...

Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu
JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 3, No. 2, Oktober 2001: 52 – 56
Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima
Suatu Kolektor Surya Plat Datar
Ekadewi Anggraini Handoyo
Dosen Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin - Universitas Kristen Petra
Abstrak
Karena panas yang diterima suatu kolektor surya plat datar berasal dari energi
elektromagnetik dari matahari, maka kaca penutup yang digunakan sangat berpengaruh
terhadap panas yang diterima. Mengingat pentingnya kaca pada kolektor surya, maka dilakukan
penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap temperatur plat yang
menyatakan besar panas yang diterima. Kaca yang digunakan untuk penelitian adalah kaca
bening dan kaca es dengan ketebalan masing-masing 3 mm dan 5mm. Dari hasil penelitian
didapat bahwa temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening 3mm
dengan jarak kaca ke plat 20 mm.
Kata kunci: kolektor surya plat datar, kaca penutup, konveksi di antara 2 plat sejajar.
Abstract
Since the heat absorbed by a flat plate solar collector is converted from electromagnetic energy of
the sun, the glass cover used affects the heat absorbed dominantly. Considering the importance of
the cover, a research is carried on to find out the affect of the spacing between cover and plate
toward the plate’s temperature which refer to the amount of heat absorbed. Covers used are clear
glass and ‘ice’ glass with thickness of 3 mm and 5 mm each. From the research, it is found out that
the plate’s highest temperature is obtained when the cover used is a 3 mm clear glass with 20 mm
spacing between cover and plate.
Keywords: flat plate solar collector, glass cover, convection between two parallel plate.
Daftar Notasi
hc
A
Ts
Tf
k
q
Koefisien perpindahan panas konveksi diatas
permukaan (W/m 2.K)
Luas permukan yang bersinggunan dengan
fluida (m2)
Temperatur permukaan (K)
Temperatur fluida (K)
Konduktivitas fluida (W/m.K)
Laju perpindahan panas (W)
1. Pendahuluan
Kebutuhan energi semakin meningkat dengan
adanya kemajuan teknologi. Sumber energi
yang banyak dipakai sampai saat ini adalah
sumber yang dapat habis yang tidak dapat
diperbaharui seperti minyak bumi, batubara
dan gas bumi. Karena kebutuhan energi
meningkat maka usaha manusia untuk
mengeksploitasi sumber energi di atas turut
meningkat. Mengingat terbatasnya persediaan
Catatan : Diskusi untuk makalah ini diterima sebelum tanggal 1
Februari 2002. Diskusi yang layak muat akan diterbitkan pada
Jurnal Teknik Mesin Volume 4 Nomor 1 April 2002.
52
sumber energi tersebut, maka mulai dicari
sumber energi lain seperti energi matahari,
energi gelombang, energi angin, energi pasang
surut, dll.
Energi matahari yang disediakan Tuhan
untuk umat manusia khususnya yang tinggal di
daerah tropis, sangatlah berlimpah. Selain
berlimpah dan tidak habis pakai, energi
matahari juga tidak menimbulkan polusi.
Namun demikian masih diperlukan peralatan
seperti solar cell (sel surya) untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik
atau solar collector (kolektor surya) untuk
menjadi energi panas.
Dalam suatu kolektor surya plat datar,
sebagian besar energi matahari ditransmisi oleh
kaca penutup ke plat yang biasanya dicat
hitam. Plat ini disinggungkan dengan pipa yang
berisi fluida yang akan dipanasi. Ada 3
konfigurasi penyusunan pipa pada plat yang
umum dipakai yaitu (1) pipa ditempelkan di
bawah plat, (2) pipa ditempelkan di atas plat,
(3) pipa ditempelkan di antara plat. Plat
kolektor yang menerima panas akan menghantarkan panas ke fluida dalam pipa.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar (Ekadewi Anggraini Handoyo)
Menurut John A. Duffie dan William A.
Beckman [1], panas yang diserap plat kolektor
dipengaruhi oleh kaca penutup. Jenis kaca
penutup yang digunakan menentukan banyaknya energi matahari yang diserap kaca, yang
ditransmisi ke udara di antara kaca-plat dan
yang direfleksi kembali ke atmosfir. Pada
penelitian ini akan dicari pengaruh jenis kaca
penutup dan jarak kaca ke plat terhadap panas
yang diterima plat dengan mengukur temperatur plat. Jarak kaca ke plat menentukan
lebar celah dan sekaligus banyaknya udara di
antara plat dan kaca penutup.
