Percobaan 4 Solar Water Heater

PERCOBAAN 4 SOLAR WATER HEATER  A. TUJUAN PERCOBAAN

Setelah melakukan praktikum, mahasiswa diharapkan dapat :  Memahami prinsip kerja pemanas air dengan menggunakan kolektor.  Mengukur parameter untuk menentukan performansi pemanas air surya dan

 performansi kolektor.  Menghitung efisiensi sistem kolektor dan penyimpanan.  Melakukan evaluasi terhadap percobaan tersebut.

B. TEORI DASAR 

Radiasi matahari merupakan suatu bentuk radiasi pemananas yang mempunyai gelombang khusus. Intensitas cahaya sangat tergantung pada kondisi atmosfir. Tidak semua energi yang digunakan dalam sistem konstanta matahari mencapai permukaan bumi, karena terjadi penyerapan oleh gas CO 2 dan uap air  yang berada pada atmosfir. Radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi  juga tergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfir. Sistem pemanas air surya mulai dikembangkan para ahli akhir-akhir ini di Indonesia. Sistem ini sangat cocok pemakaiannya di Indonesia dengan kondisi alam tropisnya. Sementara air panas semakin meningkat untuk keperrluan seharihari.

SWH = Pipa Aliran air  = Penampang kolektor  = Wika SWH System = RangkaPenyangga

Gambar 3.1 SWH Tampak Samping

a) Pemanas air dengan kolektor.

Kolektor matahari adalah sebuah alat khusus dari penukar panas yang mengubah energi matahari menjadi energi panas untuk memanaskan air.  penukaran kalor konvensional energi berpindah dari caiaran ke caiaran dengan laju perpindahan yang tinggi dengan radiasi sebagai faktor yang sangat penting. Pada kolektor matahari, proses perpindahan energi adalah dari radiasi ke cairan (air).

b) Prinsip Kerja Kolektor

Pemanas air surya ini bekerja dengan cara menyerap energi matahari yang  jatuh ke plat kolektor dasar. Energi matahari yang diserap berupa radiasi langsung maupun energi difusi yang sebagian besar diserap dan dipindahkan ke dalam air  yang berada dalam pipa pengumpul. Sehingga energi dalam air tersebut akan  bertambah. Dengan adanya kenaikan temperatur air dalam pipa, menyebabkan energi air naik ke dalam pipa pengumpul yang akan disertai dengan turunnya massa jenis air sehingga air dalam pipa pengumpul menjadi lebih ringan dan

cenderung menempati tempat yang lebih tinggi. Pola aliran inilah yang menggerakkan air ke tangki tempat penyimpanan air panas. Dengan sifat air panas yang masuk ke dalam tangki yang terdapat air dingin di dalamnya, maka air panas tadi bergerakke atas bagian tengki tersebut dan air dingin tetap di bawah  permukaan tangki tersebut.

c) Sistem Thermosipon (Sistem Pipa Air)

Sistem aliran bebas (alamiah) terjadi akibat adanya perbedaan density. Perbedaan temperatur terjadi akibat adanya perbedaan density, perbedaan temperatur di dalam massa fluida. Keistimewaan alat ini beroperasi dengan tidak  menggunakan bahan bakar sebagai tenaga. Sirkulasi fluida melalui sistem terjadi secara almiah, tanpa pertolongan dari sebuah pompa. Sepanjang kolektor itu menerima panas matahari berguna, maka alat ini  beroperasi. Letak tangki selalu pada tempat yang lebih tinggi dari sistem. Tekanan yang mengarah ke bawah tangki memindahkan air dari saluran pipa air dan menekan masuk ke dalam pipa-pipa kolektor. Pada saat yang bersamaan, kolektor  menerima radiasi matahari dan mengubahnya ke dalam bentuk panas dan mengkonduksikan ke air atau fluida yang lewat pada pipa kolektor air yang telah  panas pada bagian atas dan air dingin pada bagian bawah (dasar tangki). Rumus-rumus yang digunakan : 1. Daya input (Qin) Ein = A . G bt . t (kJ) Dimana : A = luas permukaan kolektor (m2) G bt = Intensitas radiasi matahari rata-rata (kW/m2) t = waktu (dtk) 2. Energi yang digunakan / diserap oleh sistem (Energi Output) Eout = ms . C p . (Takhir  – Tawal)

(kJ)

Dimana : ms = massa sistem (air) (kg) C p = kapasitas panas spesifik air (kJ/kg oC) Takhir  = Temperatur akhir sistem (tangki) (oC) Tawal = temperatur awal sistem (tangki) (oC)

3. Efisiensi Sistem (ηS)

 

 

 

