W = Sudut waktu
θ = Sudut zenith matahari
IDN = Intensitas energi surya direct normal
ISC = Konstanta surya (1353 W/m2)
Hdir = Intensitas direct
pada bidang horizontal
Hdiff = Intensitas diffusi pada
bidang horizontal
It = Intensitas matahari yang menimpa kolektor
C =
Konstanta diffusi udara diatas objek (0,057 – 0,136)
B =
Konstanta akibat massa udara diatas lokasi setempat (0,135 – 0,207)
ρ = Harga refleksi rata-rata permukaan bidang terhadap
permukaan kolektor
(0,6-0,7)
ρ/po = Perbandingan tekanan udara di lokasi tertentu dengan lokasi
standar
Exp (-0,000184 x tinggi suatu tempat di atas permukaan
laut)
I0 = Intensitas normal matahari sampai ke permukaan
2.7 Dasar-Dasar Perpindahan Kalor
Definisi dari perpindahan kalor
adalah berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat
perbedaan suhu antara daerah-daerah tersebut. Ilmu perpindahan panas
mempelajari bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lain
serta laju perpindahan yang terjadi. Secara umum perpindahan kalor dapat
dikategorikan dalam tiga cara yang berbeda, yaitu :
a)
Perpindahan kalor secara konduksi
Konduksi adalah suatu proses dimana kalor
mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi menuju daerah yang bersuhu lebih
rendah di dalam satu media ( Padat, cair dan gas), atau antara media-media yang
berlainan yang bersinggungan secara langsung. Untuk menghitung laju aliran
secara konduksi dapat dijabarkan dalam suatu persamaan yang dinyatakan dengan
hukum Fourier, yaitu :
........................................... .............................Pers (2.24) lit 3 hal 2
Dimana :
qkond
: Laju perpindahan kalor dengan cara konduksi, (W)
k :
Konduktivitas thermal, (W/m.0K)
A : Luas
penampang tegak lurus pada aliran kalor, (m2)
:
Gradien temperatur dalam arah aliran panas (0K/m )
Dalam aliran kalor konduksi, perubahan energi terjadi
karena hubungan molekul secara lansung tanpa adanya perpindahan molekul-molekul
yang cukup besar. Simbol q kond
merupakanaliran panas rata-rata tebal bidang arah x positif, sehingga pada
persamaan dicantumkan tanda (-) negatif. Untuk jelasnya dapat dilihat pada
gambar dimana untuk gambar harga gradien temperatur adalah negatif dan
arah aliran panas adalah positif sesuai arah jarak (x) positif. Sedangkan untuk
gambar sebaliknya nilai gradien
temperatur adalah positif dan arah perpindahan panas berlawanan dengan arah
positifnya jarak x.
Aplikasi dari konsep ini dapat di amati pada sebuah plat
dengan distribusi temperatur didalamnya seperti terlihat pada gambar persamaan
2.22 dapat ditulis menjadi:
................................................Pers (2.25) lit 3 hal 3
........................................................Pers (2.26) lit 3 hal 4
b)
Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan kalor dengan kerja
gabungan dan kalor konduksi, menyimpan energi dan gerakan mencampur.
Perpindahan kalor secara konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan
kalor antara permukaan benda padat dan cairan atau gas.
Panas secara konveksi
menurut cara menggeraknnya dibagi dua bagian yaitu :
- Konveksi alamiah (free convection) terjadi jika gerakan mencampur berlangsung, semata-mata akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien massa jenis.
- Konveksi paksa (forced convection) terjadi jika gerakan mencampur di sebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas.
Panas secara konveksi menurut cara menggeraknnya dibagi
dua bagian yaitu :
a)
Konveksi
alamiah
Konveksi alamiah (free convection) terjadi jika gerakan mencampur
berlangsung, semata-mata akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh
gradien massa jenis. Dan dapat di hitung dengan rumus :
…………..Pers (2.27) lit 3 Hal 296
Dimanan suku –
g menunjukkan
gata bobot yang dialami unsur tersebut ,gradient atau andaian tekanan (pressure
gradient) pada arah x terjadi karena perubahan ketinggian diatas plat itu.jadi
dapat di simpulkan bahwa :
g menunjukkan
gata bobot yang dialami unsur tersebut ,gradient atau andaian tekanan (pressure
gradient) pada arah x terjadi karena perubahan ketinggian diatas plat itu.jadi
dapat di simpulkan bahwa :
………………………..Pers (2.28) Lit 3 Hal 296
Dimana :
ρ : Densitas (kg/m3)
µ : Viskositas dinamik ( Nd/m² )
-ρg : Gaya
bobot yang dialami unsur.
