BAB II LANDASAN TEORI - sinta.unud.ac.id II.pdf · 5 Y Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada dinding datar Sumber: (incropera, DeWitt, Bergman, Lavine. 1996 Halaman 14) Persamaan

3

BAB II

LANDASAN TEORI

Prinsip kerja kolektor surya pelat penyerap adalah memindahkan radiasi

matahari ke fluida kerja. Radiasi matahari yang jatuh pada cover kaca sebagian akan

langsung dipantulkan, kemudian sebagiannya akan diserap, dan sebagiannya lagi

akan diteruskan ke pelat penyerap. Radiasi yang sampai pada pelat penyerap akan

diserap panasnya oleh pelat penyerap. Panas yang diserap oleh pelat penyerap akan

digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang berupa udara mengalir. Untuk proses

perpindahan panas dari radiasi matahari sampai pada fluida kerja terjadi melalui tiga

mekanisme perpindahan panas yaitu, konduksi, konveksi, dan radiasi. Secara

konduksi, terjadi pada udara yang diam dan pada pelat penyerap. Secara konveksi,

terjadi antara permukaan pelat penyerap dengan fluida kerja yang mengalir.

Kemudian pertukaran panas radiasi terjadi diatas penutup transparan, diantara

penutup transparan dengan pelat penyerap bagian atas, dan antara pelat penyerap

bagian bawah dengan permukaan isolasi.

2.1 Pengertian Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Dikatakan demikian

karena setiap kerja yang dilakukan membutuhkan energi. Energi merupakan bagian

dari suatu benda tetapi tidak terikat pada benda tersebut. Energi bersifat fleksible

yang artinya dapat berpindah dan berubah.

2.2 Konversi Energi

Konversi energi adalah perubahan bentuk energi dari yang satu menjadi

energi yang lain. Energi di dalam alam adalah suatu besaran yang kekal (hukum

termodinamika pertama). Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat

dimusnahkan, tetapi dapat dikonversikan/berubah dari bentuk energi yang satu ke

bentuk energi yang lain.

4

Hukum Termodinamika I

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kita hanya dapat mengubah

bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain.

Apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan untuk

melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam.

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa:

Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem

melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam

∆U = Q – W ……………………………………………………………… (2.1)

Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis dalam persamaan (2.2)

dQ=dW+dU ……………………………………………………… (2.2)

2.3 Perpindahan Panas

Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang meramalkan

perpindahan energy yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur, dimana

energy yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas (heat). Panas akan

berpindah dari medium yang bertemperatur lebih tinggi ke medium yang

temperaturnya lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung terus sampai ada

kesetimbangan temperature diantara kedua medium tersebut.

Perpindahan panas dapat terjadi melalui beberapa mekanisme, yaitu

perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan panas yang terjadi pada

suatu media atau pada media fluida yang diam akibat adanya perbedaan temperature

antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut.

Untuk kondisi perpindahan panas keadaan steady melalui dinding datar satu

dimensi seperti ditunjukan pada gambar 2.1

5

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada dinding datar

Sumber: (incropera, DeWitt, Bergman, Lavine. 1996 Halaman 14)

Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier tentang Konduksi

(Fourier Low of Heat Conduction), yang persamaan matematikanya sebagai berikut:

dx

dTkAqkond ……...................................…………….......……......... (2.3)

Tanda negatif (-) diisi agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu

bahwa panas mengalir dari media yang bertemperatur lebih tinggi menuju media

yang temperaturnya lebih rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 diatas,

bahwa kalor berpindah dari T1 ke T2 karena T2 temperaturnya lebih rendah dari T1.

Jika dilihat dari persamaan 2.3 diatas, dT adalah selisih antara T2 dan T1 sehingga

hasil yang didapat menjadi minus. Agar memperoleh hasil yang positif pada hasil

akhir perhitungan oleh karena itu ditambahkan tanda negatif (-), sehingga tanda

positif tersebut menunjukkan adanya kalor yang berpindah dari temperature tinggi

ketemperatur lebih rendah.

