PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN VARIASI KEMIRINGAN KOLEKTOR 40 DAN 50

  PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN

VARIASI KEMIRINGAN KOLEKTOR 40 DAN 50

  Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh: ARDIKO PARDEDE (110401009) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena hanya atas berkat dan karunia-Nya penulis dapat mengerjakan dan menyelesaikan skripsi ini dengan baik.

  Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu

  “Pengujian Pemanas Air

Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada

Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dengan Variasi Kemiringan Kolektor 40

dan 50

  .”

  Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:

  1. Orang tua penulis, Ayahanda M. Pardede dan Ibunda H. Siahaan almarhumah atas segala pengorbanan yang tiada terbalaskan di dalam membesarkan, menyekolahkan saya hingga ke jenjang perguruan tinggi. Permohonan saya kepada Tuhan melalui doa yang tulus kiranya kepada Ibunda tercinta diberikan tempat yang layak disisi-Nya dan kepada Ayahanda tercinta kiranya diberikan kekuatan dan kesehatan serta ketabahan di dalam membimbing kami anak-anak mu.

  2. Bapak Ir.Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi ini.

  3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun.

  4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

  5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

  i

  6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.

  7. Rekan satu tim skripsi yaitu Immanuel Richart Sembiring yang selalu menyemangati penulis dengan sabar.

  8. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

  Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua. Terimakasih.

  Medan, Juni 2015 Penulis

  Ardiko Pardede

  ii

  

ABSTRAK

  Penelitian ini adalah bagian dari suatu penelitian besar tentang pemanfaatan energi surya sebagai energi terbarukan untuk pemanas air. Latar belakang penelitian ini adalah adanya kebutuhan yang besar akan penggunaan air panas terutama di hotel, rumah sakit dan restauran. Sebuah alat pemanas air tenaga surya yang diuji memakai sistem pipa panas, dimana sistem pemanasan air berlangsung dengan prinsip termosifon. Alat pemanas air tenaga surya ini berukuran 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m, yang dibagi menjadi 3 bagian kolektor dengan ukuran 1 m x 0,2 m per kolektor. Masing-masing kolektor dipasang 2 pipa panas berukuran 3/4 inchi dan tangki penyimpan air yang berisi 4 liter. Penelitian dilakukan di Kota Medan dengan ketinggian tempat penelitian 47 m dpl dan kemiringan kolektor 2 variasi yaitu 40 dan 50 terhadap garis horizontal menghadap timur. Penelitian ini menggunakan refrigeran R-718 sebagai fluida kerja, pengujian dilakukan secara bersamaan pada tiga kolektor yang berbeda tekanan vakum refrigerannya, refrigeran di kolektor 1 divakum pada 45 cmHg, kolektor 2 pada 40 cmHg dan kolektor 3 pada 35 cmHg. Pengujian dilakukan sebanyak tiga tahap untuk masing-masing kemiringan kolektor. Pengujian menunjukkan hasil berikut : Temperatur air maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 62,75

  C, terjadi di tangki 1 pada tekanan vakum 45 cmHg dengan kemiringan kolektor 50 . Pada saat itu total energi radiasi yang diukur oleh

  2

  pyranometer adalah sebesar 15,13 MJ/m /hari. Efisiensi maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 48,63 % terjadi pada tangki 3 dengan kemiringan kolektor 50 . Kesimpulan adalah semakin tinggi kevakuman refrigeran maka temperatur air akan semakin tinggi, energi surya di kota Medan dapat digunakan sebagai pemanas air sehingga bisa mengurangi pengunaan bahan bakar untuk memanaskan air.

  Kata kunci: Energi Surya, Energi Terbarukan, Pipa Panas, Refrigeran, Pemanas Air

  