δ :
Ketebalan lapisan hidro dinamik
b)
Konveksi Paksa
Konveksi
paksa (forced convection) terjadi jika
gerakan mencampur di sebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti
pompa atau kipas. Konveksi paksa bias juga
terjadi apabila fluida dialirkan diatas permukaan yang panas dengan kecepatan
yang agak rendah .maka bersama dengan kecepatan aliran terdapat pila kecepatan
konveksi karena adanua gaya apung yang disebapkan oleh kurangnya densitas
fluida disekitar permukaan yang panans ,dan dapat dihitung dengan persamaan :
Gz = Re Pr
……………………Pers (2.29) Lit 3 Hal 323
……………………Pers (2.29) Lit 3 Hal 323
Dimana ;
Re = Angka renolds
Pr =
Angka prandtl
D =
Diameter
L =
Luas
c)
Konveksi paksa pada ruang tertutup
Fenomene aliran
perpindahan panas konveksi pada hal ini dimana system fluida yang sangat
kompleks yang dapat diselesaikan analitis dan numerik dimana fuida pada dua
plat yang vertical yang terptsa pada jarak δ satu sama lain jika fluida itu
diberi beda suhu ∆Tw = T1 – T2 maka terjadilah
perpidahan kalor dengan daerah aliran seperti pada gambar :
|
|
|
|
L
δ
Gambar 2.10 aliran konveksi pada ruang tertutup
Dan
dapat di hitung dengan menggunakan rumus
:
…….……...Pers (2.30) lit 3 Hal 317
Dimana
: Grδ = Angka grashol pada ketebalan
lapisan hidro dynamic
g = Percepatan
garavitasi
β = Koefisien temperature
kondktivitas thermal
d) Konveksi
bebas pada permukaan Miring
Pada
perpindahan panas konveksi permukaan miring ini untuk plat yang dipanaskan pada
berbagai sudut kemiringan, sudut yang dibuat plat tersebut sebagai sudut
kemiringan sudut akan ditandai dengan θdengan tanda positif untuk menunjukkan
bahwa permukan panas menghadap kebawah seperti terlihat pada gambar dibawah.
Permukaan panas
θ
Gambar 2.11 Sistem Koordinant untuk Plat Miring
untuk
plat miring menghadap kebawah dengan fluks kalor tetap didapatkan kolerasi
beriku untuk angka Nusselt rata-rata Nue = 0,56( Gre Pre
cosθ)1/4 dimana θ< 880;105<Gre
Pre cosθ <1011 (sumber J.P Holman hal 313) dapat di
tuliskan dalam persamaan :
…………...Pers (2.31) lit 3 Hal 313
Gambar2.12 Perpidahan Panas Konveksi
Pada umumnya, perpindahan kalor dengan cara
konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan suatu
persamaan, yaitu:
..................................... ..............................Pers (2.32) lit 3 hal 11
Dimana :
qkonv : Laju perpindahan panas dengan cara konveksi,
(W)
A
: Luas permukaan perpindahan kalor, (m2)
h
: Koefesien konveksi, (W/m2.0C))
Tf : Temperatur
fluida, (0C)
Tw : Temperatur
dinding, (0C)
c)
Perpindahan Kalor Secara Radiasi
Radiasi adalah proses dimana kalor mengalir dari benda
bersuhu tinggi menuju ke suatu benda yang bersuhu lebih rendah, bila
benda-benda itu terpisah dalam ruangan dan bahkan bila terdapat ruang hampa di
antara benda-benda tersebut. Untuk menghitung laju pancaran radiasi pada suatu
permukaan dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
..................................... ............................Pers (2.33) lit 3 hal 13
Dimana:
q
: Laju perpindahan kalor radiasi, (W)
: Emisivitas benda,
(0<<1) 
: Konstanta
Stefan-Boltzznann, 5.67 x 10-8 W/m2. 0K4)
T : Perpindahan temperatur, (0K)
A
: Luas permukaan
bidang, (m2)
Gambar 2.13 Perpindahan Panas Radiasi
2.8 Kolektor
Panas
Kolektor panas merupakan suatu alat
yang dapat menampung panas yang bertujuan untuk mencegah penurunan panas secara
drastis. berbagai jenis tipe kolektor panas yang telah banyak digunakan antara
lain kolektor plat datar, kolektor panas berbentuk tabung, kolektor plat datar
yang disusun dengan kemiringan tertentu, kolektor yang diberi kaca penutup
maupun kolektor yang berisi aliran air ( sayigh 1977 ). Menurut Kristanto (
2000 ), Kolektor tenaga surya merupakan suatu bagian yang diperlukan untuk
mengubah energi radiasi matahari kebentuk energi panas untuk berbagai keperluan
misalnya sebagai pemanas air. Kolektor tenaga surya akan menyerap energi dari
radiasi matahari dan mengkonversikan menjadi panas yang berguna untuk
memanaskan air didalam kolektor sehingga suhu air akan meningkat dan terjadi
konveksi alami berdasarkan efek termosifon karena adanya perbedaan massa jenis
fluida.
