Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar untuk Pemanas Air Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kolektor Surya Plat Datar
Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup
yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan
konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi
dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.
Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar [3]
Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca
transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap
panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima
menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga
yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang
menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat
absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan
konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi
kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal.
Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung
dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
5
Universitas Sumatera Utara
pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari
25 tahun [4].
Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:
1. Kaca penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa
gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan
pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai
sifat-sifat sebagai berikut [5]:
a. Transmisivitas tinggi ( )
b. Absorsivitas rendah ( )
c. Refleksivitas rendah ( )
d. Tahan panas
e. Ada dipasaran dan kuat
Ketebalan dan jarak kaca penutup terhadap plat absorber juga sangat
berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa
temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan
tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm [6].
Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari
kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca
penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu
kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor
dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan
kolektor dengan sebuah kaca penutup [7].
2. Plat absorber
Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang
diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi
panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang
dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan
baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus
mengacu pada pertimbangan berikut ini [5]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Absorbsivitas tinggi ( )
b. Emisifitas panas rendah ( )
c. Kapasitas panas kecil (Cp).
d. Konduktifitas besar (k)
e. Refleksi rendah ( )
f. Tahan panas dan tahan korosi
g. Kaku dan mudah dibentuk
h. Ada dipasaran
Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap
performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan.
Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan
konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm[8].
3. Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh
sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut [5]:
a. Konduktivitas termal bahan kecil
b. Mudah dibentuk dan praktis
c. Harga murah dan ada dipasaran
d. Tahan lama
2.2. Klasifikasi Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefenisikan 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 didalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada
umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [9]
7
Universitas Sumatera Utara
1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan.
2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan.
5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
2.2.1. Jenis Kolektor Surya
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam solar
thermal collector system dan juga memiliki korelasi dengan pengklaisifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
1. Flat-Plate Collector
Kolektor surya merupakan plat datar merupakan alat yang digunakan
untuk
memanaskan
fluida
kerja
yang
mengalir
kedalamnya
dengan
mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan
berupa cairan minyak, air, oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai
temperatur keluaran dibawah 95oC. Dalam aplikasinya kolektor plat datar
digunakan untuk memanaskan udara dan air.
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan
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 umunya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan
dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur dibawah 100oC. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang
berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi,
dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor plat datar memanfaatkan radiasi
matahari langsung dan terpancar. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain
digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses
8
Universitas Sumatera Utara
panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor plat datar antara
lain, transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka. [10]
Gambar 2.2 Kolektor surya plat datar [11]
2. Concentrating collector
Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi
panas temeperatur antara 100-400oC. Kolektor 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
absorbernya
jenis
ini
dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.[12]
Gambar 2.3 Konsentrator
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,
konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur
fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada
gambar diatas.
9
Universitas Sumatera Utara
3. Evacuated Tube Collector
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaan terletak
pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya
yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan
penutupnya
dikondisikan
dalam
keadaan
vakum,
sehingga
mampu
meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan
luar absorber menuju lingkungan. [13]
Gambar 2.4 Evacuated Receiver[14]
2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya
1. Sistem Langsung
Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang
dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah dari pada sistem
tidak langsung dan melakukan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke
tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti :
Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada
Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap
pembekuan
Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor
yang rusak akibat pembekuan air.
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Pemanas air sistem langsung [15]
a. Sistem pasif dengan tangki diatas kolektor
b. Sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah
pane photovolatic.
2. Sistem Tidak Langsung
Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar
panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat transfer fluid)
yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling
umum adalah air dan anti beku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan
glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak
langsung
memberikan
perlindungan
terhadap
pembekuan
dan
biasanya
memberikan perlindungan terhadap kehilangan panas.
Gambar 2.6 Pemanas air sistem aktif tidak langsung [15]
c. Sistem tidak langsung dengan penukar panas dalam tangki.
11
Universitas Sumatera Utara
d. Sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema
kontroller dan pompa didorong oleh listrik.
2.3. Posisi Matahari
Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan
miring dari radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus
diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi
surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya
berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari.
-
Sudut lintang , adalah sudut lokasi bidang dipermukaan bumi terhadap
ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positif. Nilai
untuk sudut lintang : - 90 ≤ ɸ ≤ 90.
-
Sudut kemiringan β, adalah sudut antara permukaan bidang yang
dimaksud terhadap horizontal : 0 ≤ β ≤ 180o.
-
Sudut deklinasi matahari , merupakan sudut kemiringan bumi terhadap
matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,
45o≤
≤23, 45o.
Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :
................................ 2.1
Dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali
dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.
Gambar 2.7 Deklinasi Matahari
12
Universitas Sumatera Utara
-
Sudut jam matahari
, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur
barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar
pergeseran sudut tersebut 15o tiap jam.
-
Sudut ketinggian matahari
, adalah sudut antara radiasi langsung dari
matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan :
[16]
sin
-
Sudut zenith
= cos cos cos + sin ɸ sin
.............. 2.2
, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan
garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :
-
cos
= sin
cos
=
............. 2.3
Sudut azimut (
...................................... 2.4
Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari [17]
2.4.
Perpindahan panas
2.4.1. Konduksi
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke
daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara,
namun benda perantaranya tidak ikut berpindah. Proses konduksi terjadi karena
elektron-elektron bebas atau foton (paket gelombang akustik) yang berpindah.
