Perancangan Solar Water Heater



PERANCANGAN SOLAR WATER HEATER PLAT DATAR DENGAN PIPA ALUMUNIUM
                                                                       
Mahatir Muhammad¹*, Puji Saksono², Gunawan³
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Balikpapan,
Jalan Pupuk Raya Kelurahan Damai Balikpapan, Indonesia. Tel dan Fax: (0542)762405,
Email* : mahatir.muhammad99.mm@gmail.com



ABSTRAK

Solar water heater adalah sebuah alat yang memanfaatkan energi dari radiasi matahari yang dikonversikan menjadi sumber panas. Proses konversi energi yang terjadi pada solar water heater adalah pengubahan radiasi matahari menjadi panas air yang berpindah melalui perpindahan konveksi, output yang dihasilkan adalah air panas yang nantinya akan digunakan untuk mandi. Temperatur yang diharapkan dari solar water heater ini adalah 44oC agar air panas yang digunakan nantinya memberi manfaat kepada konsumen yang berupa efek relaxsasi dan mengeluarkan toxin yang ada didalam tubuh. Sehingga tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui cara melakukan dan menentukan perancangan serta efisiensi dari solar water heater.
Penelitian ini dilaksanakan di Universitas Balikpapam yang terletak di Jalan  Pupuk Raya, Gn. Bahagia, Balikpapan, Kalimantan Timur. dengan objek penelitiannya adalah solar water heater yang menggunakan material alumunium pada pipa kolektor. Untuk mengetahui perbandingan perubahan temperatur dan laju kalor yang terjadi pada penulisan ini maka akan digunakan variable waktu yaitu, 5 menit, 10 menit, 15 menit dan 20 menit pada proses pengambilan data. 
Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat diketahui bahwa solar water heater dapat bekerja sesuai dengan fungsinya, dimana hasil outout yang dihasilkan telah berhasil dan melewati dari target yang telah ditentukan yaitu 44oC. Berdasarkan hasil uji penelitian proses pemenasan pada solar water heater dan  hasil perhitungan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa variable waktu yang digunakan saat proses penelitian tidak terlalu berpengaruh pada hasil akhir.

Kata Kunci : Solar water heater, Proses perancangan dan Temperatur.
PENDAHULUAN
Perkembangan yang semakin maju dalam ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya ilmu pengetahuan dan teknologi tentang energi terbarukan. Ada banyak sekali sumber daya yang bisa di manfaatkan sebagai alternatif dari energi fosil yang tidak dapat di perbaharui dan ketersediannya terbatas di bumi ini. Salah satunya adalah energi surya (extra terrestrial) yang saat ini banyak digunakan dan dikembangkan untuk keperluan hidup manusia sebagai pembangkit listrik ataupun sebagai sumber pemanas air.
            Menurut Piliang, 2018. air panas yang di gunakan untuk mandi menjadi sebuah kebutuhan bagi manusia, mandi dengan air yang bersuhu sekitar 32oC sampai dengan 44oC dapat membuka pori-pori kulit sehingga membantu mengeluarkan toksin dan menghilangkan stress setelah seharian beraktifitas. Mengingat manfaat yang di dapat dari air panas untuk mandi sangat besar maka sudah seharusnya setiap rumah, rumah sakit dan hotel memerlukan fasilitas ini. Salah satu solusi untuk ketersediaan air panas adalah dengan memanfaatkan energi surya sebagai sumber panas. Prinsip konversi energi matahari yang dimanfaatkan sebagai pemanas air di kenal sebagai solar water heater atau SWH.
             Solar water heater adalah alat yang digunakan sebagai pemanas air dengan memanfaatkan radiasi matahari. Komponen utamanya adalah kolektor yang terdiri dari sambungan pipa-pipa jenis penghantar panas dengan kaca sebagai media reflector, didalam kolektor yang telah dirancang ini terjadi perpindahan panas secara radiasi, konduksi dan konveksi. Panas radiasi dari matahari dimanfaatkan sebagai sumber utama panas yang dipindahkan menjadi panas air yang nantinya akan dikonsumsi sebagai air untuk mandi, semua komponen dari solar water heater memiliki fungsi masing-masing yang sangat penting untuk menghasilkan air panas.