Kolektor plat datar biasanya dibuat
miring menghadap keatas pada lintasan matahari untuk menagkap secara langsung
radiasi tenaga matahari dalam jumlah yang besar. kemiringan sudut terhadap
horizontal mempengaruhi kehilangan panas dari kolektor maka pada bagian
belakang kolektor diberi insulator ( Cengel 2003 ). Berdasarkan percobaan yang
dilakukan oleh kristanto ( 2001 ) didapatkan bahwa posisi terbaik dari kolektor
yang menghasilkan efesiensi yang optimal dengan kemiringan kolektor 45°.
Menurut irwan ( 2001 ) prinsip kerja
dari sistem kolektor tenaga surya yang dibuat miring ini akan menyebabkan air
dingin yang masuk kedalam kolektor akan mendapakan tranfer kalor baik secara
konveksi maupun radiasi akibat terperangkapnya radiasi surya dalam kolektor
yang dibatasi oleh plat dan kaca bening, tembus cahaya. Karena adanya tranfer
panas tersebut maka suhu air yang berada dalam kolektor akan lebih tinggi
dibandingkan dengan suhu air ketika memasuki kolektor. Perbedaan suhu air
didalam kolektor ini akan menimbulkan adanya perbedaan massa jenis air, dimana
air yang bersuhu lebih tinggi memiliki massa jenis yang lebih kecil sehingga
memiliki kecenderungan untuk bergerak ke posisi yang lebih tinggi, demikian
pula air didalam pipa yang memiliki suhu lebih rendah memiliki massa jenis
lebih besar dan cenderung bergerak kebawah sehingga terjadi peristiwa konveksi
secara alami.
Komponen-komponen yang berpengaruh
terhadap terhadap kinerja dari kolektor panas meliputi dua faktor yaitu faktor
dalam dan faktor luar. Faktor yang berasal dari alam berupa bentuk kolektor,
jenis kaca penutup, daya serap kaca penutup terhadap panas, ketebalan kaca
penutup, insulator panas, jenis bahan penyerap panas ( Alumunium/Besi ),
konduktivitas panas dari bahan kolektor panas, proses perpindahan panas yang
terjadi ( Konduksi/ Konveksi ), penyusunan kolektor terhadap sinar matahari ( Miring/
Datar ). Faktor yang berasal dari luar terdiri atas efesiensi radiasi thermal
di atmosfer ( Radiasi Global ), suhu lingkungan dan kecepatan angin.
Perpindahan panas dari matahari
keplat kolektor berupa radiasi dan udara yang terdapat di dalam kolektor
menyebabkan perpindahan panas secara konveksi. Menurut Irawan ( 2001 ),
penangkapan dengan sistem plat datar relatif lebih besar dibandingkan dengan
memakai sistem pipa, energi matahari yang ditangkap dengan kolektor plat datar
lebih besar 8,5 % bila dibandingkan
dengan menggunakan sistem pipa. proses perpindahan panas yang terjadi pada alat
destilasi air laut dengan sumber energi tenaga surya merupakan proses
perpindahan panas yang terdiri dari konduksi, konveksi, dan radiasi. Deskripsi
perpindahan panas yang terjadi pada alat destilasi air laut dengan sumber
energi tenaga surya.