C. ALAT DAN BAHAN 

Tangki Water Heater 



Piranometer 



Stopwatch



Kabel Penghubung

D. PROSEDUR PERCOBAAN

1. Menyiapkan peralatan yang akan digunakan 2. Membersihkan dan mengisi tangki dengan air sampai penuh 3. Memasang pyranometer untuk mengukur intensitas matahari secara cepat dan tepat. 4. Mencatat parameter-paremeter tangki yang diperlukan 

Mengukur radiasi matahari



Temperatur air keluar 



Temperatur air masuk 



Temperatur udara sekeliling



Temperatur rata-rata tangki

5. Mencatat kondisi lingkungan sekitar.

E. HASIL PERCOBAAN

Tabel 3.1 Data Hasil Percobaan Solar Water Heather. Pukul

No

Gbt

10.45 11.05

3

11.25

4

11.45

5

12.05

Tfo

o

o

T1 o

Tangki Air T2 T3 o

o

Trata-rata o

V x10

-3

3

2

( C)

( C)

( C)

( C)

( C)

( C)

m

982.5

31

50

811 904

35 36

44 44

29 29,5

29 29,5

29 29,5

29 29,5

53 53

30

30

30

30

53

864 922

36 33

43 44

30,5

30,5

30,5

30,5

53

31

31

31

31

53

(WITA) (W/m ) 1 2

Tfi

Data :

Panjang tabung kolektor (P)

= 61 cm

= 0,61 m

Lebar tabung kolektor (L)

= 65 mm

= 0,065 m

Volume tangki, (V t)

= 53 liter

= 0,053 m3

Jumlah kolektor (n)

= 11 buah

Diameter pipa kolektor (d)

= 5/8 “

= 0,0159 m

F. ANALISA HASIL PERCOBAAN

Untuk analisa data diambil data pada tabel hasil pengamatan nomor 1 dari waktu pengamatan pukul

10.45  –  12.05 dengan nilai  –  nilai parameter yang

diketahui sebagai berikut : 

Intensitas radiasi matahari, Gbt

: 811 W/m2

a) Volume tangki, Vt

: 53 ltr = 0,053 m 3

 b) Waktu pengamatan

: 11.05 Wita



Temperatur masuk kolektor (T fi)

: 35 oC



Temperatur keluar kolektor (Tfo)

: 44 oC



Temperatur akhir tangki (Takhir )

: 29,5 oC



Temperatur awal tangki (Tawal)

: 29 oC



Waktu (t)

: 1200 s

Penyelesaian : 1.

Energi Input Sistem Kolektor Surya Tubular  Ein = G bT . Aa . t Dimana : a)

Luas Apparature (Aa) Aa

= (L x P) x n = 0,065 x 0,61 x 11 = 0,43615 m 2

Sehingga : Energi input kolektor (Q in) Ein = G bT . Aa . t = 811 W/m2 . 0,43615 m 2 . 1200 s = 424.461 kJ

2.

Energi Output Sistem EoutS = ms . C p . ΔT Dimana : a)

Beda temperatur tangki (ΔT) ΔT = (T akhir  –  T awal  ) = (29,5 – 29) oC = 0,5 oC

 b)

Massa jenis air (ρair )

 

   

 

   

  29,25 oC

Berdasarkan tabel sifat air maka ρair  pada Tfs = 29,25 OC  ρair 

c)

= 995,94 kg/m 3

Panas spesifik air (Cpair ) Berdasarkan tabel air pada Tfs = 29,25 oC diperoleh Cpair  = 4,179 kJ/kg oC

d)

Massa fluida sistem (ms) Vs

= 53 ltr  = 0,053 m 3

Maka : ms

= Vs . ρair  = 0,053 m3 . 995,94 kg/m3 = 52,785 kg

Maka : EoutS

= ms . C p . ΔT = 52,785 kg . 4,179 kJ/kg oC . 0,5 oC = 110,294 kJ

3.

Energi Output Kolektor  EoutK  = mk  . C p . ΔT Dimana : a) Beda temperatur tangki (ΔT) ΔT

= (T  fo  –  T  fi ) = (44 – 35) oC = 9 oC

 b)

Massa jenis air (ρair )

 

 

       

  39,5 oC Berdasarkan tabel sifat air maka ρair  pada Tfk  = 39,5 OC ρair 

c)

= 992,44 kg/m3

Panas spesifik air (Cpair ) Berdasarkan tabel air pada Tfk  = 39,5 oC diperoleh Cpair  = 4,179 kJ/kg oC

d)

Massa fluida kolektor (mk ) 

Menghitung luas kolektor 

  

 



      



     



Menghitung Volume kolektor 

                  

Maka : mk 

= Vk  . ρair  = 0,001332 m 3 . 992,44 kg/m3 = 1,321 kg

Maka : EoutK 

= mk  . C p . ΔT = 1,321 kg . 4,179 kJ/kg oC . 9 oC = 49,696 kJ

4.