2.3.2 Perpindahan Panas konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu

permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir atau

bergerak atau sebaliknya akibatadanya perbedaan temperatur. Suatu fluida memiliki

temperatur, T, yang bergerak dengan kecepatan u, di atas permukaan media padat

Z

Y

X

6

(Gambar 2.2). Temperatur media padat lebih tinggi dari temperatur fluida, maka

akan terjadi perpindahan panas konveksi dari media padatke fluida yang mengalir.

Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan media padat ke fluida yang mengalir

Sumber: (Incropera dan De Witt, 3rd ed. halaman 7)

Laju perpindahan panas konveksi adalah merupakan hukum Newton tentang

pendinginan (Newton's Law of Cooling) yaitu:

TTAhq sskonv .. ……………………………...........………..........(2.4)

dimana :

= Laju perpindahan panas konveksi (W)

= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/ .K)

= Luas permukaan perpindahan panas (

= Temperatur permukaan (K)

= Temperatur fluida (K)

Menurut aliran fluidanya, perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan

menjadi:

a. Konveksi paksa (forced convection), terjadi bila aliran fluidanya

disebabkan oleh gaya luar, seperti: blower, pompa, atau kipas angin.

b. Konveksi alamiah (natural convection), terjadi bila aliran fluidanya

disebabkan oleh efek gaya apungnya (buoyancyforced effect). Pada

fluida, temperatur berbanding terbalik/berlawanan dengan massa jenis

(density). Dimana, makin tinggi temperatur fluida maka makin rendah

qkonv

7

massa jenis fluida tersebut, sebaliknya makin rendah temperatur maka

makin tinggi massa jenisnya. Fluida dengan temperatur lebih tinggi akan

menjadi lebih ringan karena massa jenisnya mengecil maka akan naik

mengapung di atas fluida yang lebih berat.

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi

Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh pancaran atau gelombang

elektromagnetik (photon), dan asalnya dari energi dalam material yang memancar.

Transportasi energi pada peristiwa radiasi tidak harus membutuhkan media, justru

radiasi akan lebih efektif dalam ruang hampa. Berbeda dengan perpindahan panas

konduksi dan konveksi yang mutlak memerlukan media perpindahan.

Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda riil (nyata),

(W), adalah :

................................................................................. (2.5)

Sedangkan untuk benda hitam sempurna (black body), dengan emisivitas

( ) memancarkan radiasi, (W). sebesar:

........…….......……… …………………................... (2.6)

Dan untuk laju pertukaran panas radiasi keseluruhan antara permukaan

dengan sekelilingnya (surrounding), dengan temperatur sekeliling, , adalah :

(

) ........................................................................ (2.7)

Dalam hal ini semua analisis tentang temperatur dalam pertukaran panas

radiasi adalah dalam temperatur absolut (mutlak) yaitu Kelvin (K).

2.4 Radiasi Matahari

Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu media, maka sebagian energi

radiasi tersebut akan di pantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi), dan

sebagian lagi akan diteruskan (transmisi), seperti ditunjukan pada gambar 2.3

dibawah ini:

8

Ф1= Ф2

Ф2

sumber Ф1 Ф2

Bayangan cermin

sumber

Sinar refleksi

(a) (b)

Gambar 2.3 Bagan pengaruh radiasi datang

Sumber: (Bejan, 1993 halaman 507)

Fraksi yang dipantulkan dinamakan refleksivitas (ρ), fraksi yang diserap

dinamakan absorsivitas (α), dan fraksi yang diteruskan dinamakan transmisivitas (τ).

Pada media bening seperti kaca atau media transparan lainnya, Maka:

ρ + α + τ = 1…………………………………………............................ (2.8)

Sedangkan untuk media padat lainnya yang tidak meneruskan radiasi termal

dan transmisivitas dianggap nol, sehingga:

ρ + α = 1…………………………………………………………....... (2.9)

Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu

permukaan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dikatakan refleksi

itu spekular (speculer). Dilain pihak, apa bila berkas yang jatuh itu tersebar secara

merata kesegala arah sesudah refleksi, maka refleksi itu disebut refleksi baur (difuse).

Kedua jenis refleksi itu digambarkan seperti gambar 2.4 berikut:

Gambar 2.4 Fenomena refleksi (a) spekular (b) refleksi baur.