Kolektor
surya merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengumpulkan energi matahari
yang masuk dan diubah menjadi energi thermal dan meneruskan energi tersebut ke
fluida. Kolektor surya memiliki beberapa komponen yaitu : transmisi, refleksi,
dan absorbsi. Komponen transmisi dapat diperoleh dengan- menggunakan kaca,
refleksi dari elemen cermin dan absorber dari bahan aluminium atau kuningan
yang dilapisi dengan permukaan benda hitam.Komponen utama kolektor surya adalah
cover yang berfungsi sebagai penutup kolektor yang transparan, absorber untuk
menyerap energi dan mengkonversikan energi matahari menjadi energi thermal,
insulation untuk menahan panas dalam kolektor, saluran atau kanal untuk
mengalirkan fluida pembawa energi matahari. Jadi dapat disimpulkan secara
prinsip bahwa metode kerja dari kolektor surya adalah sama yaitu menyerap sinar
matahari.
2.9 Kaca
Kaca merupakan elemen yang sangat menunjang sekali dalam
pembuatan pemanas air destilasi air laut ini. Kaca penutup kolektor surya
merupakan komponen terpenting dari destilasi surya, yang berfungsi untuk
mengurangi kehilangan panas dari plat penyerap ke lingkungan dan tempat
kondensasi. Kaca dapat menyerap, memantulkan serta meneruskan radiasi sinar
matahari yang merupakan fungsi dari radiasi datang, ketebalan, dan refractive index. Yang paling penting
dalam pemilihan bahan kaca adalah refractive
index (η), dan koefisien extinction (K).
disamping itu kaca adalah sebagai salah satu elemen yang menjaga agar
kotoran-kotoran dari luar tidak dapat masuk ke dalam kolektor, dalam hal ini
kaca termasuk cover dari pemanas air
kolektor surya.
2.10 Plat Penyerap
Plat
penyerap adalah komponen yang berfungsi mengkonversikan radiasi matahari yang
diserap sebagai panas yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang
dilewati. Agar dapat dikonversikan panas sebanyak mungkin, maka plat penyerap
harus mempunyai sifat - sifat absorbsivitas yang tinggi, konduktivitas (k) yang
besar dan tahan korosi. Jenis-jenis plat penyerap yang biasa digunakan untuk
kolektor surya pada alat distilasi air laut yaitu:
- Tembaga
Tembaga merupakan penghantar panas yang baik. Tetapi
jenis plat penyerap ini harganya mahal.
- Stainless Steel
Plat stainless steel sangat bagus menangkap panas
matahari dan lebih tahan terhadap korosi. Tetapi dari segi harga, plat penyerap
jenis ini harganya mahal dan lebih sulit untuk dibentuk menjadi bagian elemen -
elemen pemanas.
- Aluminium
Jenis plat penyerap ini harganya relatif murah dan mudah
untuk dibentuk menjadi elemen-elemen pemanas. Tetapi plat penyerap ini
mempunyai kelemahan yaitu jika air yang dipanaskan mengandung kapur atau garam
tinggi maka lama kelamaan plat aluminium ini akan terkikis dan habis.
2.11 Isolasi
Isolasi berfungsi untuk mengurangi panas yang hilang dari
samping dan dari bawah secara konduksi. Besar kehilangan panas akibat konduksi
ini dipengaruhi oleh konduktivitas termal bahan, luas bidang perpindahan, beda
temperatur dan tebal isolasi yang digunakan.
Bahan isolasi yang digunakan sebaiknya memiliki konduktivitas
termal bahan yang rendah (isolator),
tebal isolasi yang cukup, mudah dibuat, tahan temperatur tinggi (>1000C)
dan tahan lama.
Isolasi
pada pembuatan dan pengujian kolektor surya untuk destilasi air laut ini sangat
memegang peranan penting karena isolasi berguna untuk menjaga panas dari
matahari agar panas tersebut tidak mengalami perubahan suhu sehingga dapat
menghasilkan air bersih.
2.12 Reservoir (Bak Penampungan)
Reservoir pada pembuatan dan pengujian kolektor surya
tipe dua permukaan kaca miring untuk destilasi air laut berguna sebagai
penyimpanan air laut yang akan disalurkan ke alat destilasi.
Sebuah alat destilasi yang berisi air ±12 liter ditutup
oleh sebuah kaca es. Air yang berada di dalam bak akan menyerap radiasi surya yang
datang, sebagian akan menguap. Sedangkan dari uap akan mengembun pada bagian
bawah permukaan kaca yang memiliki temperatur lebih rendah dibandingkan dengan
permukaan atas nya. Posisi kaca dimiringkan sedikit dengan sudut yang
bervariasi agar memungkinkan kondensat mengalir karena gaya beratnya ke dalam
saluran pengumpul. Dari saluran pengumpul, air selanjutnya disalurkan ke wadah
penampungan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar