 13:00 3,31 30,6 41,4 90,2 48,0 49,2 14 13:15 3,01 31,3 38,1 86,0 48,5 50,5 15 13:30 2,60 32,5 40,3 83,1 48,7 49,2 16 13:45 2,59 32,0 39,3 70,6 46,0 46,2 17 14:00 2,31 30,3 34,8 59,2 32,9 45,3
Tabel 4.8. Data pada Tanggal 2 Oktober 2007, Jenis Kolektor ParalelRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 3,12 30,2 29,7 72,5 29 28,2 2 10:15 3,42 30,1 33,7 78,5 34,4 34,9 3 10:30 3,57 30,0 35,1 79,0 34,7 35,7 4 10:45 0,82 30,8 37,6 64,7 36,2 38,3 5 11:00 3,85 31,6 39,4 74,5 34,0 37,8 6 11:15 3,74 30,0 42,8 86,4 41,7 39,9 7 11:30 3,75 32,4 44,4 91,4 41,5 41,7 8 11:45 3,86 31,1 46,6 91,1 41,1 44,0 9 12:00 0,83 33,2 46,8 78,2 44,5 51,5
10 12:15 3,56 30,3 38,6 85,6 45,8 52,0 11 12:30 3,28 32,0 44,2 85,6 42,5 51,6 12 12:45 3,38 33,1 45,0 79,9 44,4 51,8 13 13:00 3,31 30,6 44,6 82,7 43,6 49,7 14 13:15 3,01 31,3 42,7 74,2 45,8 49,7 15 13:30 2,60 32,5 43,2 74,6 42,5 48,5 16 13:45 2,59 32,0 42,4 66,2 41,5 45,4
Tabel 4.9. Data pada Tanggal 3 Oktober 2007, Jenis Kolektor SeriRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 1,03 27,0 26,4 26,1 25,1 25,3 2 10:15 2,01 27,8 29,1 38,5 26,7 26,5 3 10:30 3,23 32,7 34,8 64,7 29,8 28,6 4 10:45 0,81 31,0 34,6 70,3 33,8 30,2 5 11:00 0,65 31,2 29,2 63,8 33,7 32,8 6 11:15 3,25 31,1 32,6 65,0 33,8 36,0 7 11:30 0,72 27,5 38,7 87,6 39,5 40,2 8 11:45 3,29 32,9 37,1 82,4 41,3 42,2 9 12:00 3,25 31,3 41,2 95,1 46,0 47,2
10 12:15 0,61 30,3 43,3 89,5 48,9 52,0 11 12:30 3,04 32,0 36,8 69,9 45,8 48,5 12 12:45 0,73 31,9 38,4 78,5 47,0 47,4 13 13:00 0,51 30,0 37,1 64,5 44,8 45,8 14 13:15 0,57 31,2 37,9 58,1 43,0 42,8 15 13:30 0,62 31,8 34,6 55,8 38,7 40,6 16 13:45 0,55 25,6 30,3 48,4 37,9 36,7 17 14:00 1,04 30,3 31,8 47,9 38,8 33,2
Tabel 4.10. Data pada Tanggal 3 Oktober 2007, Jenis Kolektor ParalelRadiasi Ta (link) Ti kolektor
To kolektor Tp Tw (air) No Pukul
Volt Celcius Celcius Celcius Celcius Celcius 1 10:00 1,03 27,0 30,5 45,9 26,3 26,1 2 10:15 2,01 27,8 31,7 58,5 27,6 27,4 3 10:30 3,23 32,7 33,0 78,8 31,0 31,6 4 10:45 0,81 31,0 35,9 71,8 32,3 34,3 5 11:00 0,65 31,2 35,4 63,2 33,5 34,6 6 11:15 3,25 31,1 36,1 78,8 34,1 35,9 7 11:30 0,72 27,5 41,2 78,3 38,2 44,0 8 11:45 3,29 32,9 42,7 87,5 41,8 47,4 9 12:00 3,25 31,3 45,2 92,2 44,6 50,9
10 12:15 0,61 30,3 48,5 85,5 45,3 55,2 11 12:30 3,04 32,0 41,8 76,1 45,0 53,3 12 12:45 0,73 31,9 45,5 78,2 44,8 54,8 13 13:00 0,51 30,0 43,2 64,9 45,8 53,5 14 13:15 0,57 31,2 39,6 65,4 42,3 50,2 15 13:30 0,62 31,8 38,4 64,7 40,1 50,1 16 13:45 0,55 25,6 37,2 60,5 39,5 45,2
4.2 Fluida yang Dipergunakan
4.2.1 Massa Fluida ( m ) f
Massa fluida yang dipakai dalam perhitungan adalah massa fluida seluruhnya yaitu fluida di dalam kolektor dan di dalam kotak penyimpan panas.
ρ m = ⋅
V f f f
Untuk seri
( ) f
17 + m = , 833 ⋅ , 1 , 6 = 1,47 kg
Untuk paralel
( ) f
35 + m = , 833 ⋅ , 1 , 6 = 1,62 kg
4.2.2 Panas Jenis Fluida Kerja ( C ) PF
Untuk mengetahui panas jenis minyak goreng dapat diketahui dari percobaan. Berikut ini adalah langkah-langkah untuk mengetahui panas jenis minyak goreng.
a. Memberi energi kalor yang sama pada air dan minyak dengan cara: Memanaskan air dan minyak dengan massa dan waktu yang sama yaitu 0,97 kg selama 5 menit.
b. Dari hasil percobaan didapat:
o
Temperatur air mengalami kenaikan sebesar 25,3