Sumber: (Holman, 1997 halaman 344)

Absorsivitas (α)

Radiasi

datang

Refleksivitas(ρ)

Transmisivitas (τ)

9

Intensitas radiasi matahari akan berkurang oleh karena penyerapan dan

pantulan oleh atmosfer, sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer

menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet). Sedangkan

karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang

yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi langsung

(sorotan) oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh

molekul-molekul gas, debu, dan uap air diatmosfer.

Radiasi ini akan mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, seperti ditunjukan

gambar 2.5.

Gambar 2.5 Radiasi sorotan dan radiasi sebaran

Sumber: (Arismunandar, 1995 halaman 18)

Penjumlahan radiasi sorotan atau beam, Ib, dan radiasi sebaran atau difuse, Id,

merupakan radiasi total, I, pada permukaan horizontal per jam yang dapat

dirumuskan sebagai berikut :

I = Ib + Id…………………………………………………………...(2.10)

Harga I juga dapat diukur dengan menggunakan solarymeter.

2.4.1 Konstanta Matahari

Matahari merupakan sebuah bola gas yang berdiameter 1,39x109 m,

mempunyai massa sebesar 2x1030

Kg. Lapisan luar matahari disebut fotosfer

memancarkan suatu spectrum radiasi yang kontinu dengan temperatur permukaan

efektif sebesar 5762 K sedangkan intinya mencapai temperatur 8x106

K dan

densitasnya 105 Kg/m

3. Keseluruhan energi ditimbulkan karena adanya reaksi fusi

awan Radiasi sorotan

Radiasi sebaran

10

Ecliptic axis

1.521 X 1011

m

March 21

Polar Axis

1.471 X 1011

m

Sep. 21

June 21

Ecliptic

plane

Dec. 21

89.83 million

miles

95.9 million

miles

pada inti matahari, dan energi ditransimisikan secara radial sebagai radiasi

elektromagnetik dan disebut sebagai energi surya. Jarak rata-rata antara matahari

bumi adalah 1,495x1011

m, jarak terpendek dan terjauh adalah 1,47x1011

m dan

1,521x1011

m, yang masing-masing terjadi pada 21 Desember dan 21 Juni (Goswami

and Kreith, 2008).

Gambar 2.6 Hubungan Matahari dengan Bumi

Sumber :(Goswami and Kreith, 2008)

Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, Es, adalah sama dengan

hasil perkalian konstanta Stefan-Boltzmann σ, temperatur absolute pangkat empat

, dan luas permukaan

, (Arismunandar, 1995).

( ) .................................................................................. (2.11)

Di mana ds adalah diameter matahari (m).

Konstanta surya didefinisikan sebagai energi dari matahari persatuan waktu

yang diterima oleh suatu unit luasan permukaan tegak lurus arah rambatan radiasi,

pada jarak rata-rata bumi dengan matahari diluar atmosfir bumi yang besarnya adalah

(Arismunandar, 1995):

( ⁄ ) .................................................................................. (2.12)

Di mana R adalah jarak rata-rata antara matahari ke bumi.

11

Dari persamaan di atas, maka diperoleh fluks radiasi per satuan luas dalam arah

yang tegak lurus pada radiasi tepat di luar atmosfer bumi adalah (Arismunandar,

1995):

( ) ( ) ( ) ⁄

( )

⁄ .................................................................................... (2.13)

2.4.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Matahari di

Bumi.

Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan radiasi matahari pada suatu

permukaan bumi adalah:

a. Posisi matahari

Sepanjang bumi mengelilingi matahari pada suatu lintasan yang

berbentuk elips, yang biasanya disebut dengan bidang “Ekliptika”. Bidang ini

membentuk sudut 23,5 0 terhadap bidang equator. Akibat dari peredaran bumi

mengelilingi matahari menimbulkan perubahan-perubahan musim. Untuk di

Indonesia terjadi dua perubahan musim, yaitu musim hujan dan musim

kemarau.Musim hujan terjadi apabila kedudukan matahari paling jauh di

selatan untuk belahan bumi bagian utara, ini terjadi pada bulan desember.