Jadi, tidak tampak perpindahannya secara makroskopik. Jika atom atau molekul
13
Universitas Sumatera Utara
suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebih tinggi dari pada molekul di tempat lain,
maka atom atau molekul tersebut akan bergerak dengan energi lebih besar dari
pada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapat dipindahkan kepada
molekul-molekul atau atom lainnya.
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum
Fourrier. [19]
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier
............................................... 2.10
dimana :
= Laju perpindahan panas (Watt)
k
= Konduktivitas Termal (W/m.K)
A
= Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
= Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
Nilai angka konduktifitas termal menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir
dalam bahan tertentu.
Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor
14
Universitas Sumatera Utara
Peristiwa perpindahan konduksi pada kolektor surya terjadi pada sisi-sisi
kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi panas hilang
(Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang
lebih dingin (temperatur lingkungan).
2.4.2. Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massa
medianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya
perbedaan kecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat
pada perbedaan berat jenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi
akan mempunyai berat jenis yang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida
sejenisnya yang bersuuhu lebih rendah. Karena itu, maka fluida yang bersuhu
tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilah yang berakibat pada
terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir diatas suatu
permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara
konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara
disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan
oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural
Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh
bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent.
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar[20]
Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut :
..............................................................2.11
dimana :
Re
= bilangan Reynold
V
= kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)
L
= panjang kolektor (m)
= massa jenis (kg/m3)
= viskositas dinamik (kg/m.s)
Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut :
Re ≤ 5x105
untuk aliran Laminar
Re ≥ 5x105
untuk aliran Turbulen
Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
..............................................2.12
dimana :
h = koefisien konveksi (W/m2.K)
A = luas permukaan kolektor surya (m2)
Ts = temperatur dinding (K)
= temperatur udara lingkungan (K)
Qh = laju perpindahan panas (Watt)
Kolerasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan
panas konveksi (hc) yaitu :
16
Universitas Sumatera Utara
....................................................2.13
.............................................2.14
...........................................................2.15
dimana :
GrL
= Bilangan Grashoff
= Massa Jenis (kg/m3)
G
= Gravitasi (m/s2)
= Koefisien udara pada temperatur film (1/K)
L
= Panjang Kolektor (m)
= Viskositas (N.s/m2)
RaL
= Bilangan Rayleigh
Pr
= Bilangan Prandt
Nux
= Bilangan Nusselt
l
= Lebar Kolektor (m)
hc
= Koefisien konveksi (W/m2.K)
k
= Konduktivitas termal (W/m.K)
Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan
bilangan Gr L yang telah didefenisikan pada persamaan :
............................................. 2.16
Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut :
1. Bidang vertikal
Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua
kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida
sehingga mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari
temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan
mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda.
Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang
bidang L dan dinyatakan dengan RaL untuk kasus ini ada beberapa alternatif yang
17
Universitas Sumatera Utara
dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada Mc
Adams (1945), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu :
Nu = 0,5 RaL0,25 untuk 104
Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109
RaL
RaL
109............................................. 2.17
1013............................................. 2.18
2. Bidang miring
Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan 900.
Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut kemiringannya
kurang dari 900. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua
persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus
diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah plat yang panas dimiringkan dengan
sudut kemiringan < 900 terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.15
Gambar 2.13 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pada Bidang Miring
2.4.3. Radiasi
Radiasi
adalah
proses
perpindahan
panas
melalui
gelombang
elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada
jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Disamping
itu jumlah energi yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi
dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut
....................................... 2.19
dimana :
Qr
= laju perpindahan panas radiasi (W)
= emisivitas panas permukaan (0
≤1)
= konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2K4)
A
= luas permukaan (m2)
Banyaknya kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu melalui proses radiasi
dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmann sebagai :
..................................................... 2.20
Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai
permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap
air di atmosfer.
Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar
debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan
mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsnug menimpa permukaan
bumi karena :
a. Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang
b. Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer,
sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit dari pada sudut timpanya
miring terhadap normal.
19
Universitas Sumatera Utara
Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut
memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi
yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu :
a. Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi)
b. Emisivitas (permukaan yang terradiasi)
c. Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi
d. Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan
yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber
radiasi). [21]
Gelombang elektormagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai
suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan
sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium
atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas
gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan
tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus
permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang
bertingkah laku seperti benda hitam.
Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh
padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua
panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa
mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan
dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini
disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda
yang bertingkah laku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan
tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.
Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam
umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat
seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan
memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu disebut sebagai
penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak
20
Universitas Sumatera Utara
memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah
permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat :
a. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa
melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse).
b. Pada semua temepratur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada
permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak dari pada benda
hitam.
c. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi
dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah
datangnya sinar. [21]
Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkah laku seperti benda hitam :
1. Emisivitas
Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu
dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temepratur yang sama.
Emisivitas
merupakan
ukuran
kemampuan
suatu
benda
untuk
meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki
emisivitas sama dengan satu (
tetapi objek sesungguhnya memiliki
emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda
tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda,
maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah
satuan yang tidak berdimensi. Emisivitas bergantung pada faktor
diantaranya temperatur, sudut emisi, dan panjang gelombang radiasi.
2. Absorbsivitas (Penyerapan)
Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan
transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal
ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah
proses pada saat suatu permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang
dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan
ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena
panas tersebut.
21
Universitas Sumatera Utara
3. Transmisivitas
Transmisivitas
adalah
fraksi
dari
jumlah
energi
radiasi
yang
ditransmisikan berjumlah total energi radiasi yang diterima suatu
permukaan. Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap
oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh
karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi-tingginya
dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas
memancarkan radiasi termal dalam daerah batas yang masih praktis. Plat
penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah
panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat
dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan
khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam
daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas
yang rendah ( rendah) dalam daerah inframerah [22]
2.5.
Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat
penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk
memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan
oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih
diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (zatnya boleh sama) yang
berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau
permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak
langsung (fluidanya bercampur).
Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida
(panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju
perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti
kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling
dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas
spesifik), beda temperatur antara kedua fluida, dan sifat permukaan bidang
perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida.
22
Universitas Sumatera Utara
2.5.1. Jenis Penukar Kalor
Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang
tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah
terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas
yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi.
Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat
dibedakan menjadi dua golongan, yaitu :
a. Tipe kontak langsung, dimana antara dua zat yang diperlukan energinya
dicampur atau dikontakkan secara langsung.
b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang
dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan
seperti dinding pipa, plat, dan lain sebagainya antara kedua zat tidak
tercampur.
Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali
laluan dengan multi atau banyak laluan.
Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari
fluida, yaitu :
a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan
arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa
temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih
tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat
meninggalkan penukar kalor.
b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida
didalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang
satu dan keluar dari sisi yang lain.
c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling
bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana
aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling
bersilangan.
23
Universitas Sumatera Utara
2.6. Kehilangan Panas pada Bagian Atas
Kehilangan energi panas tersebut terjadi dari bagian atas (qa),bawah (qb)
dan samping (qs).Indikator perubahan panas ditunjukkan dari perubahan
temperatur lingkungan (TL), kaca penutup 1 (TK1), gap udara 1 (TG1),kaca penutup
2 (TK2), gap udara 2 (TG2), plat absorber (TPA).
Gambar 2.15Kehilangan Panas pada Bagian Atas
Nilaiqa sebanding denganperkaliankoefisien kehilangan energi panas dari
bagian atas (Ua)dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan selisih temperatur
plat absorber (TPA) dan lingkungan(TL)dansecara matematis seperti pada
persamaan.
qa = U a × Aa × (TPA-TL)............................................... 2.22
Dimana Ua dalam satuan W/m2.Kdapat dihitung dengan persamaan (2.23).
Ua =
................ 2.23
hv-K1merupakan koefisien kehilangan panas secara konveksiakibat angin
yang berhembus diatas permukaan kaca penutup 1 dapat dihitung dengan
persamaan (2.24) dan (2.25) yang diusulkan oleh McAdams [23].
hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)...................................... 2.24
hv-K1 = 6,47v0,78 (v> 5 m/s)......................................... 2.25
Dimana w adalah kecepatan angin diatas permukaan kaca penutup 1.
24
Universitas Sumatera Utara
hd-K1atauhd-K2merupakan koefisien kehilangan
energi panas karena
konduktivitas termal kaca penutup 1 atau 2 yang dapat ditentukan dengan
persamaan [28].
hd-K1 =
........................................................................ 2.26
Dimanak(W/m.K) dan t (m) adalah konduktivitas termal dan ketebalankaca
penutup.Nilai k dari kaca penutup berbahan glassadalah 1,3 W/m.K [24].
hv-K2merupakankoefisien kehilangan energi panas akibat konveksi natural
pada kaca penutup 2 dipengaruhi oleh bilangan Nusselt (NuL), konduktitas termal
udara (k) dan ketinggian (t) pada ruang kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (gap
1) dansecara umum dapat dihitung dengan persamaan[23].
.................................................................... 2.27
hv-K2 =
Bilangan NuL untuk konveksi natural pada gap kolektor plat datar
bergantung pada bilangan Rayleigh (RaL). Untuk Ra L lebih besar dari 102 dan
lebih kecil dari 108 ( 102< Ra < 108) dapat dihitung dengan persamaan (2.28) yang
diajukan oleh Niemann [23].
NuL = 1 +
........................................................ 2.28
Dimana nilai dari parameter m, K dan n seperti pada tabel 2.4 berdasarkan sudut
kemiringan kolektor ().
Tabel 2.1. Nilai parameter m, K dan n
m
n
0o
0,0700
0,32 x 104
1,333
45
o
0,0430
0,41 x 10
4
1,360
90o
0,0236
1,01 x 104
1,393
K
Bilangan Ra L merupakan perkalian bilangan Grashof (GrL) dengan
bilangan Prandtl (PrL) yang dapat ditentukan dengan persamaan[23].
Ra L = Gr L×Pr L ......................................................... 2.29
Bilangan Gr Ldihitung dengan persamaan(2.30).Dimana adalah koefisien
expansi panas volumetrik dalam satuan 1/K, g merupakan percepatan gravitasi
25
Universitas Sumatera Utara
(9,81 m/s2), t adalah tinggi ruang udara dan v adalah visikositas kinematik udara
pada gap 1[23].
Gr L =
........................................................... 2.30
Dimana koefisien expansi panas volumetrik untuk gas ideal adalahsesuai dengan
persamaan (2.31)[23].
=
=
=
................................... 2.31
Sehingga jika persamaan (2.31) disubsitusikan secara matematis ke
persamaan (2.30) menjadiseperti persamaan (2.32)[23].
................................... 2.32
Gr L =
Sedangkan bilangan Pr L diperoleh dari tabel sifat-sifat udara yang
didasarkan pada temperatur rata-rata di gap 1 atau dapat dihitung dengan
persamaan (2.33)[23].