2. Alat Percobaan
Model Kolektor Surya
Dalam penelitian ini, digunakan model
seperti pada gambar 1. Model yang digunakan
ada 8 buah agar pengambilan data bisa
dilakukan bersamaan. Hal ini dilakukan
mengingat temperatur lingkungan, intensitas
matahari dan kecepatan angin sangat berfluktuasi. Agar dapat membuat perbandingan
dari parameter tertentu, maka semua parameter yang lain dijaga konstan selama
pengukuran.
panjang 160 mm. Tinggi kotak bervariasi, ada
55 mm (2 buah), 60 mm (2 buah), 65 mm (2
buah) dan 70 mm (2 buah). Bahan isolasi:
glasswool setebal 10 mm. Bahan kaca penutup:
kaca bening dengan tebal 3 mm, 5 mm dan kaca
es dengan tebal 3 mm, 5 mm. Bahan plat
kolektor: aluminium setebal 1 mm, panjang 150
mm dan lebar 150 mm.
Sensor Temperatur
Pengukuran
temperatur
plat
kolektor
menggunakan IC LM35 seperti pada gambar 2.
Keluaran sensor ini berupa tegangan (mV) yang
linear terhadap temperatur (o C) dengan faktor
skala 10 mV/ o C. Sensor ini tidak membutuhkan
kalibrasi eksternal dengan akurasi sebesar ±
¼o C pada temperatur kamar dan ± ¾o C untuk
range temperatur antara –55o C sampai + 150o C.
Sensor ini memiliki self heating yang rendah
dan beroperasi sampai dengan temperatur +
150o C.
Temperatur plat diukur dengan menempelkan badan IC LM35 pada permukaan plat.
Posisi badan sensor seperti pada gambar 2b
dimana bagian atas yang ditempelkan pada plat
kolektor.
Untuk ini diperlukan peralatan penunjang,
yaitu: multimeter untuk mengukur tegangan
keluaran, baterei 9V untuk input, kabel
penghubung dari kaki keluaran ke multimeter.
(a) Gambar skema
(b) Gambar benda
Gambar 2. Sensor temperatur LM35
Peralatan lain yang diperlukan adalah termometer air raksa untuk mengukur temperatur
sekitar dan velometer untuk mengukur kecepatan angin di lokasi penelitian.
Keterangan: 1. Kotak, 2. Isolasi, 3. Kaca, 4. Plat, 5. Sensor
Gambar 1. Gambar Model Kolektor Surya
Bahan kotak bagian bawah: triplek setebal 5
mm, panjang 150 mm dan lebar 150 mm. Bahan
kotak bagian samping: triplek setebal 5 mm,
3. Prosedur Percobaan
Percobaan dilakukan langsung di tempat
terbuka di bawah sinar matahari. Percobaan
dilakukan dengan membandingkan langsung
jenis-jenis kaca yang akan dibandingkan.
Misalnya kaca bening tebal 3 mm dibandingkan
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
53
JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 3, No. 2, Oktober 2001: 52 – 56
dengan kaca es tebal 3 mm. Model yang disediakan ada 8 kotak: kaca bening tebal 3mm dengan
jarak kaca ke plat 15mm, 20mm, 25mm, 30mm
dan kaca es tebal 3 mm dengan jarak kaca ke
plat 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm. Pemilihan
jarak ini ditentukan dengan mengacu pada
penelitian Rahardjo [3] yang menyebutkan
bahwa jarak terbaik sekitar 25 mm.
Prosedur percobaan:
1. Meletakkan 8 kotak model di lokasi yang
sama.
2. Memasang kaca dengan jarak yang telah
ditentukan.
3. Memasang rangkaian untuk mengukur temperatur.
4. Mencatat temperatur lingkungan dan kecepatan angin di tempat percobaan.
5. Mengukur temperatur plat tiap jam.
6. Mengganti kaca untuk percobaan berikutnya.
4. Teori Dasar
Energi surya yang diterima kolektor surya
sebagian diserap oleh kaca penutup, sebagian
dipantulkan kembali ke udara dan sebagian
besar diteruskan ke plat kolektor. Dengan
demikian, energi surya dikonversi menjadi
panas. Dengan menyerap panas, temperatur
kaca penutup naik, begitu pula dengan
temperatur plat kolektor. Namun, temperatur
plat kolektor lebih tinggi daripada kaca penutup
karena energi surya yang diserap plat lebih
banyak daripada yang diserap kaca penutup.
Apalagi umumnya plat kolektor dicat hitam dan
terbuat dari bahan dengan konduktivitas panas
tinggi. Karena temperatur plat lebih tinggi dari
temperatur
udara
sekitar,
maka
ada
perpindahan panas yang tidak diinginkan dari
plat ke udara sekitar. Hal ini membuat fluida
yang dialirkan dalam kolektor surya keluar
pada temperatur lebih rendah.
Panas yang hilang dari plat ke permukaan
sebelah dalam kaca penutup dalam bentuk
konveksi bebas dan radiasi. Sedang dari
permukaan luar kaca penutup panas hilang
secara konveksi ke udara sekitar.
Besar laju perpindahan panas konveksi dari
suatu permukaan secara alami atau paksa
didapat dengan hukum pendinginan Newton
dari [2]:
qc = hc A (T s - Tf)
(1)
Sedangkan koefisien perpindahan panas
konveksi tergantung pada jenis dan kecepatan
aliran fluida, bentuk geometri permukaan dan
54
sifat fisis fluida seperti konduktivitas termal,
viskositas, massa jenis. Koefisien perpindahan
panas konveksi di atas bidang datar sepanjang
x dapat dicari dari [2]:
hc =
Nu.k
x
(2)
dimana k adalah konduktivitas termal fluida.
Sedangkan Nu adalah suatu bilangan yang
didapat secara empiris yang besarnya tergantung dari bilangan Reynold dan bilangan
Prandtl untuk konveksi paksa dan tergantung
pada bilangan Rayleigh untuk konveksi bebas
(alami). Pada penelitian ini, perhatian lebih
dipusatkan kepada perpindahan panas konveksi
bebas di antara plat dengan kaca penutup. Hal
ini disebabkan perpindahan panas konveksi
memerlukan media (dalam hal ini udara)
sedangkan perpindahan panas radiasi tidak
memerlukan media. Banyaknya media penghantar panas mempengaruhi besar perpindahan
panas konveksi tetapi tidak untuk radiasi.
Menurut Frank Kreith & Jan F. Kreider [2],
konveksi bebas di antara 2 bidang datar sejajar
dengan kemiringan sudut β dari horisontal,
dalam hal ini antara plat kolektor dengan
permukaan dalam kaca penutup, telah dilakukan oleh Hollands et al dan Buchberg et al.
Hasilnya yaitu:
1,6

1708   1708 (sin1,8â ) 
 1 −
Nu L = 1 + 1.44 1 −
+
Ra L cosâ
 Ra L cosâ  

(3)
 Ra L cosâ  
 5830  − 1
 

dimana L adalah jarak celah antara dua bidang
yang bertemperatur T1 dan T2. Besar bilangan
Rayleigh adalah:
Ra L =
2g (T1 − T2 )L3
Pr
í 2 (T1 + T2 )
(4)
5. Hasil Percobaan Dan Analisa
Hasil percobaan yang dilakukan Purnawarman [4] menunjukkan bahwa temperatur plat
kolektor berfluktuasi tergantung intensitas
matahari. Saat pengukuran dilakukan cuaca
cerah dengan temperatur lingkungan berkisar
40o C – 48o C dan kecepatan angin antara 1,5
sampai 3 m/s. Berdasarkan hasil percobaan,
ternyata temperatur lingkungan dan kecepatan
angin tidak terlalu mempengaruhi temperatur
plat. Hasil pengukuran untuk keempat jenis
kaca yang digunakan dapat dilihat dari gambar
3,4,5,6.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar (Ekadewi Anggraini Handoyo)
80
70
70
65
o
Temperatur plat ( C)
o
Temperatur plat( C)
75
65
60
jarak 15mm
jarak 20mm
jarak 25mm
jarak 30mm
55
50
45
60
55
jarak 15mm
jarak 20mm
jarak 25mm
jarak 30mm
50
45
40
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
40
10.00
Waktu pengambilan data (pk.)
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
Waktu (pk.)
Gambar 3. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Bening
3 mm
Gambar 6. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Es 5 mm
Temperatur rata-rata plat untuk berbagai
jarak yang dicoba pada penelitian ini dapat
dilihat pada gambar 7. Data tersebut merupakan rata-rata dari semua data yang didapat
yaitu saat kaca penutup yang dipakai kaca
bening 3 mm dan 5 mm serta kaca es 3 mm dan
5 mm.