Kedudukan musim panas yaitu pada waktu kedudukan matahari berada pada

titik paling utara, terjadi pada bulan juni.

b. Lokasi dan kemiringan permukaan

Lokasi dan kemiringan permukaan menentukan besarnya sudut datang

radiasi pada permukaan tersebut. Hubungan geometrik antara sebuah

permukaan dengan radiasi matahari yang datang dapat dinyatakan dalam

beberapa sudut seperti yang ditunjukan pada gambar 2.7.

12

Gambar 2.7 Sudut zenith, sudut kemiringan, sudut azimuth permukaan, sudut azimuth surya.

Sumber: (Duffie dan Beckman, 1980 halaman 11)

Berikut ini adalah beberapa pengertian sudut-sudut dalam

hubungannya dengan posisi bumi-surya:

Ø = Sudut lintang, sudut lokasi suatu tempat dipermukaan bumi terhadap

equator,dimana arah utara-selatan,-90 ≤ Ø ≤ 90 dengan utara positif.

θ = Sudut datang berkas sinar (angel of incident), sudut yang dibentuk antar

radiasi langsung pada suatu permukaan dengan garis normal permukaan

tersebut.

θz = Sudut zenith, sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan garis

normal bidang horisontal.

β = Sudut kemiringan, yaitu sudut antara permukaan bidang yang dimaksud

terhadap horisontal: 00 ≤ β ≤ 180

0.

α = Sudut ketinggian matahari, yaitu sudut antara radiasi langsung dari

matahari dengan bidang horizontal.

ω = Sudut jam (hour of angel), sudut antara bidang yang dimaksud dengan

horizontal, berharga nol pada saat jam 12.00 waktu surya, setiap jam

setara dengan 150, kearah pagi negatif dan kearah sore positif.

γ = Sudut azimuth permukaan, antara proyeksi permukaan pada bidang

horizontal dengan meridian, titik nol diselatan, negatif timur, positif

barat.

13

γs = Sudut azimuth surya, adalah pergeseran angguler proyeksi radiasi

langsung pada bidang datar terhadap arah selatan.

δ = Deklinasi, posisi anguler matahari dibidang equator pada saat jam 12.00

waktu matahari. Sudut deklinasi dapat juga ditentukan dengan rumus:

δ = 23,45 sin

365

284360

n

ini menurut Cooper (1969). Dimana n adalah nomer urutan hari dalam

satu tahun dimulai 1 januari.

Untuk sudut pada permukaan yang dimiringkan ke selatan maupun ke utara

mempunyai hubungan anguler pada seperti permukaan datar pada lintang ( ).

Untuk belahan bumi bagian utara hubungan tersebut dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Bagian bumi yang menunjukan β,θ,Ø dan (Ø-β) untuk belahan utara

Sumber: (Duffie dan Beckman, 1980 halaman 14)

c. Waktu matahari

Perhitungan intensitas matahari pada saat tertentu umumnya didasarkan

pada waktu matahari, yaitu waktu tertentu dalam hubungannya dengan

matahari yang didasarkan pada garis bujur lokasi tersebut. Waktu matahari

dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

ts = waktu standart + E + 4 ( Lst – Lloc)…………………........................(2.14)

d. Keadaan cuaca

Jumlah radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi dipengaruhi

oleh faktor transmisi kandungan atmosfer. Di atmosfer radiasi matahari diserap

14

oleh unsur-unsur Ozon, uap air, dan karbon dioksida. Disamping diserap,

radiasi matahari juga dihamburkan oleh partikel-partikel seperti udara, uap air,

dan debu.

Pada kenyataannya radiasi matahari sering dihalangi oleh bermacam-

macam tipe awan. Masing-masing tipe awan mempunyai koefisien transmisi

sendiri-sendiri. Jadi untuk meramalkan radiasi matahari di bumiper ludi ketahui

pula tipe awan dan ketebalannya.

2.5 Kolektor Pelat Datar Standar

2.5.1 Komponen dan Struktur

Komponen-komponen sebuah kolektor surya pelat datar terdiri dari penutup

tembus cahaya (transparan) yang berfungsi untuk menimbulkan efek rumah kaca.

Gelombang radiasi yang dipancarkan matahari memiliki panjang yang mampu

menembus penutup transparan, tetapi beberapa gelombang radiasi panas yang

dipantulkan oleh pelat penyerap lebih pendek, sehingga akan dapat dipantulkan

kembali. Perubahan sifat panjang gelombang ini sangat diharapkan, sebab dengan

demikian penutup tersebut akan menjadi penghalang radiasi antara pelat penyerap

dengan lingkungan yang lebih dingin, sementara masih meneruskan radiasi matahari.

