perancangan pemanas air tenaga surya · pdf filememberikan limpahan rahmat, taufik, hidayah...
TRANSCRIPT
i
PERANCANGAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA
DENGAN PIPA BERBENTUK ‘’U’’
TUGAS AKHIR
BIDANG KONVERSI ENERGI
Diajukan kepada
Universitas Muhammadiyah Malang
Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan
Program Sarjana Teknik (S1)
Oleh :
ALFIAN FERDYANA MARTHA
09510014
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2014
ii
iii
iv
v
vi
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayah-Nya untuk laporan Tugas
Akhir dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Pipa
Berbentuk “U” ini akhirnya dapat terselesaikan.
Dalam penyusunan laporan ini penulis menyampaikan terimakasih yang
sebanyak-banyaknya kepada:
1. Kedua Orang Tua yang selama ini memberikan dukungan materi, moril, spirit
dan semangat untuk menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Ali Mokhtar, Ir. MT , selaku Pembimbing I terima kasih atas pengarahan
secara lisan maupun teori dalam menyelesaikan tugas akhir.
3. Bapak Budiono, S.Si, MT , Selaku Pembimbing II dan Wakil Jurusan Teknik
Mesin terima kasih atas pengarahan secara lisan maupun teori dalam
menyelesaikan tugas akhir.
4. Bapak Daryono, Ir. MT , selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.
5. Semua Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin yang tidak bisa saya sebut
satu per satu atas pengajaran ilmu yang diberikan.
6. Semua staff karyawan Jurusan Teknik Mesin.
7. Semua Keluarga besar saya, terima kasih atas dukungannya dan motivasinya.
8. Buat teman-teman Jurusan Teknik Mesin terima kasih atas dukungannya dan
motivasinya selama ini.
viii
9. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terimakasih banyak atas bantuan
kalian semuannya.
Penyusunan laporan ini telah diusahakan semaksimal mungkin namun masih
terdapat kekurangannya untuk itu kritik dan saran sangat penyusun harapkan. Semoga
Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat.
Malang, 05 Agustus 2014
Penulis
ix
DAFTARI ISI
COVER .............................................................................................................. i
POSTER ............................................................................................................. ii
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ................................................ iii
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR ....................................................... iv
SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT ................................................ vi
ABSTRAK ........................................................................................................ vii
KATA PENGANTAR ...................................................................................... viii
DAFTAR ISI ...................................................................................................... x
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xii
DAFTAR TABEL ............................................................................................ xii
I. PENDAHULUAN ........................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ................................................................................... 3
1.3 Tujuan Perancangan ................................................................................ 3
1.4 Manfaat ................................................................................................... 4
1.5 Batasan Masalah...................................................................................... 4
1.6 Konsep Desain ........................................................................................ 5
II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 8
2.1 Radiasi Surya ......................................................................................... 8
2.2 Radiasi Dari Permukaan Yang Bertingkah Laku Seperti Benda Hitam . 12
2.2.1 Emisi Permukaan ........................................................................... 12
2.2.2 Absorpsitivitas ............................................................................... 12
2.2.3 Transmisivitas ............................................................................... 12
2.3 Kondisi Kekasaran Dan Sudut Permukaan ............................................. 13
2.3.1 Tipe Specular ................................................................................ 13
2.3.2 Tipe Lambertian ............................................................................ 14
2.3.3 Tipe Corner Reflector ................................................................... .15
2.4 Perpindahan Panas ................................................................................. 15
2.4.1 Konduksi ....................................................................................... 15
2.4.2 Konveksi ....................................................................................... 18
2.4.3 Radiasi ........................................................................................... 19
2.5 Properti – Properti Material ................................................................... 21
2.6 Sistem Pemanas Air Tenaga Surya ........................................................ 23
2.7 Menentukan Karakteristik Dan Parameter Kolektor .............................. 25
2.7.1 Menentukan Laju Konduksi Kalor ................................................ 25