Pr L=
=
........................................................ 2.33
Dimana a, , cp dan k berturut-turut adalah thermal diffusivity, densitas udara,
kapasitas panas spesifik dan konduktivitas thermal udara pada gap 1.
hr-PAyang merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat radiasi dari
plat absorber dapat ditentukan dengan persamaan (2.34) [23].
................... 2.34
hr-PA=
Dimana merupakan nilai konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4).
K2dan
PA
adalah emisivitas kaca penutup 2 dan plat absorber yang nilainya
bergantung dari bahan. Emisivitas kaca penutup berbahan glass bernilai 0,88 dan
plat absorber dengan pelapisan flat black paintberkisar antara 0,97-0,99
[24,25].TPAdan TK2merupakan temperatur plat absorber dan kaca penutup 2 dalam
satuan K.
26
Universitas Sumatera Utara
hv-PA juga merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat konveksi
pada permukaan plat absorber yaitu dapat dihitung menggunakan persamaan
(2.26) sampai dengan (2.33) seperti pada perhitungan hv-K2.
2.7. Tinjauan Mekanika Fluida
2.7.1.Viskositas
Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida, yaitu
ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan
sebagai perbandingan tegangan geser terhadap laju regangan geser. Untuk
distribusi kecepatan linier viskositas dinamik adalah :
[kg/m.s] .............................................. 2.35
Sedang viskositas kinematik v merupakan viskositas dinamik dibagi massa jenis
[26]
[m2/s] .................................................... 2.36
2.7.2. Bilangan Reynold
Re =
........................................................... 2.37
Bilangan Reynold merupakan hubungan antara massa jenis , viskositas dinamik
, dan kecepatan rata-rata suatu fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam
di. Bilangan ini tidak memiliki dimensi dan sering dinyatakan dalam laju aliran
massa fluida ṁ.
Dari persamaan kontinuitas, kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut :
v=
[m/s] ..................................................... 2.37
dengan mensubstitusikan v dalam persamaan diatas dapat diperoleh : [27]
Re =
.......................................................... 2.38
27
Universitas Sumatera Utara
2.7.3. Persamaan Kontinuitas
Fluida yang mengalir melalui suatu penampang akan selalu memenuhi
hukum kontinuitas, yaitu laju massa fluida yang masuk akan selalu sama dengan
laju massa fluida yang keluar. Persamaan kontinuitas dirumuskan :
= konstan ........................... 2.39
Untuk aliran tak mampu mampat,
maka persamaan kontinuitas menjadi,
[28]
[m3/s] ................................. 2.40
Gambar 2.16 Penampang saluran pipa
2.7.4. Perpindahan Kalor pada Air
Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan
temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air
tidak mengikuti pola yang biasa. Jika pada 0oC dipanaskan volumenya memuai
terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa jenis
yang paling tinggi 4oC.
Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika temperatur air laut yang
temperaturnya diatas 4oC dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan
udara yang dingin. Air berada diatas permukaan laut akan tenggelam karena
massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat.
Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan).
Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan :
28
Universitas Sumatera Utara
[kg/m2] ............................................. 2.41
dimana :
P = Tekanan (kg/m2)
= massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedalaman permukaan air laut (m)
Maka :
> >
Permukaan laut
P3
h3
Tengah laut
P2
h2
Dasar laut
P1
h1
; P 1>P 2>P 3 dan h3>h2>h1
Dari keterangan diatas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu
berada pada bagian permukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih
kecil dari pada massa jenis air dingin, denga sendirinya air panas akan berada
pada permukaan. [29]
2.8. Desalinasi Air Laut
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih
melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang
sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu: perebusan, penyaringan,
desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan
kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa
padatanpadatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya
untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan
bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan
cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman,
bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil, Proses desalinasi secara umum
biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam
dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).
Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air
laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan
29
Universitas Sumatera Utara
dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut
adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan
adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada
penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah
memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat
berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan
teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor
surya plat datar dan atau panas yang dibuang. Keunikan dari sistem ini adalah
cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi
vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang
evaporator agar pemanasan dapat berlangsung dengan suplai panas yang rendah.
Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan
pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10
meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah
akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk
ruang vakum diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum adalah
evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa tube-in-Tube. Evaporator
berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari
kolektor surya plat datar yang pada penelitian ini akan digantikan oleh pemanas
listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor
berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di
evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat
ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube
heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih panas), dimana air laut
yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui
pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air
laut dari tangki pengumpan.
Skema yang digunakan desalinasi seperti gambar 2.19 berikut ini:
30
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.17 Skema Desalinasi Sistem Vacum Natural
2.9. Energi Panas yang dikumpulkan Kolektor
Besarnya energi panas yang dikumpulkan oleh kolektor (qrad) dalam Watt
dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut,
Qrad = It x AK x
Dimana
PA
k1
x
PA........................
2.42
adalah nilai absorsivitas dari plat absorber yang bergantung dari
bahan material. Untuk bahan plat alumunium nilai absorvsivitas adalah 0,97.
k1
adalah transmisivitas kaca penutup yaitu 0,85. Sedangkan AK adalah luas dari
kolektor.
2.10. Efisiensi termal Kolektor
Efisiensi termal adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performansi
peralatan termal. Efisiensi termal dapat dirumuskan seperti pada kolektor surya
plat datar dapat dihitung dengan persamaan,
th =
................................................ 2.43
Berdasarkan definisi tersebut maka efisiensi termal pada kolektor surya plat datar
dapat dihitung dengan persamaan,
K=
∑
∑
∑
........................................ 2.44
31
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kolektor Surya Plat Datar
Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup
yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan
konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi
dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.
Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar [3]
Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca
transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap
panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima
menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga
yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang
menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat
absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan
konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi
kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal.
Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung
dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
5
Universitas Sumatera Utara
pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari
25 tahun [4].
Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:
1. Kaca penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa
gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan
pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai
sifat-sifat sebagai berikut [5]:
a. Transmisivitas tinggi ( )
b. Absorsivitas rendah ( )
c. Refleksivitas rendah ( )
d. Tahan panas
e. Ada dipasaran dan kuat
Ketebalan dan jarak kaca penutup terhadap plat absorber juga sangat
berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa
temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan
tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm [6].
Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari
kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca
penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu
kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor
dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan
kolektor dengan sebuah kaca penutup [7].
2. Plat absorber
Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang
diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi
panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang
dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan
baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus
mengacu pada pertimbangan berikut ini [5]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Absorbsivitas tinggi ( )
b. Emisifitas panas rendah ( )
c. Kapasitas panas kecil (Cp).
d. Konduktifitas besar (k)
e. Refleksi rendah ( )
f. Tahan panas dan tahan korosi
g. Kaku dan mudah dibentuk
h. Ada dipasaran
Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap
performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan.
Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan
konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm[8].
3. Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh
sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut [5]:
a. Konduktivitas termal bahan kecil
b. Mudah dibentuk dan praktis
c. Harga murah dan ada dipasaran
d. Tahan lama
2.2. Klasifikasi Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefenisikan 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 didalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada
umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [9]
7
Universitas Sumatera Utara
1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan.
2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan.
5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
2.2.1. Jenis Kolektor Surya
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam solar
thermal collector system dan juga memiliki korelasi dengan pengklaisifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
1. Flat-Plate Collector
Kolektor surya merupakan plat datar merupakan alat yang digunakan
untuk
memanaskan
fluida
kerja
yang
mengalir
kedalamnya
dengan
mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan
berupa cairan minyak, air, oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai
temperatur keluaran dibawah 95oC. Dalam aplikasinya kolektor plat datar
digunakan untuk memanaskan udara dan air.
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan
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 umunya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan
dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur dibawah 100oC. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang
berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi,
dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor plat datar memanfaatkan radiasi
matahari langsung dan terpancar. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain
digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses
8
Universitas Sumatera Utara
panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor plat datar antara
lain, transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka. [10]
Gambar 2.2 Kolektor surya plat datar [11]
2. Concentrating collector
Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi
panas temeperatur antara 100-400oC. Kolektor 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
absorbernya
jenis
ini
dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.[12]
Gambar 2.3 Konsentrator
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,
konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur
fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada
gambar diatas.
9
Universitas Sumatera Utara
3. Evacuated Tube Collector
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaan terletak
pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya
yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan
penutupnya
dikondisikan
dalam
keadaan
vakum,
sehingga
mampu
meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan
luar absorber menuju lingkungan. [13]
Gambar 2.4 Evacuated Receiver[14]
2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya
1. Sistem Langsung
Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang
dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah dari pada sistem
tidak langsung dan melakukan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke
tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti :
Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada
Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap
pembekuan
Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor
yang rusak akibat pembekuan air.
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Pemanas air sistem langsung [15]
a. Sistem pasif dengan tangki diatas kolektor
b. Sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah
pane photovolatic.
2. Sistem Tidak Langsung
Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar
panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat transfer fluid)
yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling
umum adalah air dan anti beku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan
glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak
langsung
memberikan
perlindungan
terhadap
pembekuan
dan
biasanya
memberikan perlindungan terhadap kehilangan panas.
Gambar 2.6 Pemanas air sistem aktif tidak langsung [15]
c. Sistem tidak langsung dengan penukar panas dalam tangki.
11
Universitas Sumatera Utara
d. Sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema
kontroller dan pompa didorong oleh listrik.
2.3. Posisi Matahari
Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan
miring dari radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus
diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi
surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya
berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari.
-
Sudut lintang , adalah sudut lokasi bidang dipermukaan bumi terhadap
ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positif. Nilai
untuk sudut lintang : - 90 ≤ ɸ ≤ 90.
-
Sudut kemiringan β, adalah sudut antara permukaan bidang yang
dimaksud terhadap horizontal : 0 ≤ β ≤ 180o.
-
Sudut deklinasi matahari , merupakan sudut kemiringan bumi terhadap
matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,
45o≤
≤23, 45o.
Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :
................................ 2.1
Dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali
dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.
Gambar 2.7 Deklinasi Matahari
12
Universitas Sumatera Utara
-
Sudut jam matahari
, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur
barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar
pergeseran sudut tersebut 15o tiap jam.
-
Sudut ketinggian matahari
, adalah sudut antara radiasi langsung dari
matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan :
[16]
sin
-
Sudut zenith
= cos cos cos + sin ɸ sin
.............. 2.2
, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan
garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :
-
cos
= sin
cos
=
............. 2.3
Sudut azimut (
...................................... 2.4
Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari [17]
2.4.
Perpindahan panas
2.4.1. Konduksi
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke
daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara,
namun benda perantaranya tidak ikut berpindah. Proses konduksi terjadi karena
elektron-elektron bebas atau foton (paket gelombang akustik) yang berpindah.