Permukaan “hitam” sebagai penyerap energi radiasi matahari yang kemudian

dipindahkan ke fluida. Saluran fluida kerja berfungsi untuk mengalirkan fluida yang

akan dipanaskan serta isolasi untuk mengurangi kerugian panas (losses) ke

lingkungan. Skema kolektor surya pelat datar ditunjukkan pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Skema kolektor surya pelat datar standar

15

Adapun krakteristik bagian-bagian penting dari kolektor surya pelat datar

adalah sebagai berikut:

a. Penutup transparan

Penutup transparan di harapkan memiliki sifat transmisivitas yang tinggi dan

sifat absorsivitas serta refleksivitas serendah mungkin. Refleksivitas (daya

pantul) tergantung pada indek bias dan sudut datang yang dibentuk oleh sinar

datang terhadap garis normal permukaan. Sedangkan transmisivitas suatu

permukaan dapat mempengaruhi intensitas energi matahari yang diserap oleh

pelat penyerap. Transmisivitas kaca akan menurun bila sudut datangnya

melebihi 450 terhadap vertical. Sedangkan absorsivitas akan bertambah

sebanding dengan panjang lintasan pada penutup transparan, sehingga bagian

yang diteruskan menjadi berkurang.

b. Pelat penyerap

Pelat penyerap yang ideal memiliki permukaan dengan tingkat absorsivitas

yang tinggi guna menyerap radiasi matahari sebanyak mungkin dan tingka

temisivitas yang serendah mungkin agar kerugian panas karena radiasi balik

sekecil mungkin disamping itu pelat penyerap diharapkan memiliki

konduktivitas thermal (K) yang tinggi.

c. Isolasi

Merupakan material dengan sifat konduktivitas termal (K) rendah,

dipergunakan untuk menghindari terjadinya kehilangan panas kelingkungan.

2.5.2 Radiasi yang Diserap Kolektor Surya

Pada kolektor surya untuk pemanas udara, radiasi matahari tidak akan

sepenuhnya diserap oleh pelat penyerap. Sebagian dari radiasi itu akan dipantulkan

(refleksi) menuju bagian dalam penutup transparan. Dari penutup transparan ini

beberapa akan dipantulkan kembali dan sebagian lainnya akan terbuang ke

lingkungan.

16

Proses penyerapan radiasi matahari oleh kolektor akan diperlihatkan pada

gambar 2.10.

Gambar 2.10 Penyerapan radiasi matahari oleh kolektor

Berkas radiasi matahari yang menimpa kolektor, pertama akan menembus

penutup transparan kemudian menimpa pelat penyerap. Sebagian radiasi akan

dipantulkan kembali menuju penutup dan sebagian lagi diserap pelat penyerap.

Radiasi yang menuju ke penutup kemudian dipantulkan kembali menuju penyerap,

sehingga terjadi proses pemantulan berulang. Simbul τ menyatakan transmisivitas

penutup, menyatakan absorsivitas anguler penyerap dan menyatakan

refleksivitas radiasi hambur dari penutup.

Dari energi yang menimpa masuk kolektor, maka ( ) adalah energi yang

diserap oleh pelat penyerap, dan sebesar ( ) dipantulkan menuju penutup.

Pantulan yang mengenai penutup tersebut merupakan radiasi hambur, sehingga

energi yang sebesar ( ) kemudian dipantulkan kembali oleh penutup

menuju pelat penyerap. Proses pemantulan tersebut akan berulang terus. Dan

besarnya energi maksimum yang diserap oleh kolektor adalah :

d

n

n

d

)1(1)1()(

0

…………………………….(2.15)

Radiasi

matahari

τ

Refleksi

(1-α)τ

(1-α) τ

ρd

α τ

Penutup

transparan

(kaca)

Pelat

Penyerap

17

Untuk mendekatkan perhitungan kolektor dapat digunakan:

( ) …………………..………………………….........(2.16)

