DESAIN KOLEKTOR PLAT DATAR ( FLAT PLATE ) UNTUK PEMANAS AIR
Post on 17-Jan-2023
0 Views
Preview:
Transcript
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
MAKALAH REKAYASA ENERGI SURYA
DESAIN KOLEKTOR PLAT DATAR ( FLAT PLATE ) UNTUK
PEMANAS AIR
Disusun Oleh : Matilda M Gati ( 28715 )
Thomas Ari Negara ( 28385 )
Ferdinan M Sinaga ( 28508 )
Yohannes Ridwan S. ( 26988 )
JURUSAN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
2006
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
1
Desain Kolektor Plat Datar (Flat Plate) untuk
Pemanas Air
Dasar Teori
Sistem pemanas air dengan kolektor plat datar terdiri dari kolektor, pompa listrik,
tangki penyimpan (storage) dan pipa-pipa.
Gambar 01 – Bentuk umum pemanas air dengan kolektor plat datar
Cara kerjanya adalah ketika pagi hari air dipompa dari sumur ke tangki penyimpan hingga
penuh. Kemudian saat matahari bersinar, pompa dibawah kolektor dihidupkan untuk
menggerakkan fluida kerja. Fluida kerja yang bersirkulasi tersebut akan mentransfer kalor
dari kolektor ke tangki penyimpan air. Setelah sore hari maka air hangat dari tangki
penyimpan dapat digunakan untuk mandi atau keperluan yang lain.
1. Neraca energi pada permukaan absorber
Radiasi surya yang mengenai absorber melalui cover1 dan cover2 akan diabsorbsi
oleh absorber plat hitam, kemudian kalor yang dihasilkan ditransfer ke fluida kerja yang
mengalir dalam pipa-pipa dibawah absorber. Pemakaian cover-cover tersebut
dimaksudkan untuk mengisolasi energi radiasi surya yang sudah mengenai absorber,
sehingga energi radiasi surya (terutama inframerah) dapat dengan maksimal ditransfer ke
fluida kerja.
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
2
Gambar 02 – Transfer kalor dari radiasi surya ke kolektor plat datar
Transfer energi radiasi surya ke absorber dapat dijelaskan dengan persamaan neraca
energi berikut
outinacc EEE &&& −= (1)
( ) ( )[ ]apLCUTCp
pp TTUAQIAdt
dTcm −+−= &ατ
pada kondisi steady state → 0=dt
dTcm p
pp , sehingga
( ) ( )[ ]apLTCU TTUIAQ −−= ατ& (2)
dimana UQ& = energi kalor yang dapat diserap fluida kerja; CA = luas bidang tangkap
absorber terhadap radiasi surya; ( )ατTI = intensitas radiasi surya yang jatuh tegak lurus
pada absorber; α = koefisien absorptivitas absorber; τ = koefisien transmisivitas cover;
LU = koefisien rugi-rugi kalor total; pT = temperatur absorber; aT = temperatur
lingkungan (ambient).
Rugi-rugi kalor dari absorber terjadi pada bagian atas, samping dan bawah absorber,
sehingga
ebtL UUUU ++= (3)
dimana tU = koefisien rugi-rugi kalor bagian atas; bU = koefisien rugi-rugi kalor bagian
samping; eU = koefisien rugi-rugi kalor bagian bawah.
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
3
1.1. Analisis rugi-rugi kalor pada bagian atas
Rugi-rugi kalor pada bagian atas terjadi secara koveksi dan radiasi, sedangkan rugi-
rugi kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover kecil sehingga perbedaan
temperatur tidak begitu signifikan.
