Upload
laruku-va-nexus
View
27
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pemanas Air Energi Surya
2.1.1 Sejarah
pemanas air energi surya (Solar Water Heater) mulai tumbuh dan
berkembang di akhir tahun 1800-an di California, Amerika Serikat. Adalah
seorang Clarence M Kemp yang mematenkan pemanas air tenaga matahari
komersial pertama di dunia [1].
Clarence M Kemp lahir di Baltimore, Maryland, Amerika Serikat.
Pada tahun 1881, Clarence M Kemp mendirikan “C.M. Kemp” Perusahaan
yang bergerak dalam bidang manufaktur di Baltimore untuk memproduksi
produk-produk dari desain yang Ia buat sendiri. Baru pada tahun 1891
Clarence mematenkan pemanas air tenaga matahari buatannya.
Konsep sistem pemanas yang dibuat oleh Kemp menempatkan tangki
air bercat hitam (terdiri dari tiga tangki) di dalam sebuah kotak kaca yang
tertutup kemudian dibagian bawah kotak dipanaskan, air dingin dalam
tangki menyerap panas dan air tersebut menjadi cukup panas untuk mandi
atau keperluan lainnnya. Tetapi pemanas air komersial pertama ini memiliki
kekurangan yaitu air yang dipanaskan akan terus disimpan didalam tangki,
kemudian pada malam hari air tersebut terkena suhu malam sehingga pada
saat pagi hari air menjadi tidak terlalu panas untuk dipergunakan. Belum
lagi jika cuaca buruk dan tidak ada matahari, maka pemanas air tersebut
sama sekali tidak dapat dipergunakan. Desain dasar dari Kemp inilah yang
menjadi acuan untuk perkembangan Solar Water Heater kedepannya.
Sebagai hasil dari karyanya yang inovatif, Ia sering disebut "The Father of
Solar Energy” [1].
Pada tahun 1895, Kemp menjual hak eksklusif manufaktur sistem
pemanas airnya kepada dua pengusaha dari Pasadena, California. Kemudian
6
kedua pengusaha tersebut menemukan bahwa di California bagian selatan
seperti Los Angeles dan San Diego memiliki iklim yang lebih cerah dan
merupakan pasar yang lebih menjanjikan. Selanjutnya mereka juga mulai
memasuki pasar di Arizona, Florida, dan Kepulauan Hawaii.
Pada tahun 1909 seorang insinyur California bernama William J.
Bailey menemukan solusi dari permasalahan yang dihadapi pada pemanas
air tenaga matahari komersial pertama. Bailey memisahkan antara tangki
penyimpanan dan kolektor pemanas air. Kolektor surya yang Ia gunakan
terdiri dari pipa air yang melekat pada pelat logam bercat hitam di dalam
sebuah kotak kaca yang tertutup dan dihubungkan ke tangki penyimpanan
terisolasi yang terletak di atas kolektor. Sekarang, kolektor pemanas air
buatan Bailey tersebut dikenal dengan “kolektor flat".
Gambar 2.1 Kolektor surya plat datar
(http://www.intisolar.com/news/manfaat_mandi_air_hangat.html)
Cara kerja sistem pemanas air tenaga matahari tersebut adalah saat
matahari memanaskan air yang berada di dalam pipa, air tersebut akan
menjadi lebih ringan dari air dingin, kemudian air dingin masuk dan menuju
bawah memaksa air yang lebih panas secara alami naik ke dalam tangki
penyimpanan. Air tersebut akan disimpan di dalam tangki dan akan tetap
hangat selama malam hari serta keesokan paginya [6].
Antara tahun 1920 dan 1930, cadangan besar gas alam ditemukan di
daerah Los Angeles. Untuk memanfaatkan sumber daya alam tersebut,
7
Bailey mulai memproduksi pemanas air berbahan bakar gas. Penjualan
pemanas air gas ini langsung meroket dan penjualan pemanas air tenaga
matahari turun dengan sangat drastis. Kemudian perusahaan gas
menawarkan kerjasama kepada Bailey untuk hookup pemanas gas baru
mereka. Bailey membuat batch terakhir tentang pemanas air tenaga matahari
pada tahun 1941.
Selama periode waktu yang sama, seorang pengusaha mengambil
desain pemanas air tenaga matahari yang berada di California, kemudian
memasarkannya di Florida dan sukses besar. Dalam ledakan bangunan
antara tahun 1935-1941 terhitung sudah lebih dari 60.000 sistem pemanas
air tenaga matahari telah terpasang.
Kemudian semua instalasi yang berkenaan dengan pemanas air tenaga
matahari dihentikan saat Perang Dunia II. Hal itu terjadi karena tembaga
merupakan komponen utama dari pemanas air tenaga matahari dan
penggunaan tembaga dibekukan untuk semua penggunaan non-militer pada
waktu itu. Ketika perang usai, perusahaan pemanas air matahari kembali,
tetapi pemanas air tenaga matahari ini kurang diminati seperti sebelumnya.