Gambar 1. Solar Water Heater
(Budi, 2017)
            Menurut Budi, 2017. pemasangan solar water heater akan jauh lebih efisien jika kolektor yang dipasangkan menyesuaikan cahaya matahari dan sudut kemiringan dari kolektor, dimana intensitas cahaya matahari yang diterima akan lebih maksimal. Kejadian tersebut dikarenakan suhu yang didaptkan dari radiasi cahaya matahari diterima secara langsung dan jauh lebih maksimal jika dibandingkan dengan radiasi cahaya matahari jika terhalang oleh awan atau bayangan gedung.

Gambar 2. Konsep Rencana Desain
(Mahatir, 2018)
            Konsep desain yang telah dirancang mengadopsi dari perancangan Budi, 2017. Penelitian terdahulu menjadi dasar revrensi yang akan digunakan dalam penulisan tentang perancangan solar water heater  ini. Dengan mengadopsi jenis plat kolektor yang akan digunakan dan jenis aliran pipa-pipa yang digunakan, tetapi penulis akan melakukan beberapa perbedaan pada bagian diameter pipa dengan besar 1 inchi, panjang pipa yang digunakan yaitu 6 meter dan jenis material pipanya adalah alumunium. Material alumunium pada pipa kolektor dipilih kerena memiliki daya hantar yang sangat baik dengan harga pasaran yang relatif murah jika dibandingkan dengan material jenis konduktor panas lainnya seperti tembaga dan perak


Gambar 3. Solar Water Heater
(Mahatir, 2018)

Dari rancangan yang telah dibuat didapatkan solar water heater yang akan diteliti untuk mengetahui temperatur air yang dihasilkan dan laju perpindahan kalor secara radiasi, konduksi dan konveksi yang terjadi pada saat proses pemanasan berlangsung.
Menurut Prijono, 1994. Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit dan dinyatakan dengan satuan joule, temperatur adalah besaran yang menyatakan panas dan dingin suatu benda ataupun lingkungan dan dinyatakan dengan satuan celsius atau kelvin, dimana 1 joule dianggap setara dengan 0,0005 celsius. Perpindahan kalor adalah fenomena pemindahan energi panas dengan media yaitu saling bersentuhan secara fisik atau tanpa media perantara karena energi yang dilepaskan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor dibedakan menjadi radiasi yaitu perpindahan panas tanpa media dan dirumuskan dengan:
 

q : kalor yang dihantarkan ( J/s atau watt )
e : Emisivitas suatu benda
 : Konstanta Stefan (5,6703 x 10-8 W/m-2K- 4).
A : Luas suatu benda yang menerima radiasi (m)
T : Suhu mutlak (K)
            Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor dengan media atau terjadi karena adanya setuhan fisik antara permukan benda yang memiliki perbedaan temperatur dan dirumuskan dengan:
q     : kalor yang dihantarkan ( J/s atau watt )
A    : Luas penampang ( m )
∆T  : Perbedaan suhu panas dan dingin( K )
L    : Panjang penampang  ( m )
K    : Konduktivitas termal ( W/m.K-1 )
Sedangkan perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi karena adanya sentuhan fisik antara permukaan seuatu benda dengan fluida atau gas dan dapat dirumuskan dengan:
q     : kalor yang dihantarkan ( J/s atau watt )
h     : Koefisien konveksi ( W/m-1K-1 )
A    : Luas penampang ( m )
∆T  : Perbedaan suhu antara dinding pipa dan fluida ( K )

METODE PENELITIAN
            Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data secara actual dilapangan dengan cara mengamati perubahan temperatur yang terjadi pada solar water heater. Pengambilan data akan dilakukan dengan variable waktu 5 menit, 10 menit, 15 menit dan 20 menit dan dilakukan pada lima titik yaitu, input fluida, output fluida, input pipa, output pipa dan plat kolektor, data-data diambil menggunakan alat bantu digital infrared thermometer dengan satuan celsius untuk mengetahui temperatur yang dihasilkan.