Efesiensi 

Efisiensi Kolektor (      

 

 

 

 

   



Efisiensi Sistem (      

 

 

 

 

  

Untuk data berikutnya dapat dilihat pada tabel hasil perhitungan.

G. TABEL HASIL ANALISA

Tabel 3.2. Hasil analisa data pada solar water heater (SWH) pada tangki air  Temperatur Temperatur Pukul No.

Gbt

Kolektor

Tangki

Tfi

Tfo

Tawal

Takhir

[oC]

[oC]

mk

ms

Ein

EoutK

EoutS

K

S

[Kg]

[Kg]

[kJ]

[kJ]

[kJ]

[%]

[%]

522,595

71,797

13,739

0

[ Wita ]

[W/m 2]

[oC]

[oC]

1

10.55

998,5

33

46

2

11.15

960

36

44

29

29,5

1,321

52,785

502,445

44,174

110,294

8,792

21,951

3

11.35

976

37

44

29,5

30

1,321

52,777

510,819

38,645

110,277

7,565

21,588

4

11.55

902,5

34

45

30

30,5

1,322

52,769

472,350

60,751

110,234

12,861 23,337

5

12.15

944,5

32

42

30,5

31

1,323

52,760

494,332

55,267

110,217

11,180 22,296

1,322

H. GRAFIK 

Hubungan Efesiensi Terhadap Waktu 25.000

20.000

15.000 η

[%]

ηs

10.000

ηk

5.000

0.000 10:48

11:02

11:16

11:31

11:45

12:00

12:14

12:28

Waktu [Wita]

Gambar 3.2 Grafik Hubungan Efisiensi terhadap waktu

Pada grafik di atas, menunjukkan hubungan antara efesiensi sistem dan efesiensi kolektor terhadap waktu pemanasan air. Pada grafik hubungan efesiensi sistem terhadap waktu pemanasan, dimana pada data pertama nilai efesiensi sebesar 13,79 % pada pukul 10.55 dan efesiensi cenderung mengalami penurunan hingga mencapai nilai efesiensi sebesar 11,180 % pada pukul 12.15. sedangkan  pada grafik hubungan efesiensi kolektor terhadap waktu pemanasan, memiliki nilai efesiensi sebesar 21,951 % pada pukul 11.15 dan cenderung mengalami kenaikan hingga mencapai nilai efesiensi kolektor sebesar 22,96 % pada pukul 12.15. sistem .

Serta nilai efesiensi kolektor lebih besar dibandingkan nilai efesiensi

Hubungan Energi Output Terhadap Waktu 120.000 100.000 80.000 Eout [kJ]

60.000

EoutK EoutS

40.000 20.000 0.000 10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 Waktu [Wita]

Gambar 3.3 Grafik Hubungan Energi Output terhadap waktu

Pada gambar di atas, menunjukkan hubungan antara energi output pada kolektor dan sistem dengan waktu pemanasan air. Pada grafik hubungan antara energi output terhadap waktu pemanasan, energi output kolektor cenderung mengalami penurunan meskipun waktu pemanasan semakin bertambah, dimana  pada data pertama energi output kolektor sebesar 71,797 kJ dan cenderung mengalami penurunan hingga mencapai nilai energi output sebesar 55,267 kJ. Sedangkan pada grafik hubungan antara energi output sistem dengan waktu  pemanasan, energi output sistem cenderung konstan, yakni berkisar 110,294  –  110,217 kJ. Dan energi output sistem lebih besar dibandingkan dengan energi output kolektor.

I. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengamatan dan hasil analisa data pada percobaan  pengujian solar water heater , maka dapat disimpulkan bahwa : -

Prinsip kerja dari pemanas air surya ialah energi matahari yang berupa energi

radiasi

dikonversikan

menjadi

energi

panas

dengan

menggunakan alat penukar panas dengan tujuan untuk memanaskan air yang mengalir pada alat penukar panas tersebut. -

Efesiensi sistem maksimum dihasilkan

pada pukul 11. 15 yakni

sebesar 13,76 % dan efesiensi kolektor maksimum dihasilkan pada  pukul 11.55 yakni sebesar 23,337 %. Efesiensi kolektor lebih besar  dibandingkan dengan efesiensi sistem -

Energi output yang dihasilkan oleh kolektor yakni sebesar 71, 37 kJ lebih kecil dibandingkan dengan energi output yang dihasilkan oleh sistem yakni sebesar 110, 27 kJ