2.7.2 Menentukan Perpindahan Panas Konveksi ................................... 25
2.7.3 Menentukan Perpindahan Panas Radiasi ...................................... 26
2.8 Performansi Kolektor ............................................................................. 26
x
2.8.1 Energi Panas Yang Diserap Oleh Air ............................................ 26
2.9 Parameter Rancangan Solar Collector ................................................... 27
III. METODE PERANCANGAN ..................................................................... 30
3.1 Perhitungan Perpindahan Panas Yang Terjadi ....................................... 30
3.2 Perpindahan Panas Dan Parameter Kolektor ......................................... 31
3.3 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 33
3.4 Diagram Alir Perancangan ..................................................................... 35
IV. PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN .................................................. 36
4.1 Perhitungan Aliran Fluida di dalam Tabung Penampung ...................... 36
4.1.1 Perancangan Tabung Penampung Air ........................................... 37
4.1.2 Kecepatan Aliran Air Dalam Pipa ................................................. 38
4.1.3 Laju Aliran Massa ......................................................................... 39
4.1.4 Menentukan Jenis Aliran Air Dalam Pipa Kolektor ..................... 40
4.2 Perancangan Pipa Kolektor .................................................................... 41
4.2.1 Luas Permukaan Pipa Kolektor ..................................................... 41
4.2.2 Luas Penampang Pipa ................................................................... 42
4.2.3 Luas Permukaan Keseluruhan Pipa ............................................... 42
4.3 Perancangan Kolektor ............................................................................ 42
4.3.1 Luas Penampang Kolektor ............................................................ 42
4.4 Perhitungan Besar Energi Surya ............................................................ 44
4.4.1 Menghitung Besar Energi Yang Dihasilkan Surya ....................... 44
4.4.2 Menghitung Besar Temperatur Permukaan Kaca ......................... 46
4.4.3 Perhitungan Temperatur Dinding Bagian Dalam Kaca ................ 47
4.4.4 Perhitungan Laju Aliran Panas Konduksi Melewati Kaca ............ 49
4.4.5 Perhitungan Perpindahan Panas Konveksi Pada Ruang Kolektor . 50
4.4.6 Perhitungan Perpindahan Panas Menyeluruh ................................ 51
4.5 Perpindahan Panas Pada Pipa ................................................................. 53
4.5.1 Perhitungan Temperatur Permukaan Pipa ..................................... 53
4.5.2 Perhitungan Temperatur Dinding Pipa Bagian Dalam .................. 55
4.5.3 Perhitungan Koefisien Konveksi ................................................... 56
4.5.4 Perhitungan Laju Perpindahan Panas Menyeluruh ....................... 58
4.6 Perhitungan Waktu untuk Memanaskan Air .......................................... 60
V. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 62
5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 62
5.2 Saran ........................................................................................................ 62
VI. DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 63
VII. LAMPIRAN
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.3 : Tabel Konstanta Surya ...................................................................... 45
Tabel 4.4 : Pengaruh Radiasi Matahari Terhadap Suhu Yang Dihasilkan .......... 46
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 : Konsep pemanas air tenaga surya ................................................. 5
Gambar 2.1 : Spektrum elektromagnetik ............................................................ 10
Gambar 2.2 : Terjadinya Penyerapan Dan Transisi ............................................ 13
Gambar 2.3 : Pemantulan Tipe Specular............................................................. 14
Gambar 2.4 : Pemantulan Tipe Lambertian ........................................................ 14
Gambar 2.5 : Pemantulan Tipe Corner Reflector................................................ 15
Gambar 2.6 : Bagan Yang Menunjukkan Arah Aliran Kalor ............................. 17
Gambar 2.7 : Bagan Yang Menunjukkan Arah Aliran Kalor ............................. 17
Gambar 2.8 : Proses Konveksi ............................................................................ 18
Gambar 2.9 : Radiasi Pada Permukaan ............................................................... 20
Gambar 4.1 : Tabung Penampung Air ................................................................ 37
Gambar 4.2 : Kolektor Surya .............................................................................. 43
Gambar 4.5 : Radiasi Matahari ........................................................................... 30
Gambar 4.6 : Perpindahan Panas Konduksi Pada Kaca ...................................... 48
Gambar 4.7 : Perpindahan Kalor Menyeluruh Melalui Dinding Datar ............... 51
Gambar 4.8 : Perpindahan Panas Menyeluruh Pada Silinder Berlubang ............ 58
Gambar 4.9 : Perpindahan Panas Pada Pipa Kolektor ........................................ 54
xii
DAFTAR PUSTAKA
A.Z, Ridwan. Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas.
al, Van Koppen et. 1979. Laju Aliran Kolektor. 1979.