Gambar 03 – Koefisian rugi-rugi kalor bagian atas
Nilai koefisien rugi-rugi kalor bagian atas secara teori dapat didekati dengan persamaan
berikut
++
++
+
=
++=
−−−−−
−−−
acrwindccrccccprcpc
accccpt
hhhhhh
RRRU
2,21,21,1,1,
2211
111
1
1
(4)
Dimana dengan mempergunakan persamaan empirik S.A. Klein yang telah
dimodifikasi oleh Agarwal dan Larson, maka rugirugi kalor bagian atas :
[ ] NfNN
TTTTh
fNTT
TC
NU
cpp
apap
windap
p
t
−
−++−+
++⋅+
+
+
−=
−
−
εεε
σ
12)1(05.0
))((11
22
1
33.0
(5)
dengan :
vhwind 8.37.5 += (W/m2.K)
)091.01)(0005.004.01( 2 Nhhf windwind ++−=
( )( )oC 900044.01250 −−= β
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
4
Keterangan:
v = Kecepatan angin diatas permukaan cover paling atas ( sm )
N = Jumlah penutup/cover
cε = Emisivitas cover
pε = Emisivitas plat absorber
σ = Konstanta Stefan Boltzman ( 428 ./1067.5 KmWx ⋅− )
pT = Temperatur plat absorber (K)
Ta = Temperatur lingkungan (K)
1.2 Analisis rugi-rugi kalor pada bagian bawah
Rugi-rugi kalor pada bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel
bawah (bottom of panel), sedangkan rugi-rugi konveksi dan radiasi diabaikan sebab
nilainya lebih kecil dibandingkan rugi-rugi secara konduksi.
Gambar 04 – Koefisian rugi-rugi kalor bagian bawah
Nilai koefisien rugi-rugi kalor bagian bawah didekati dengan persamaan berikut
LkUe = (6)
dimana k = konduktivitas termal insulator; L = tebal insulator.
1.3 Analisis rugi-rugi kalor pada bagian samping
Sedangkan rugi-rugi kalor pada bagian samping diabaikan sebab luasan kontak
perpindahan kalor dari absorber ke samping sangat kecil jika dibandingkan dengan luasan
absorber pada bagian atas/bawah.
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
5
Jadi secara total, koefisien rugi-rugi kalor pada absorber dirumuskan
Lk
RRRTT
Uaccccp
apmL +
++
−=
−−− 2211
(7)
2. Neraca energi fluida kerja pada kolektor
Gambar 05 – (a). Cuplikan arah x dan y; (c) Distribusi temperatur arah x; (d)
Distribusi temperatur arah y sebuah kolektor plat datar; (b). Distribusi temperatur
• Neraca energi antar pipa
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
6
Gambar 06 – Transfer kalor arah x
( ) 0|| =+−−∆−∆ ∆+ xxxaxL dxdTk
dxdTkTTxUxS δδ
Bagi persamaan diatas dengan x∆ dan limitkan 0→∆x , sehingga dihasilkan
persamaan diferensial berikut
−−=
Lax
Lx
USTT
kU
dxTd
δ2
2
(8)
solusi pers (7) menghasilkan persamaan distribusi temperatur arah x melalui sirip-
sirip dan dirumuskan sbb
( )
−
=
−−
−−
2cosh
coshDWm
mx
USTT
USTT
Lab
Lax
(9)
dimana δk
Um L= ; W = jarak antar pipa; D = diameter luar pipa; δ = tebal sirip; k =
konduktivitas termal sirip; UL = koefisien rugi-rugi kalor total; Tb = temperatur pada
dasar sirip; S = ( )ατTI = intensitas radiasi surya yang jatuh tegak lurus pada absorber.
Besarnya fluks kalor antar pipa melalui sirip-sirip penghubung pipa dirumuskan
( ) ( )[ ]abLfin TTUSFDWq −−⋅−=' (10)
dimana F adalah efisiensi sirip, yaitu perbandingan panas yang dipindahkan ke dalam
sirip dibagi dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip itu ada pada
temperatur dasar (Tb). F dirumuskan
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
7
2
2tanh
DWm
DWmF
−
−
= (11)
Sedangkan fluks kalor yang diterima fluida kerja dalam pipa dirumuskan
( )[ ]afLu TTUSFWq −−⋅= '' (12)
dimana 'F adalah faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa, yang
dirumuskan
( )[ ]
++
⋅−+
=
fiibL
L
hDCFDWDUW
UF
π111
1' (13)
Di = diameter dalam pipa; Tf = temperatur fluida kerja; γ
DkC bb
⋅= = konduktansi
perekat (bond conductance); bk = konduktivitas termal perekat; γ = tebal perekat; fih
= koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja.