Tabel 1. Hubungan Antara Pengaruh Waktu pada Temperatur

            Dari data-data yang telah didaptkan secara actual dapat dilihat seperti pada tabel 1. Dimana temperatur output fluida yang dihasilkan setelah dipanaskan oleh solar water heater sebesar 49o C sampai dengan 53o C. Pengambilan data dilakukan selama empat hari, mulai tanggal 30 Oktober 2018 sampai dengan 02 November 2018 pada siang hari, selama proses pengambilan data terjadi tercatat bahwa data nomor 6 yang dilakukan pada tanggal 01 November 2019 jam 13:45 tercatat sebagai data tertinggi pada penelitian ini dengan fluida yang dihasilkan memiliki temperatur sebesar 53o C dan temperatur output pipa sebesar 55o C.


Gamabr 4. Output Fluida
(Mahatir, 2018)



Gambar 5. Output Pipa
(Mahatir, 2018)

            Gambar 4 adalah temperatur fluida yang telah dipanaskan dengan solar water heater dan menjadi temperatur tertinggi pada proses pengambilan data dan gambar 5 adalah temperatur output pipa tertinggi selama proses pengambilan data berlangsung. Dapat dilihat bahwa temperatur pipa sebagai bejana fluida memiliki perbedaan termperatur yang kecil dengan fluida yang dihasilkan, hal ini disebabkan karena kalor yang diserap pipa secara radiasi mengalir ke fluida secara konveksi sehingga kalor yang dipindahkan tidak terserap seluruhnya.
           

Gambar 6. Diagram Pengaruh Waktu pada Temperatur
(Mahatir, 2018)

            Pada gambar 6 terlihat bahwa perubahan temperatur yang terjadi selama empat hari, menunjukan perubahan yang tidak terlalu signifikan dimana data-data tersebut cenderung sama dan tidak mengelami banyak perubahan. Temperatur output fluida dan output pipa terlihat stabil pada temperatur 50o C sampai 55o C, sedangkan temperatur input fluida dan input pipa cenderung stabil pada temperatur 30o C samapi 35o C. Data-data tersebut menunjukan bahwa temperatur dari input menjadi output mengalami kenaikan tempertur sebesar 20o C.
            Dari hasil pengambilan data secara actual akan diamati perpindahan laju kalor yang terjadi menggunakan persamaan yang telah ditentukan untuk mengujikan data-data yang telah dikumpulkan dengan tujuan mengetahui perbandingan antara data laju perpindahn kalor yang didapatkan secara actual dengan  laju perpindahan kalor secara persamaan, dimana data nomor enam pada tabel 1 sebagai data tertinggi yang akan diujikan:
a.  Luas Penampang



b.    Perpindahan Panas Radiasi
     
c.       Perpindahan Panas Konduksi

d.      Perpindahan Panas Konveksi
           
Hasil persamaan laju kalor yang telah dilakukan akan dikonversikan kedalam satuan celsius untuk mengetahui perbedaan yang dimiliki antara data actual dan data persamaan. Hal ini dilakukan dengan harapan bahwa hasil korversi yang dilakukan dapat mengkuatkan atau mematahkan teori-teori yang telah diujikan.

a.       Perpindahan Panas Radiasi
Data actual = 55oC
= 32,16 x 0,0005
= 0,016 oC/s
= 0,960 oC/menit
= 57,60 oC/jam (data persamaan)

b.      Perpindahan Panas Konduksi
Data actual = 33oC
= 20,72 x 0,0005
= 0,0104 oC/s
= 0,624 oC/menit
= 37,44 oC/jam (data persamaan)

c.       Perpindahan Panas Konveksi
Data actual = 53oC
= 30 x 0,0005
= 0,015 oC/s
= 0,900 oC/menit
= 54 oC/jam (data persamaan)

Dari hasil konversi ini dapat dilihat besarnya perbedaan yang terjadi antara data actual dan data persamaan. Dimana perbedaan temperatur yang dimiliki perpindahan panas secara radiasi memiliki perbedaan sebesar 2,60 oC, perbedaan temperatur perpindahan panas secara konduksi memiliki perbedaan sebesar 4,44 oC dan perpbedaan temperatur perpindahan panas secara konveksi memiliki perbedaan sebesar 1 oC. Perbedaan temperatur ini terjadi karena adanya pengaruh dari faktor eksternal seperti radiasi yang dipancarkan oleh matahari terhalang awan dan tidak terserap secara maksimal, sudut matahari yang berpindah dan bayangan-bayangan gedung yang menghalangi proses pemanasan.

SIMPULAN
            Dari pengujian dan pembahan serta analisa yang dilakukan dapat diketahui bahwa solar water heater dapat bekerja dengan semestinya. Berdasarkan hasil perancangan dan persamaan tentang laju perpindahan kalor, maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Perancangan diawali dengan melakukan pembuatan gambar desain awal solar water heater menggunakan software Autocad 2010. Mesin dirakit secara langsung menggunakan alat dan bahan yang telah ditentukan menggunakan metode yang telah diadptasi.
2.   Digital infrared thermometer digunakan untuk mengetahui temperatur fluida yang dihasilkan oleh solar water heater. Temperatur yang dihasilkan sangat bergantung pada cuaca karena hanya memanfaatkan radiasi matahari sebagai sumber energi.
3.    Laju perpindahan kalor yang diterima oleh solar water heater dapat diketahui dengan melakukan persamaan. Dari hasil persamaan hubungan laju kalor dengan temperatur, memiliki perbedaan yang tidak terlalu jauh, perbedaan hasil tersebut dapat dipengaruhi oleh radiasi matahari yang terhalang awan, perubahan sudut matahari setiap jam dan bayang dari gedung tempat pengambilan data.
SARAN
            Berikut adalah beberapa saran yang dapat dilakukan untuk perancangan solar water heater plat datar dengan pipa alumunium sebagai perbaikan dan penyempurna perancangan ini, antara lain:
1.    Perancangan ini masih jauh dari sempurna, penelitian yang dilakukan masih sebatas mencari temperatur tertinggi yang dihasilkan dan banyaknya laju kalor yang diterima. Untuk meningkatkan fungsi dan penyempurnaan hasil perancangan, skripsi ini masih bisa dikembangkan lebih jauh lagi dalam hal analisa mengurangi loses kalor yang terjadi.
2.    Untuk kedepannya, perlu dilakukan pembahasan lebih detail tentang perancangan teknis dan biaya, terhadap seluruh komponen dari perancangan solar water heater plat datar dengan pipa alumunium.
3.    Beberapa bahan dapat ditingkatkan atau diganti dengan material lainnya untuk meningkatkan efisiensi dari alat, khususnya material pipa kolektor dapat diganti menggunakan jenis tembaga yang memiliki nilai konduktivitas lebih baik.