Alireza Hobbi, Kamran Siddiqui. 2009. Optimal Design of a Forced Circulation
Solar Water Heating System for a residential Unit in Cold Climate Using
TRNSYS, Solar Energy. 2009. 83, 700-714.
Artono, Raldi. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.
—. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.
Dalenback. 1990. Tingkat Aliran pada Kolektor Plat Datar. 1990.
Energi dan Perubahannya. Wahyono, Budi. 2011. 2011.
Ercata. 2006. Matahari sebagai sumber energi utama.
Giancoli. 2001. Fisika Jilid I. Jakarta : Erlangga, 2001.
Gilles, Ranald V. 2002. Mekanika Fluida dan Hidrolika. Jakarta : Salemba Teknik,
2002.
—. 2002. Mekanika Fluida dan Hidrolika. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.
Govind N. Kulkarni, Shireesh B. Kedare, Santanu Bandyopadhyay. 2008.
Optimization of Solar Water Heating Systems Through Water Replenishment,
Energy Conversion and Menegement. 2008.
Hasnan. 2012. pengaruh radiasi matahari terhadap suhu yang dihasilkan.
http://bloghasnan.blogspot.com/2012/05/YOUR-FAVICON-URL..
xiii
http://geo.fis.unesa.ac.id/web/index.php/en/penginderaan-jauh/74-pemantulan-
serapan-dan-transmisi.
2008. Heat Transfer Theory. s.l. : uwinipeg.ca., 2008.
Hollands, Lightstone. 1989. Value Of Flow System. 1989.
Holman, JP. 1994. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga, 1994.
—. 1995. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga, 1995.
Klein, A. H. Fanney and S. A. 1988. Thermal Performance Comparisons for Solar
Hot Water System Subjected to Various Collector and Heat Exchanger Flow
Rates, Solar Energy. 1988. 40(1), 1-11.
Klein, W. E. Buckles and S.A. 1980. Analysis of Solar Domestic Hot Water Heaters,
Solar Energy. 1980. 417-424.
Kreider, D. Yogi Goswani dan Jan F. 1999. Jenis Sistem Pemanas Air Solar. 1999.
Kreider, Frank Kreith and Jan. F. 1978. Principles of Solar Engineering. New
York : Mc Graw Hill Book, 1978.
LOF, A. M. Shariah and G.O.G. 1997. Effect of Auxiliary Heater on Annual
Performance of Thermosyphon Solar Water Simulated Under Variable
Operating Conditions, Solar Energy. 1997. 60(2), 119-126.
Marlboro, Prince George's Boulevard Upper. Domestic Hot Water System Modeling
for The Design of Energy Efficient System. s.l. : NAHB Reserch Centre, Inc. 400
Prince George's Boulevard Upper Marlboro. MD 20774-8731.
Matilda, Yohanes, Ferdinan dan Thomas. 2003. Fistek UGM 03. 2003.
pemantulan-serapan-dan-transmisi. pemantulan-serapan-dan-transmisi.
xiv
http://geo.fis.unesa.ac.id/web/index.php/en/penginderaan-jauh/74-pemantulan-
serapan-dan-transmisi.
Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas. A.Z, Ridwan. 2012. 2012,
Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas.
Ramli, Ahmad Asyraf. 2010. THEORETICAL ANALYSIS OF SOLAR WATER
HEATING SYSTEM. Malaysia : s.n., 2010.
RI, Dirjen. 1997. Data Dirjen Listrik dan Pengembangan Energi. Jakarta : Dirjen RI,
1997.
S, Donald R. P dan Leighton E. 2011. Perpidahan Kalor Edisi Kedua. 2011.
—. 2011. Perpindahan Kalor . - : -, 2011.
S, Knudsen. 2002. Consumers "Influence on the Thermal Performance of Small
SDHW System-Theoretical Investigation", Solar Energy. 2002. 73(1), 33-42.
S, Staf. D dan Campbell. 1978. Pengertian Sistem Pemanas Air (SWH). 1978.
Streeter, Victor L. 1990. Mekanika Fluida Jilid 2. Jakarta : Erlangga, 1990.
Sularso, Pradnya Paramitha. 1994 dan 1998. Pompa dan Kompressor-Fisika untuk
sains dan Teknik_Jilid I. Jakarta : Erlangga, 1994 dan 1998.
Suprianto, Herry. 2011. Perpindahan Panas. Malang : Teknik Mesin UMM, 2011.