Jadi, tidak tampak perpindahannya secara makroskopik. Jika atom atau molekul
13
Universitas Sumatera Utara
suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebih tinggi dari pada molekul di tempat lain,
maka atom atau molekul tersebut akan bergerak dengan energi lebih besar dari
pada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapat dipindahkan kepada
molekul-molekul atau atom lainnya.
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum
Fourrier. [19]
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier
............................................... 2.10
dimana :
= Laju perpindahan panas (Watt)
k
= Konduktivitas Termal (W/m.K)
A
= Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
= Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
Nilai angka konduktifitas termal menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir
dalam bahan tertentu.
Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor
14
Universitas Sumatera Utara
Peristiwa perpindahan konduksi pada kolektor surya terjadi pada sisi-sisi
kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi panas hilang
(Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang
lebih dingin (temperatur lingkungan).
2.4.2. Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massa
medianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya
perbedaan kecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat
pada perbedaan berat jenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi
akan mempunyai berat jenis yang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida
sejenisnya yang bersuuhu lebih rendah. Karena itu, maka fluida yang bersuhu
tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilah yang berakibat pada
terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir diatas suatu
permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara
konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara
disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan
oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural
Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh
bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent.
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar[20]
Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut :
..............................................................2.11
dimana :
Re
= bilangan Reynold
V
= kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)
L
= panjang kolektor (m)
= massa jenis (kg/m3)
= viskositas dinamik (kg/m.s)
Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut :
Re ≤ 5x105
untuk aliran Laminar
Re ≥ 5x105
untuk aliran Turbulen
Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
..............................................2.12
dimana :
h = koefisien konveksi (W/m2.K)
A = luas permukaan kolektor surya (m2)
Ts = temperatur dinding (K)
= temperatur udara lingkungan (K)
Qh = laju perpindahan panas (Watt)
Kolerasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan
panas konveksi (hc) yaitu :
16
Universitas Sumatera Utara
....................................................2.13
.............................................2.14
...........................................................2.15
dimana :
GrL
= Bilangan Grashoff
= Massa Jenis (kg/m3)
G
= Gravitasi (m/s2)
= Koefisien udara pada temperatur film (1/K)
L
= Panjang Kolektor (m)
= Viskositas (N.s/m2)
RaL
= Bilangan Rayleigh
Pr
= Bilangan Prandt
Nux
= Bilangan Nusselt
l
= Lebar Kolektor (m)
hc
= Koefisien konveksi (W/m2.K)
k
= Konduktivitas termal (W/m.K)
Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan
bilangan Gr L yang telah didefenisikan pada persamaan :
............................................. 2.16
Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut :
1. Bidang vertikal
Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua
kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida
sehingga mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari
temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan
mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda.
Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang
bidang L dan dinyatakan dengan RaL untuk kasus ini ada beberapa alternatif yang
17
Universitas Sumatera Utara
dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada Mc
Adams (1945), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu :
Nu = 0,5 RaL0,25 untuk 104
Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109
RaL
RaL
109............................................. 2.17
1013............................................. 2.18
2. Bidang miring
Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan 900.
Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut kemiringannya
kurang dari 900. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua
persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus
diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah plat yang panas dimiringkan dengan
sudut kemiringan < 900 terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.15
Gambar 2.13 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pada Bidang Miring
2.4.3. Radiasi
Radiasi
adalah
proses
perpindahan
panas
melalui
gelombang
elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada
jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Disamping
itu jumlah energi yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi
dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut
....................................... 2.19
dimana :
Qr
= laju perpindahan panas radiasi (W)
= emisivitas panas permukaan (0
≤1)
= konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2K4)
A
= luas permukaan (m2)
Banyaknya kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu melalui proses radiasi
dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmann sebagai :
..................................................... 2.20
Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai
permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap
air di atmosfer.
Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar
debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan
mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsnug menimpa permukaan
bumi karena :
a. Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang
b. Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer,
sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit dari pada sudut timpanya
miring terhadap normal.
19
Universitas Sumatera Utara
Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut
memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi
yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu :
a. Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi)
b. Emisivitas (permukaan yang terradiasi)
c. Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi
d. Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan
yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber
radiasi). [21]
Gelombang elektormagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai
suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan
sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium
atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas
gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan
tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus
permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang
bertingkah laku seperti benda hitam.
Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh
padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua
panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa
mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan
dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini
disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda
yang bertingkah laku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan
tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.
Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam
umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat
seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan
memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu disebut sebagai
penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak
20
Universitas Sumatera Utara
memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah
permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat :
a. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa
melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse).
b. Pada semua temepratur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada
permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak dari pada benda
hitam.
c. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi
dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah
datangnya sinar. [21]
Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkah laku seperti benda hitam :
1. Emisivitas
Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu
dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temepratur yang sama.
Emisivitas
merupakan
ukuran
kemampuan
suatu
benda
untuk
meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki
emisivitas sama dengan satu (
tetapi objek sesungguhnya memiliki
emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda
tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda,
maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah
satuan yang tidak berdimensi. Emisivitas bergantung pada faktor
diantaranya temperatur, sudut emisi, dan panjang gelombang radiasi.
2. Absorbsivitas (Penyerapan)
Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan
transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal
ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah
proses pada saat suatu permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang
dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan
ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena
panas tersebut.
21
Universitas Sumatera Utara
3. Transmisivitas
Transmisivitas
adalah
fraksi
dari
jumlah
energi
radiasi
yang
ditransmisikan berjumlah total energi radiasi yang diterima suatu
permukaan. Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap
oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh
karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi-tingginya
dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas
memancarkan radiasi termal dalam daerah batas yang masih praktis. Plat
penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah
panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat
dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan
khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam
daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas
yang rendah ( rendah) dalam daerah inframerah [22]
2.5.
Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat
penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk
memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan
oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih
diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (zatnya boleh sama) yang
berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau
permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak
langsung (fluidanya bercampur).
Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida
(panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju
perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti
kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling
dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas
spesifik), beda temperatur antara kedua fluida, dan sifat permukaan bidang
perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida.
22
Universitas Sumatera Utara
2.5.1. Jenis Penukar Kalor
Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang
tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah
terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas
yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi.
Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat
dibedakan menjadi dua golongan, yaitu :
a. Tipe kontak langsung, dimana antara dua zat yang diperlukan energinya
dicampur atau dikontakkan secara langsung.
b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang
dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan
seperti dinding pipa, plat, dan lain sebagainya antara kedua zat tidak
tercampur.
Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali
laluan dengan multi atau banyak laluan.
Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari
fluida, yaitu :
a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan
arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa
temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih
tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat
meninggalkan penukar kalor.
b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida
didalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang
satu dan keluar dari sisi yang lain.
c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling
bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana
aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling
bersilangan.
23
Universitas Sumatera Utara
2.6. Kehilangan Panas pada Bagian Atas
Kehilangan energi panas tersebut terjadi dari bagian atas (qa),bawah (qb)
dan samping (qs).Indikator perubahan panas ditunjukkan dari perubahan
temperatur lingkungan (TL), kaca penutup 1 (TK1), gap udara 1 (TG1),kaca penutup
2 (TK2), gap udara 2 (TG2), plat absorber (TPA).
Gambar 2.15Kehilangan Panas pada Bagian Atas
Nilaiqa sebanding denganperkaliankoefisien kehilangan energi panas dari
bagian atas (Ua)dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan selisih temperatur
plat absorber (TPA) dan lingkungan(TL)dansecara matematis seperti pada
persamaan.
qa = U a × Aa × (TPA-TL)............................................... 2.22
Dimana Ua dalam satuan W/m2.Kdapat dihitung dengan persamaan (2.23).
Ua =
................ 2.23
hv-K1merupakan koefisien kehilangan panas secara konveksiakibat angin
yang berhembus diatas permukaan kaca penutup 1 dapat dihitung dengan
persamaan (2.24) dan (2.25) yang diusulkan oleh McAdams [23].
hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)...................................... 2.24
hv-K1 = 6,47v0,78 (v> 5 m/s)......................................... 2.25
Dimana w adalah kecepatan angin diatas permukaan kaca penutup 1.
24
Universitas Sumatera Utara
hd-K1atauhd-K2merupakan koefisien kehilangan
energi panas karena
konduktivitas termal kaca penutup 1 atau 2 yang dapat ditentukan dengan
persamaan [28].
hd-K1 =
........................................................................ 2.26
Dimanak(W/m.K) dan t (m) adalah konduktivitas termal dan ketebalankaca
penutup.Nilai k dari kaca penutup berbahan glassadalah 1,3 W/m.K [24].
hv-K2merupakankoefisien kehilangan energi panas akibat konveksi natural
pada kaca penutup 2 dipengaruhi oleh bilangan Nusselt (NuL), konduktitas termal
udara (k) dan ketinggian (t) pada ruang kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (gap
1) dansecara umum dapat dihitung dengan persamaan[23].
.................................................................... 2.27
hv-K2 =
Bilangan NuL untuk konveksi natural pada gap kolektor plat datar
bergantung pada bilangan Rayleigh (RaL). Untuk Ra L lebih besar dari 102 dan
lebih kecil dari 108 ( 102< Ra < 108) dapat dihitung dengan persamaan (2.28) yang
diajukan oleh Niemann [23].
NuL = 1 +
........................................................ 2.28
Dimana nilai dari parameter m, K dan n seperti pada tabel 2.4 berdasarkan sudut
kemiringan kolektor ().
Tabel 2.1. Nilai parameter m, K dan n
m
n
0o
0,0700
0,32 x 104
1,333
45
o
0,0430
0,41 x 10
4
1,360
90o
0,0236
1,01 x 104
1,393
K
Bilangan Ra L merupakan perkalian bilangan Grashof (GrL) dengan
bilangan Prandtl (PrL) yang dapat ditentukan dengan persamaan[23].
Ra L = Gr L×Pr L ......................................................... 2.29
Bilangan Gr Ldihitung dengan persamaan(2.30).Dimana adalah koefisien
expansi panas volumetrik dalam satuan 1/K, g merupakan percepatan gravitasi
25
Universitas Sumatera Utara
(9,81 m/s2), t adalah tinggi ruang udara dan v adalah visikositas kinematik udara
pada gap 1[23].
Gr L =
........................................................... 2.30
Dimana koefisien expansi panas volumetrik untuk gas ideal adalahsesuai dengan
persamaan (2.31)[23].
=
=
=
................................... 2.31
Sehingga jika persamaan (2.31) disubsitusikan secara matematis ke
persamaan (2.30) menjadiseperti persamaan (2.32)[23].
................................... 2.32
Gr L =
Sedangkan bilangan Pr L diperoleh dari tabel sifat-sifat udara yang
didasarkan pada temperatur rata-rata di gap 1 atau dapat dihitung dengan
persamaan (2.33)[23].
Pr L=
=
........................................................ 2.33
Dimana a, , cp dan k berturut-turut adalah thermal diffusivity, densitas udara,
kapasitas panas spesifik dan konduktivitas thermal udara pada gap 1.
hr-PAyang merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat radiasi dari
plat absorber dapat ditentukan dengan persamaan (2.34) [23].
................... 2.34
hr-PA=
Dimana merupakan nilai konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4).
K2dan
PA
adalah emisivitas kaca penutup 2 dan plat absorber yang nilainya
bergantung dari bahan. Emisivitas kaca penutup berbahan glass bernilai 0,88 dan
plat absorber dengan pelapisan flat black paintberkisar antara 0,97-0,99
[24,25].TPAdan TK2merupakan temperatur plat absorber dan kaca penutup 2 dalam
satuan K.
26
Universitas Sumatera Utara
hv-PA juga merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat konveksi
pada permukaan plat absorber yaitu dapat dihitung menggunakan persamaan
(2.26) sampai dengan (2.33) seperti pada perhitungan hv-K2.
2.7. Tinjauan Mekanika Fluida
2.7.1.Viskositas
Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida, yaitu
ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan
sebagai perbandingan tegangan geser terhadap laju regangan geser. Untuk
distribusi kecepatan linier viskositas dinamik adalah :
[kg/m.s] .............................................. 2.35
Sedang viskositas kinematik v merupakan viskositas dinamik dibagi massa jenis
[26]
[m2/s] .................................................... 2.36
2.7.2. Bilangan Reynold
Re =
........................................................... 2.37
Bilangan Reynold merupakan hubungan antara massa jenis , viskositas dinamik
, dan kecepatan rata-rata suatu fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam
di. Bilangan ini tidak memiliki dimensi dan sering dinyatakan dalam laju aliran
massa fluida ṁ.
Dari persamaan kontinuitas, kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut :
v=
[m/s] ..................................................... 2.37
dengan mensubstitusikan v dalam persamaan diatas dapat diperoleh : [27]
Re =
.......................................................... 2.38
27
Universitas Sumatera Utara
2.7.3. Persamaan Kontinuitas
Fluida yang mengalir melalui suatu penampang akan selalu memenuhi
hukum kontinuitas, yaitu laju massa fluida yang masuk akan selalu sama dengan
laju massa fluida yang keluar. Persamaan kontinuitas dirumuskan :
= konstan ........................... 2.39
Untuk aliran tak mampu mampat,
maka persamaan kontinuitas menjadi,
[28]
[m3/s] ................................. 2.40
Gambar 2.16 Penampang saluran pipa
2.7.4. Perpindahan Kalor pada Air
Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan
temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air
tidak mengikuti pola yang biasa. Jika pada 0oC dipanaskan volumenya memuai
terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa jenis
yang paling tinggi 4oC.
Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika temperatur air laut yang
temperaturnya diatas 4oC dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan
udara yang dingin. Air berada diatas permukaan laut akan tenggelam karena
massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat.
Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan).
Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan :
28
Universitas Sumatera Utara
[kg/m2] ............................................. 2.41
dimana :
P = Tekanan (kg/m2)
= massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedalaman permukaan air laut (m)
Maka :
> >
Permukaan laut
P3
h3
Tengah laut
P2
h2
Dasar laut
P1
h1
; P 1>P 2>P 3 dan h3>h2>h1
Dari keterangan diatas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu
berada pada bagian permukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih
kecil dari pada massa jenis air dingin, denga sendirinya air panas akan berada
pada permukaan. [29]
2.8. Desalinasi Air Laut
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih
melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang
sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu: perebusan, penyaringan,
desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan
kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa
padatanpadatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya
untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan
bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan
cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman,
bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil, Proses desalinasi secara umum
biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam
dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).
Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air
laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan
29
Universitas Sumatera Utara
dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut
adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan
adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada
penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah
memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat
berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan
teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor
surya plat datar dan atau panas yang dibuang. Keunikan dari sistem ini adalah
cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi
vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang
evaporator agar pemanasan dapat berlangsung dengan suplai panas yang rendah.
Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan
pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10
meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah
akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk
ruang vakum diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum adalah
evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa tube-in-Tube. Evaporator
berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari
kolektor surya plat datar yang pada penelitian ini akan digantikan oleh pemanas
listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor
berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di
evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat
ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube
heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih panas), dimana air laut
yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui
pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air
laut dari tangki pengumpan.
Skema yang digunakan desalinasi seperti gambar 2.19 berikut ini:
30
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.17 Skema Desalinasi Sistem Vacum Natural
2.9. Energi Panas yang dikumpulkan Kolektor
Besarnya energi panas yang dikumpulkan oleh kolektor (qrad) dalam Watt
dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut,
Qrad = It x AK x
Dimana
PA
k1
x
PA........................
2.42
adalah nilai absorsivitas dari plat absorber yang bergantung dari
bahan material. Untuk bahan plat alumunium nilai absorvsivitas adalah 0,97.
k1
adalah transmisivitas kaca penutup yaitu 0,85. Sedangkan AK adalah luas dari
kolektor.
2.10. Efisiensi termal Kolektor
Efisiensi termal adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performansi
peralatan termal. Efisiensi termal dapat dirumuskan seperti pada kolektor surya
plat datar dapat dihitung dengan persamaan,
th =
................................................ 2.43
Berdasarkan definisi tersebut maka efisiensi termal pada kolektor surya plat datar
dapat dihitung dengan persamaan,
K=
∑
∑
∑
........................................ 2.44
31
Universitas Sumatera Utara