Gambar 4. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Bening
5 mm
Temperatur plat (
o
C)
80
75
70
pk. 10.00
pk. 11.00
pk. 12.00
pk. 13.00
pk. 14.00
pk. 15.00
65
60
55
50
45
40
15
20
25
30
Jarak kaca-plat (mm)
Gambar 7. Temperatur Rata-Rata Plat ke Empat Jenis
Kaca yang Digunakan.
75
o
Temperatur plat ( C)
70
65
60
55
jarak 15mm
jarak 20mm
jarak 25mm
jarak 30mm
50
45
40
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
Waktu pengambilan data (pk.)
Gambar 5. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Es 3 mm
Dari gambar 3 sampai gambar 7 terlihat
bahwa temperatur plat tertinggi saat jarak kaca
ke plat 20 mm. Hal ini dapat dimengerti dengan
memperhatikan bahwa temperatur plat akan
menurun jika banyak energi dalam bentuk
panas yang hilang ke lingkungan. Perpindahan
panas ke lingkungan terjadi secara konveksi
dan radiasi dari plat ke kaca sebelah dalam dan
secara konveksi dari permukaan kaca sebelah
luar ke lingkungan.
Perpindahan panas radiasi tidak dipengaruhi lebar celah atau jarak kaca ke plat.
Sedang untuk perpindahan panas konveksi,
dari persamaan (1) didapat laju panas yang
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
55
JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 3, No. 2, Oktober 2001: 52 – 56
hilang akan semakin besar jika koefisien
perpindahan panas konveksi, hc, semakin besar.
Sedang dari persamaan (2) dan (3) terlihat
bahwa hc berbanding lurus dengan bilangan
Nusselt dan bilangan Nusselt berbanding lurus
dengan bilangan Rayleigh. Berarti hc akan
bertambah jika bilangan Rayleigh bertambah.
Dari persamaan (4), bilangan Rayleigh
merupakan fungsi dari L, celah atau jarak
antara plat dengan kaca penutup. Semakin
lebar jaraknya, semakin besar bilangan
Rayleigh dan berarti semakin besar rugi panas.
Dengan demikian, semakin lebar jarak kaca
ke plat, temperatur plat semakin rendah.
Namun, dari gambar 7 ada suatu fenomena
yang menarik yaitu: pada jarak kaca ke plat
lebih rendah dari 20 mm, temperatur plat tidak
lebih tinggi dari saat jarak 20 mm melainkan
justru lebih rendah. Diduga hal ini disebabkan
karena dengan sempitnya celah, molekul udara
tidak dapat berpindah dengan leluasa. Hal ini
menyebabkan perpindahan panas dari plat ke
kaca sebelah dalam lebih mungkin terjadi
secara konduksi daripada secara konveksi.
Untuk perpindahan panas konduksi, dari [2]
laju panas berbanding terbalik dengan tebal
atau lebar media yang searah perpindahan
panas (L):
q = kA
ÄT
L
Daftar Pustaka
1. Duffie, John A. and Beckman, William A.,
Solar Engineering of Thermal Processes, New
York: John Willey and Sons, Inc., 1991.
2. Kreith, Frank and Kreider, Jan F., Principles
of Solar Engineering. New York: McGraw,
Hill Book, 1978.
3. Purnawarman, Heru, Pengaruh Jumlah dan
Jarak Kaca Terhadap Temperatur Plat Solar
Kolektor, Tugas Akhir no. 01.54.43. Jurusan
Teknik Mesin Universitas Kristen Petra,
Surabaya, 2001.
4. Tirtoatmojo, Rahardjo, Pemanas Air dengan
Memanfaatkan Energi Matahari, Surabaya:
Percetakan Universitas Kristen Petra, 1995.
(5)
Semakin kecil lebar media atau bahan,
semakin besar panas secara konduksi yang
ditransfer. Dalam hal kolektor surya yang
diteliti, maka semakin kecil jarak kaca ke plat
kolektor, kemungkinan perpindahan panas
berlangsung lebih secara konduksi dan berarti
semakin banyak panas yang hilang ke
lingkungan sehingga temperatur plat menurun.
6. Kesimpulan
Dari percobaan yang dilakukan di Surabaya
dengan kaca bening 3 mm , 5 mm dan kaca es 3
mm, 5 mm dengan beberapa jarak kaca ke plat,
didapat:
• Panas yang diserap plat atau temperatur
plat tertinggi jika jarak kaca ke plat = 20
mm.
• Temperatur lingkungan dan kecepatan angin
jika cuaca cerah tidak mempengaruhi panas
yang diserat plat.
• Jenis kaca yang paling tepat digunakan
adalah kaca bening dengan tebal 3 mm.
56
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
Fly UP