DAFTAR PUSTAKA
[1]     Anggraini, Ekadewi, Handoyo., 2001, Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar, Surabaya: Jurnal Teknik Mesin Vol.3 No.2 .
[2]     Budi, Adib, Raharjo., 2017, Rancang Bangun Solar Water Heater Jenis Plat Datar Dengan Pemograman Arduino UNO, Surakarta: ISSN 2379-725.
[3]     Cengel, Yunus., dan A.Boles, Michael., 2015, Thermodynamic Engineering Approach, McGraw-Hill 8th.
[4]     Djamas, Djusmaini., 1993, Arbsorsi Radiasi Matahari Oleh Permukaan Berwarna, Padang: 154-PT.37.H9-N22.
[5]     Farel, Jufrizal., Napitupulu., dan Himsar, Ambarita., 2014, Studi Eksperemintal Performansi     Solar Water Heater Jenis Kolektor Plat Datar Dengan Penambahan Thermal Energy Storage, Medan: Jurnal Ilmiah Cylinder Vol. 1 No. 2, October 2014: 27– 36.
[6]     Gere, James M., Timoshenko, Stephen P., 2000, Mekanika Bahan, Jakarta: Erlangga Ikhsan, Rizki., Sudjito, Soeparman., dan Mega, Nur, Sasongko, 2017, Studi Kinerja Solar Water Heater Double Plat Dengan Aliran Zig-zag Beralur Belok, Malang: Jurnal Rekayasa Mesin Vol.8, No.1 ISSN 2477-6041.
[7]     Kreith, Frank., dan Prijono, Arko., 1994, Prinsip-prinsip Perpindahan Panas, Jakarta: 13740.
[8]     Philip, Jack, Holman., 2010, Heat Transfer, New York: ISBN 978–0–07–352936–3.
[9]     Pudjanarso, Astu., dan Nursuhud, Djati., 2006, Mesin Konversi Energi, Yogyakarta:Andi Offset.

Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

Marine Surveyour

Gambar
    Marine surveyour adalah jenis pekerjaan yang masih sedikit asing di telinga masyarkat Indonesia, ketika saya pertama kali bekerja sebagai marine surveyour saya pun masih asing dengan hal tersebut. Oleh karena itu pada kesempatan ini saya akan menjelaskan sedikit apa itu marine surveyour dan tugas yang harus dikerjaan seorang marine surveyour.     Marine surveyour adalah pekerjaan yang dilandaskan oleh peraturan Menteri Perdagangan Republik Indonesia yaitu RI No. 14/M-DAG/PER/3/2006, dimana dijelaskan definisi dari kata survey yang artinya melakukan sebuah kegiatan pemeriksaan atau penelitian, pengkajian atau pengujian dan melakukan pengawasan keadaan, konidisi luar, pembungkusan, kulitas atau mutu, jumlah atau kuantitas, berat atau isi dan tenda pengenal serta pernyaratan yang telah ditetapkan, perlindungan lingkungan hidup yang meliputi mutu air, udara dan darata. Sedangkan surveyour adalah orang yang melakukan tugas-tugas survey tersebut dimana seorang surv...
Baca selengkapnya

Pompa Hidram (pompa tanpa listrik)

Gambar
Pompa hidram adalah jenis pompa air yang tidak menggunakan Bahan Bakar Minyak dan Listrik sebagai sumber pembangkitnya, tetapi sistem penggerak pompa hidram adalah memanfaatkan energi yang dihasilkan oleh air itu sendiri yaitu tekanan dinamik air yang ditimbulkan dan memungkinkan air mengalir dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi. Pompa hidram memiliki biaya operasi yang relatif lebih rendah jika dibandingkan dengan jenis pompa lainnya karena pompa hidram tidak memerlukan sistem pelumasan dan hanya memiliki dua bagian penggerak yang memperkecil kemungkinan terjadinya keausan. Pompa hidram hanya membutuhkan perawatan yang sederhana dan mampu untuk bekerja dengan efisien pada kondisi yang sesuai dengan kebutuhan pompa hidram tersebut. Prinsip kerja dari pompa hidram, Pompa hidram memanfaatkan perubahan energi kinetis pada aliran air yang mengalir secara continue dan berubah menjadi sebuah tekanan dinamik dan menimbulkan water hammer (palu air) sehingga ...
Baca selengkapnya