ABSTRACT

This research is part of a large research on solar energy utilization as renewable

energy for heating water. The background of this research is the great needs that will use

hot water especially in hotel, hospitals and restaurant. An instrument water heater solar

tested wearing hot pipe system, where water heating system with the principle of lasting

termosifon. A solar water heater this size 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m divided into 3 of the

collector with a measure of 1 m x 0,2 m one collector. Each mounted collector 2 pipe hot

measuring 3/4 inches and tank the depositary of water that contains 4 liters. Research is

done in the city of medan with the height of the research 47 m dpl and the slope of a

collector 2 variation that is 40 and 50 a horizontal line facing east. This study using a

refrigerant R-718 as a working fluid, testing be done simultaneously on three different

collector vacuum pressure refrigerant, a refrigerant in collector 1 vacuum on 45 cmHg ,

collector 2 on 40 cmHg and collector 3 on 35 cmHg .Testing done in three phases for each

the slope of a collector. Testing shows the results of the following: maximum water

temperature of the whole research phase 62,75 C is as much as, happened in the tank 1 to

pressure vacuum 45 cmHg with a tilt collector 50 . At the time the total radiation energy

  2

measured by pyranometer is as much as 15,13 MJ/m /day. Maximum efficiency of the

whole research phase is as much as 48,63 % happened on a tank 3 with a tilt collector 50 .

  

The conclusion is the higher vacuum pressure a refrigerant and water temperatures are

significantly higher, solar energy in the city of Medan can be used as heating of water so

that it can help reduce using of fuel for heating water.

  Keywords: Solar Energy, Renewable Energy, Hot Pipe, Refrigerant, Water Heater

  

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR..................................................................................................... i

ABSTRAK ....................................................................................................................... iii

ABSTRACT ...................................................................................................................... iv DAFTAR ISI................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR...................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL .......................................................................................................... xiii

DAFTAR SIMBOL........................................................................................................ xiv

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................... xv

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

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

  1 1.2. Tujuan Penelitian .........................................................................................

  3 1.3. Batasan Masalah ..........................................................................................

  3 1.4. Manfaat Penelitian .......................................................................................

  3 1.5. Sistematika Penulisan ..................................................................................

  4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................................

  6 2.1. Perpindahan Panas .......................................................................................

  6 2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi...........................................................

  6 2.1.2. Perpindahan Panas Konveksi...........................................................

  7 2.1.3. Perpindahan Panas Radiasi ..............................................................

  8 2.2. Radiasi Surya ...............................................................................................

  8 2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya ...............................................................

  8 2.2.2. Absorbtivitas, Reflektivitas dan Transimitas..................................

  9 2.2.3. Rumusan Radiasi Surya ...................................................................

  11 2.2.4. Hipotesa Pengaruh Kemiringan Kolektor........................................

  17 2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS .....

  18 2.3. Pemanfaatan Energi Surya...........................................................................

  20 2.4. Kalor ............................................................................................................

  28 2.4.1. Kalor Laten ......................................................................................

  28 2.4.2. Kalor Sensibel..................................................................................

  28

  2.4.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air

  Tenaga Surya ...................................................................................

  29 2.5. Alat Pemanas Air Tenaga Surya..................................................................

  29 2.5.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya ...................................

  32

  2.5.2. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya ...................................................................................

  33 2.5.3. Energi yang Diserap oleh air ...........................................................

  34 2.5.4. Efisiensi dari Kolektor .....................................................................

  35 2.6. Refrigeran R-718 .........................................................................................

  35 BAB III METODE PENELITIAN ...............................................................................

  38 3.1. Tempat dan Waktu.......................................................................................

  38 3.1.1. Tempat Penelitian ............................................................................

  38 3.1.2. Waktu Pelaksanaan ..........................................................................

  38 3.2 Bahan dan Peralatan ....................................................................................

  38 3.2.1. Bahan ...............................................................................................

  38 3.2.2. Peralatan...........................................................................................

  39 3.3. Pelaksanaan Penelitian ................................................................................

  47 3.3.1. Pemeriksaan Peralatan .....................................................................

  47 3.3.2. Persiapan Pendahuluan ....................................................................

  47 3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran ........................................................

  48 3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor ................................................................

  48 3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian ....................................................

  48 3.4. Eksperimental Set-Up ..................................................................................

  49 3.5. Variabel Penelitian .....................................................................................

  49 3.5.1. Variabel Bebas .................................................................................

  49 3.5.2. Variabel Terikat ...............................................................................

  50 3.6. Analisa Data ................................................................................................

  50 3.7. Kerangka Konsep Penelitian .......................................................................

  51 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ...........................................

  52 4.1. Hasil Pengujian............................................................................................

  52 4.2. Suhu Kolektor dan Air pada Tangki dari Hasil Pengujian ..........................

  53

  4.2.1. Pengujian Tahap I ...........................................................................

  o .........................................................

  79

  4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 40

  o .........................................................

  81 4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ).......................................

  81

  4.7.2. Energi yang Diserap Air (Q

  u ) ..........................................................

  84 4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  86

  4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 50

  87

  76 4.6.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ..........................................................

  4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q

  incident ).......................................

  87 4.8.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ..........................................................

  90 4.8.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  91 4.9. Efisensi Kolektor Sudut Miring...................................................................

  92 4.9.1. Efisensi Kolektor Sudut Miring Tahap I..........................................

  93 4.9.2. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap II .......................................

  95 4.9.3. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap III......................................

  96 4.10. Fluktuatif Tekanan Saat Pengujian ............................................................

  98

  76 4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  76 4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ).......................................

  53 4.2.2. Pengujian Tahap II ..........................................................................

  64

  54 4.2.3. Pengujian Tahap III ........................................................................

  56

  4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 40

  o ............................................................

  58 4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ).......................................

  58 4.3.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ..........................................................

  62 4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  63

  4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 50

  o ............................................................

  4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q

  o ...........................................................

  incident ).......................................

  64 4.4.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ..........................................................

  68 4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  69

  4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 40

  o ...........................................................

  70 4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Q incident ).......................................

  70 4.5.2. Energi yang Diserap Air (Q u ) ..........................................................

  73 4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum..................................

  75

  4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 50

  4.11. Pengaruh Cuaca Terhadap Performansi Kolektor ..................................... 102

  4.11.1. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 40 .............. 102

  4.11.2. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 50 .............. 103

  4.12. Pembahasan ............................................................................................... 103

  

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................................... 106

  5.1. Kesimpulan ................................................................................................. 106

  5.2. Saran ........................................................................................................... 106

  

DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................... xvi

LAMPIRAN..................................................................................................................... xviii

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat ...................................

  24 Gambar 2.12 Solar Arsitektur .......................................................................................

  33 Gambar 2.19 Ilustrasi Pengaruh arah sudut sumber energi terhadap besaran energi yang diterima...........................................................................................

  32 Gambar 2.18 Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber ..............................................

  28 Gambar 2.17 Alat Pemanas Air Tenaga Surya ............................................................

  27 Gambar 2.16 Solar Power Plant ...................................................................................

  26 Gambar 2.15 Solar Destilasi .........................................................................................

  25 Gambar 2.14 Solar Chimney .........................................................................................

  25 Gambar 2.13 Sistem Pendingin dengan Energi Surya ..................................................

  22 Gambar 2.11 Solar Driers.............................................................................................

  6 Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat .................................

  21 Gambar 2.10 Kompor surya ..........................................................................................

  19 Gambar 2.9 Solar Water Heater .................................................................................

  14 Gambar 2.8 Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan ......................

  11 Gambar 2.7 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ....................................................

  10 Gambar 2.6 Hubungan antara matahari dan bumi ......................................................

  10 Gambar 2.5 Radiasi Surya...........................................................................................

  9 Gambar 2.4 Pola Absorbsi ..........................................................................................

  7 Gambar 2.3 Interaksi energi surya ..............................................................................

  33

Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian...................................................................

  38 Gambar 3.2 Skema Pemanas Air Tenaga Surya dengan R-718 pada tekanan yang bervariasi ........................................................................................

  40 Gambar 3.3 Pompa Vakum .........................................................................................

  41 Gambar 3.4 Manifold Gauge .......................................................................................

  41 Gambar 3.5 Agilient 34972 A ......................................................................................

  42 Gambar 3.6 Laptop......................................................................................................

  43 Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger ...............................................................

  43 Gambar 3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya ...........................

  49 Gambar 4.1 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 40 tahap 1......................................................................

  53 Gambar 4.2 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 50 tahap 1......................................................................

  54 Gambar 4.3 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 40 tahap 2......................................................................

  55 Gambar 4.4 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 50 tahap 2......................................................................

  56 Gambar 4.5 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 40 tahap 3......................................................................

  57 Gambar 4.6 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu

  o pada pengujian 50 tahap 3......................................................................

  58

  o Gambar 4.7 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40 tahap 1 .......

  59

Gambar 4.8 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 40 tahap 1 ...............................................................................................