Perkalian antara transmittance-absorptance product rata-rata ( ) ,

didefinisikan sebagai perbandingan radiasi matahari yang terserap , , terhadap

radiasi matahari yang menimpa kolektor , . Sehingga radiasi matahari yang diserap

oleh permukaan pelat penyerap adalah:

S = ( τα) ave .IT……………………………………................................(2.17)

Seorangilmuwan, Klein (1979) sepertidikutipdari Ref. [1], menyatakan hubungan

dengan sudut datang radiasi , θ, pada kolektor surya yang menggunakan penutup

kaca dengan indeks bias 1,526 seperti tampak pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Grafik hubungan antara sudut timpa dengan transmisivitas.

Sumber: (Duffie dan Beckman, 1980 halaman 174)

2.6 Kolektor Surya Pelat Datar dengan Aliran Impinging Jet

Kolektor surya ini hampir sama dengan kolektor pelat datar standar. Bedanya

terdapat pada jenis aliran massa udara yang melewati kolektor. Pada kolektor surya

standar aliran massa udara secara paralel melewati kolektor dan langsung keluar

outlet sedangkan pada kolektor ini aliran massa udara menggunakan aliran impinging

jets yang dimana udara akan menimpa pelat penyerap terlebih dahulu sebelum keluar

melaui outlet. Untuk menciptakan aliran Impinging Jets sehingga menimpa pelat

18

penyerap tersebut maka pada kolektor surya ini ditambahkan pelat berlubang yang

berfungsi sebagai nosel diantara pelat penyerap dan pelat bagian bawah.

2.6.1 Aliran Impinging Jet

Perpindahan panas dengan menggunakan metoda aliran Impinging Jet,

merupakan perpindahan panas dimana fluida dipancarkan melalui lubang-lubang

menuju permukaan/pelat yang memiliki perbedaan temperatur. Metoda ini telah

diterapkan pada berbagai komponen seperti sudu turbin, dinding ruang pembakaran,

heat exchanger dan komponen elektronik. ”impinging” disini berarti ”tabrakan”,

dimana terjadi tabrakan antara fluida pendingin dengan permukaan suatu target

dalam kecepatan aliran yang tinggi. Sebaliknya, cara ini juga dapat digunakan untuk

memanaskan suatu komponen atau suatu bahan tertentu contohnya pada proses

pengeringan kertas dan pengeringan tekstil. Pada gambar 2.12 (a, b) ditunjukkan

visualisasi impinging jet, terlihat bahwa koefisien perpindahan panas akan menurun

seiring dengan meningkatnya radius (jarak dari inti jet), selain itu akan terjadi puncak

koefisien perpindahan panas yang kedua untuk jarak jet nosel yang cukup dekat

dengan permukaan target (H yang kecil).

(a)

19

(b)

Gambar 2.12 (a) Mekanisme perpindahan panas impinging jet (b) Visualisasi impinging jet

Sumber : (Bambang Yunianto, 2005 halaman 11)

Awalnya penelitian terhadap metoda peningkatan perpindahan panas

impinging jet ini terfokus pada penggunaan impinging jet tunggal, kemudian

berkembang pada penggunaan susunan impinging jet. Untuk impinging jet tunggal,

seperti gambar 2.12, aliran udara pendingin keluar melalui sebuah jet nosel dan

langsung menabrak permukaan target. Aliran udara yang memancar memiliki

kecepatan tertentu dan setelah terjadi tabrakan dengan permukaan target akan

mengakibatkan terjadinya aliran turbulen. Hal ini mengakibatkan adanya

peningkatan yang signifikan laju perpindahan panas yang terjadi. Koefisien

perpindahan panas (h) yang tertinggi dihasilkan pada inti jet (semburan) dan akan

menurun untuk daerah diluar inti jet (Bambang Yunianto, 2005).

a. Submerge Impinging Jet dan Free Impinging jet

Berdasarkan perbedaan bentuk aliran impinging jet ini terbagi dua yaitu,

submerge jet dan free impinging jet. Pada submerge impinging jet , fluida yang

digunakan dalam impinging jet sama dengan fluida yang terdapat disekeliling target.

Sedangkan untuk free impinging jet, fluida yang digunakan berbeda dengan fluida

disekeliling pelat target, contohnya air digunakan untuk pendinginan komponen yang

terdapat di udara bebas.