Penentuan nilai fih dilakukan dengan prosedur berikut
a) Tentukan bilangan Reynold
µπµρ
⋅⋅=
⋅⋅=
i
i
DmDV &4Re (14)
dimana 2
4
iDmV⋅⋅
=πρ&
Keterangan:
V = kecepatan rata-rata fluida kerja dalam pipa (m/s)
ρ = massa jenis fluida kerja (kg/m3)
m& = laju aliran massa (kg/s)
µ = viskositas fluida kerja (Pa.s)
b) Tentukan bilangan Prandtl
kc p µ⋅
=Pr (15)
Keterangan:
pc = kalor jenis fluida (kJ/(kg.oC))
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
8
k = koefisien konduksi fluida kerja (W/(m.oC))
c) Tentukan bilangan Nusselt rata-rata
Cari nilai C
i
LD
PrRe⋅ , kemudian dari grafik berikut dapat ditentukan nilai bilangan
Nusselt (Nu), LC adalah panjang pipa dalam kolektor.
d) Koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja
ifi D
kNuh = (16)
• Neraca energi arah y
Gambar 07 – Transfer kalor arah y
0|| ' =∆⋅+⋅−⋅ ∆+ yqTcmTcm uyyfpyfp &&
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
9
Bagi persamaan diatas dengan y∆ dan limitkan 0→∆y , sehingga dihasilkan
persamaan diferensial berikut
( )[ ] 0'
=−−⋅⋅⋅
− afLp
f TTUScm
FWndy
dT&
(17)
Karena 'F dan LU tergantung pada dimensi/ukuran kolektor dan bahan yang digunakan
dalam kolektor maka dapat diasumsikan keduanya bernilai konstan untuk suatu
rancangan tertentu, sehingga solusi pers (11)
⋅−=
−−
−−
p
LC
Lafi
Lafo
cmFUA
USTTUSTT
&
'
exp (18)
dimana fiT = temperatur fluida masuk kolektor, foT = temperatur fluida keluar dari
kolektor; pc = kapasitas kalor fluida kerja; m& = jumlah massa fluida kerja yang dapat
ditransfer tiap detik
skg . Dengan menggunakan pers (18) kita dapat menentukan
temperatur fluida kerja yang keluar dari kolektor.
Dengan mengetahui besarnya faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa ( 'F ),
kita dapat menentukan besarnya faktor pelepasan kalor ( RF ) dari kolektor. Faktor
pelepasan kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang dapat
dikumpulkan terhadap energi yang mungkin dikumpulkan, apabila temperatur fluida
sepanjang pipa adalah sama dengan temperatur masuk (lebih dingin), fiT .
( )( ) ( )afiLT
fifopC
R TTUI
TTcAm
F−−
−⋅
=ατ
&
(19)
atau
( )( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
( )
−−
−−
−⋅
=
−−−
−−−
−−⋅
=
−−
−⋅
=
L
Tafi
L
Tafo
L
pC
L
Tafi
L
Tafi
L
Tafo
L
pC
afiL
T
fifo
L
pC
R
UITT
UITT
U
cAm
UITT
UITT
UITT
U
cAm
TTU
ITT
U
cAm
F
ατ
ατ
ατ
ατατ
ατ
1
&
&&
Dengan mensubstitusikan pers (18), diperoleh
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
10
⋅−−
⋅
=p
LC
L
pC
R cmFUA
U
cAm
F&
&'
exp1 (20)
3. Neraca energi pada tangki penyimpan air (storage)
Gambar 08 – Skematik pemanas air dengan kolektor plat datar
Untuk kebutuhan praktis maka diasumsikan tidak ada pressure drop dalam aliran fluida
kerja, fluida kerja bersifat incompressible ( mmm &&& == 21 ), dan kapasitas kalor fluida kerja
relatif konstan.
( ) ( )
( ) ( )[ ] ( )aSSSapLTCS
pSS
aSSSfifopS
pSS
TTUATTUIFAdt
dTcm
TTUATTcmdt
dTcm
−−−−⋅=⋅
−−−⋅=⋅
ατ'
&
(21)
dimana Sm = massa air yang tertampung dalam storage; pSc = kapasitas kalor air; ST =
temperatur air dalam storage; SA = luas permukaan storage; SU = koefisien transfer kalor
total storage; 'F = faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa. Dengan
memakai pers (21) kita dapat menganalisis karakteristik dinamik dari perubahan ST ,
sehingga dapat diketahui berapa lama waktu yang diperlukan untuk membuat air dalam
storage memiliki temperatur ST .
Pembahasan
Asumsi : v = 4 m/s
cε = 0.88 (kaca)
pε = 0.15 (tembaga)
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
11
σ = Konstanta Stefan Boltzman ( 428 ./1067.5 KmWx ⋅− )
aT = KCo 5.3055.32 =
pT = KCo 95.3478.74 =
isok = 0.043 watt/(m2.K ) (isolator berupa gabus butiran halus)
L = 5 cm = 0.05 m (tebal isolator)
Perhitungan mencari LU :
[ ] Lk
NfNN
TTTTh
fNTT
TC
NU iso
cpp
apap
windap
p
L +−
−++−+
+++
+
+
−=
−
−
εεε
σ
12)1(05.0
))((11
22
1
33.0
Dengan menggunakan program yang ditulis dalam M–file Matlab : v=4; %kecepatan angin N=2; %jumlah cover Ac=3; %luas bidang tangkap kolektor terhadap radiasi surya beta=10; %kemiringan kolektor Ec=0.88; %emisivitas kaca Ep=0.10; %emisivitas plat absorber Tp=74.8+273; %temperatur plat absorber Ta=32.5+273; %temperatur lingkungan tho=5.67e-8; %konstanta stefan boltzman kiso=0.043; %konduktivitas termal isolator Liso=0.05; %tebal isolator ho=5.7+3.8*v; f=(1-0.04*ho+0.0005*ho^2)*(1+0.091*N); C=250*(1-0.0044*(beta-90)); Ut=(((N/((C/Tp)*((Tp-Ta)/(N+f))^0.33))+(1/ho))^(-1))+(tho*(Tp+Ta)*(Tp^2+Ta^2))/(((Ep+0.05*N*(1-Ep))^(-1))+((2*N+f-1)/Ec)-(N)) Ue=kiso/Liso UL=Ut+Ue Dengan hasil keluaran UL = 3.1385 Watt / m2. K
Perhitungan perubahan dinamik temperatur air dalam storage ST :
( ) ( )[ ] ( )aSSSapLTCS
pSS TTUATTUIFAdt
dTcm −−−−⋅=⋅ ατ'
Dengan melihat kebutuhan suatu kebutuhan rumah tangga, diasumsikan :
Sm = 400 kg
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
12
pSc = 4.184 kJ/kg.K
CP = 2.5 m (panjang absorber)
CL = 1.2 m (lebar absorber)
CA = 3 m2 (luas permukaan absorber)
'F = 0.8 (efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa rata-rata)
IT =
12sin500 tπ Watt/m2 =
12sin1800 tπ kJ/m2
UL = 3.1385 Watt/m2.K
SA = 7.85 m2
Dimana bentuk program dengan menggunakan M–file : t=linspace(0,12); %rentang waktu untuk jam matahari S=500*0.8*sin(3.14*t/12); figure plot(t,S) grid on title('Grafik Intensitas rata-rata harian dari jam 6 pagi sampai 6 sore') xlabel('waktu matahari (jam)') ylabel('intensitas matahari (Watt/m^2)') Qu=Ac*(1800*0.8*sin(3.14*t/12)-UL*(Tp-Ta)); figure plot(t,Qu) grid on title('Grafik Kalor yang berguna rata-rata harian dari jam 6 pagi sampai 6 sore') xlabel('waktu matahari (jam)') ylabel('Fluks kalor yang berguna (Watt)') %ms=500 massa air dalam storage %cps=4184 kapasitas kalor jenis air %Ac=3 luas permukaan bidang tangkap kolektor %S=500*0.8*sin(pi*t/12) radiasi surya efektif yang diterima kolektor %As=7.85 luas permukaan storage %Us=0.47 koefisien rugi-rugi kalor total storage %Persamaan diferensial pada storage dapat ditulis sbb %ms*cps*DTs=Qu-As*Us*(Ts-Ta) %ms*cps*DTs=Ac*(S-UL*(Tp-Ta))-As*Us*(Ts-Ta) Ts=dsolve('400*4.184*DTs=3*0.8*(1800*0.8*sin(pi*t/12)-3.1385*((74.8+273)-(32.5+273)))-7.85*0.47*(Ts-(32.5+273)),Ts(0)=25+273')-273; pretty(Ts) figure ezplot(Ts,[0 12]) grid on title('Grafik distribusi temperatur air dalam storage terhadap jam matahari') xlabel('waktu matahari (jam)') ylabel('temperatur air di storage (Celsius)')
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
13
Tampilan grafiknya adalah :
0 2 4 6 8 10 120
50
100
150
200
250
300
350
400Grafik Intensitas rata-rata harian dari jam 6 pagi sampai 6 sore
waktu matahari (jam)
inte
nsita
s m
atah
ari (
Wat
t/m2 )
0 2 4 6 8 10 12-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000Grafik Kalor yang berguna rata-rata harian dari jam 6 pagi sampai 6 sore
waktu matahari (jam)
Fluk
s ka
lor y
ang
berg
una
(Wat
t)
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
14
0 2 4 6 8 10 12
24
26
28
30
32
34
36
38
40
waktu matahari (jam)
Grafik distribusi temperatur air dalam storage terhadap jam matahari
tem
pera
tur a
ir di
sto
rage
(Cel
sius
)
Gambar 09 – Temperatur air di storage saat memakai kolektor berukuran 3 m2
0 2 4 6 8 10 12
25
30
35
40
45
50
55
60
waktu matahari (jam)
Grafik distribusi temperatur air dalam storage terhadap jam matahari
tem
pera
tur a
ir di
sto
rage
(Cel
sius
)
Gambar 10 – Temperatur air di storage saat memakai kolektor berukuran 7.5 m2
Matilda, Yohannes, Ferdinan, Thomas Fistek UGM 03
15
Kesimpulan.
Dapat dilihat bahwa TS (temperatur air dalam storage) puncak berkisar pada suhu 38.3
˚C ketika memakai kolektor berukuran 3 m2. Akan tetapi ketika kita memakai kolektor yang
berukuran 7.5 m2 maka TS dapat mencapai 58 ˚C. Hal ini karena dengan memakai kolektor
yang berukuran lebih besar maka energi surya yang dapat ditangkap kolektor plat datar
semakin besar, sehingga dapat menaikkan temperatur air dalam storage semakin tinggi.
Referensi.
Arismunandar,Wiranto,Prof. Teknologi Rekayasa Surya. Jakarta: PT Pradnya Paramita. 1995
Klein. Flat Plate Solar Collector Performance
Hanselman, Duane & Littlefield, Bruce. Matlab Bahasa Komputasi Teknis. Yogyakarta:
Penerbit Andi Yogyakarta. 2002
Kristanto,P. et al. Pengaruh Tebal Plat Dan Jarak Antar Pipa Terhadap Performansi Kolektor Surya Plat Datar : http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/
top related