  77 Gambar 4.17 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 50 tahap 2 ...............................................................................................

  88 Gambar 4.23 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 50 tahap 3 ...............................................................................................

  o tahap 3 .......

  86 Gambar 4.22 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50

  85 Gambar 4.21 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 40 tahap 3..............

  82 Gambar 4.20 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 40 tahap 3 ...............................................................................................

  o tahap 3 .......

  81 Gambar 4.19 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40

  80 Gambar 4.18 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 50 tahap 2..............

  o tahap 2 .......

  63 Gambar 4.9 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 40 tahap 1..............

  75 Gambar 4.16 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50

  74 Gambar 4.15 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 40 tahap 2..............

  71 Gambar 4.14 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 40 tahap 2 ...............................................................................................

  o tahap 2 .......

  70 Gambar 4.13 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40

  69 Gambar 4.12 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 50 tahap 1..............

  65 Gambar 4.11 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian 50 tahap 1 ...............................................................................................

  o tahap 1 .......

  64 Gambar 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50

  91

Gambar 4.24 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 50 tahap 3..............

  92 Gambar 4.25 Tekanan saat awal pengujian, 45 cmHg Vakum .....................................

  98 Gambar 4.26 Tekanan pada pukul 09.00 berkisar 41 cmHg Vakum ...........................

  98 Gambar 4.27 Tekanan pada pukul 10.00 berkisar 35 cmHg Vakum ............................

  99 Gambar 4.28 Tekanan pada pukul 11.00 berkisar 26 cmHg Vakum ............................

  99 Gambar 4.29 Tekanan pada pukul 12.00 berkisar 20 cmHg Vakum ............................

  99 Gambar 4.30 Tekanan pada pukul 13.00 berkisar 23 cmHg Vakum ............................ 100

Gambar 4.31 Tekanan pada pukul 14.00 berkisar 30 cmHg Vakum ............................ 100Gambar 4.32 Tekanan pada pukul 15.00 berkisar 34 cmHg Vakum ............................ 100Gambar 4.33 Tekanan pada pukul 16.00 berkisar 40 cmHg Vakum ............................ 101Gambar 4.34 Grafik tekanan pada pipa panas, temperatur air vs waktu....................... 101

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Urutan hari berdasarkan bulan .....................................................................

  12 Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim ....................................................................................

  16 Tabel 2.3 Sifat – Sifat dari R-718 yang digunakan......................................................

  36 Tabel 2.4 Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,400 bar absolut) ..................

  36 Tabel 2.5 Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut) ..................

  36 Tabel 2.6 Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut) ..................

  37 Tabel 3.1 Spesifikasi Measurement Apparatus............................................................

  44 Tabel 3.2 Spesifikasi Pyranometer .............................................................................

  45 Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ................................................................

  45 Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ............................................................

  46 Tabel 4.1 Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap ..............................................

  52 Tabel 4.2 Perbandingan efisiensi kolektor sudut datar dan sudut miring ....................

  97 Tabel 4.3 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 40 ............................. 102

Tabel 4.4 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 50 ............................. 103Tabel 4.5 Efisiensi pada temperatur air maksimum dari setiap tahap pengujian......... 104

DAFTAR SIMBOL

  )

  Ƞ Efisiensi Kolektor PATS %

  Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor C

  T w2

  kolektor C

  T w1 Temperatur awal air sebelum dipanaskan

  Panas jenis dari air kJ/kg. C

  C p,w

  Massa air kg

  Q u Energi berguna dari kolektor ke air kJ P Tekanan Vakum cmHg m w

  Difusifitas bahan -

  α

  Panas yang dipantulkan J

  Q abs Panas absorber J Q ref

  Simbol Keterangan Satuan Q c Laju perpindahan panas konduksi W Q h

  Laju perpindahan panas konveksi W

  I Intensitas radiasi matahari (W/m

  )

  2

  Luas penampang pelat absorber (m

  2 Q incident Panas matahari J A

  2 G sc Konstanta surya W/m

  G on Radiasi atmosfer W/m

  J

  Qs Kalor sensibel

  J

  Q L Kalor laten

  Beda temperatur K

  2 K) k Koefisien konduksi W/m.K ∆T

  Q r Laju perpindahan panas radiasi W h Koefisien konveksi W(m

  2