20

Gambar 2.13 (a) submerge impinging jet dan (b) free impinging jet

Sumber : (Bambang Yunianto, 2005 halaman 12)

b. Confined Impinging Jet dan Unconfined Impinging Jet

Dalam penerapannya, Impinging Jet terbagi menjadi confined impinging jet

dan unconfined impinging jet. Seperti terlihat pada gambar, untuk confined

impinging jet digunakan pembatas pada nosel keluaran jet.

Gambar 2.14 (a) Unconfined impinging jet dan (b) confined impinging jet

Sumber : (Bambang Yunianto, 2005 halaman 12)

2.6.2 Kolektor Surya Pelat Datar Menggunakan Aliran Impinging Jets dengan

Variasi Diameter Nosel

Kolektor surya ini memiliki rancangan yaitu menggunakan pelat berlubang

yang berfungsi sebagai nosel dengan diameter lubang yang bervariasi dari

diameter lubang besar (dekat inlet) ke diameter lubang kecil (dekat outlet).

Fluida yang mengalir pada kolektor ini berada didepan pelat berlubang,

sedangkan pada bagian atas pelat penyerap fluida dikondisikan diam. Pada

kolektor ini juga akan ditambahkan pelat bawah diatas permukaan isolasi

bagian bawah.

21

2.6.3 Skema Kolektor Surya

Skema kolektor surya menggunakan aliran impinging jet dengan diameter

nosel bervariasi ini ditunjukkan pada gambar 2.15 berikut ini :

Gambar 2.15 Kolektor surya aliran impinging jets dengan diameter nosel bervariasi

2.7 Energi Berguna dan Efisiensi Kolektor Surya

Energi berguna merupakan energi yang digunakan untuk menghitung berapa

besar panas yang berguna dan dihasilkan kolektor surya. Sedangkan efisiensi

digunakan untuk menghitung performansi atau unjuk kerja dari kolektor surya.

2.7.1 Energi berguna kolektor surya

Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi yang berguna pada

kolektor surya dapat digunakan persamaan :

= . ( ) ....................................................................................... (2.14)

dimana :

= energi berguna kolektor sebenernya tiap satuan luas (watt)

= laju aliran massa fluida yang keluar dari kolektor surya (kg/s)

= panas jenis fluida (J/kg.K), nilai didapat dari properties fluida

berdasarkan temperatur ( =

)

= temperatur fluida masuk (K)

= temperatur fluida keluar (K)

22

2.7.2 Analisa Performansi

Efisiensi kolektor surya merupakan perbandingan panas yang diserap oleh

fluida atau energi berguna dan intensits matahari yang mengenai kolektor.

Performansi dari kolektor dapat dinyatakan dengan efisiensi thermalnya. Akan tetapi,

intensitas radiasi matahari berubah terhadap waktu. Oleh karena itu efisiensi thermal

kolektor dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu :

1. Instantaneous efficiency atau efisiensi sesaat adalah efisiensi keadaan steady

untuk selang waktu tertentu.

2. Long term atau all-day adalah efisiensi yang dihitung dalam jangka waktu yang

relatif lama (biasanadalah efisiensi yang dihitung dalam jangka waktu yang

relatif lama (biasanya per hari atau per bulan).

Performansi secara keseluruhan sangat dipengaruhi oleh performansi dari

kolektor. Oleh karena itu, ada dua cara pengujian sistem kolektor surya, yaitu :

1. Pengujian untuk menentukan performansi kolektor.

2. Pengujian untuk menentukan sistem secara keseluruhan.

Dalam penelitian ini pengujian dilakukan hanya untuk menentukan

performansi dari kolektor saja. Metode yang digunakan adalah Instantaneous

efficiency atau efisiensi sesaat adalah efisiensi keadaan steady untuk selang waktu

tertentu. Sehingga efisiensi aktual dari olektor dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan berikut :

=

................................................................................................ (2.15)

Dimana :

= efisiensi aktual kolektor (%)

= energi berguna kolektor sebenrnya tiap satuan luas (watt)

= luas bidang penyerapan kolektor ( )

= radiasi surya yang jatuh pada bidang kolektor (watt/ )