Hal tersebut terjadi karena beberapa faktor, seperti pemanas air matahari
terlalu kecil untuk memenuhi permintaan, ditemukannya teknologi baru
mesin cuci otomatis dan mesin pencuci piring serta turunnya harga listrik
sehingga pemanas air listrik lebih digemari saat itu.
2.1.2 Mengenal Pemanas Air Energi Surya
Pemanas air energi surya terdiri dari beberapa inovasi dan teknologi,
serta menggunakan energi terbarukan dan telah ada selama bertahun-tahun.
Berikut merupakan beberapa hal yang perlu Anda ketahui mengenai sistem,
komponen, dan cara kerja dari pemanas air energi surya [1].
Dalam sebuah sistem pasti selalu ada yang namanya komponen primer
atau komponen utama. Begitu pula dalam unit sistem pemanas air energi
8
surya, terdapat dua komponen utama yang menunjang kinerja dari sistem
tersebut yaitu :
1. Kolektor penyerap panas
Adalah jumlah luas area yang tersedia untuk menyerap energi
matahari. Terdapat beberapa jenis kolektor penyerap panas , seperti:
a) Flat Plate Solar Collector System (kolektor flat)
b) Evacuated Tube Solar Collector System (kolektor tabung
vacuum)
2. Tangki penyimpanan
Merupakan tempat untuk menyimpan air yang telah dipanaskan dari
kolektor penyerap panas.
Agar efisien dan efektif, tempat penyimpanan air panas ini dilapisi
dengan lapisan isolasi yang mencegah agar panas tidak banyak yang
terbuang (heat loss).
Selain komponen primer di atas, terdapat juga dua jenis sistem Inlet
dan Outlet pada pemanas air energi surya ini. Sistem ini berhubungan
dengan kinerja dan proses pendistribusian air pada unit, baik itu air panas
maupun air dingin. Sistem ini terdiri dari:
1) Sistem Aktif (menggunakan pompa)
Untuk sistem aktif ini sendiri masih dibagi kedalam dua jenis yaitu
a) Direct Circulation System (Sistem Sirkulasi Langsung)
b) Indirect Circulation System (Sistem Sirkulasi Tidak Langsung)
2) Sistem Pasif (tidak menggunakan pompa atau disebut juga sistem
gravitasi).
9
2.2 Penelitian Terdahulu
Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi
umat manusia adalah energi surya dan energi elektromagnetik yang dipancarkan
oleh matahari. Energi surya sangat aktif karena tidak bersifat polutif dan tidak
dapat habis. Akan tetapi arus energi yang rendah mengakibatkan digunakannya
sistem dan kolektor yang permukaannya luas untuk mengumpulkan dan
mengkonsentrasikan energi matahari ini [7].
Penelitian tentang pemanas air energi surya ini bukanlah ide baru dalam
dunia teknologi rekayasa surya, sebelumnya telah banyak para peneliti yang telah
meneliti hal ini sebelumnya seperti:
1. Philip Kristanto dan James Laeyadi, Universitas Kristen Petra (April
2000). Mereka meneliti tentang pengaruh posisi sudut penyinaran
matahari 0o (posisi normal), dan 15o, 30o dan 45o terhadap efisiensi
kolektor surya prismatik.
2. I Ketut Gede Wirawan, Universitas Udayana Bali (Desember 2008).
Meneliti tentang pembuatan Kolektor Surya jenis sirkular dengan
memanfaatkan neon bekas sebagai kaca penutup.
3. Rihardjo Tirtoatmodjo dan Ekadewi Anggraini Handoyo,
Universitas Kristen Petra (Oktober 1999). Mereka meneliti tentang unjuk
kerja pemanas air jenis Kolektor Surya Plat Datar dengan satu dan dua
kaca penutup.
4. M. Burhan dkk, Universitas Negeri Semarang. Mereka meneliti tentang
pengaruh jarak kaca penutup ke absorber terhadap efisiensi kolektor
surya plat datar.
5. Titik Ismandari dkk. Universitas Yogyakarta (November 2008).
Mereka meneliti tentang pemanfaatan solar kolektor untuk pengering
kacang tanah (solar dryer).
6. Yazmendra Rosa dkk. Politeknik Negeri Padang (September 2004).
Mereka meneliti tentang unjuk kerja kolektor plat datar energi surya
terhadap perubahan kelembaban udara masukan.
10
7. Philip Kristanto dan Yoe Kiem San, Universitas Kristen Petra
(Oktober 2001). Mereka meneliti tentang pengaruh tebal plat dan jarak
antar pipa terhadap performansi Kolektor Surya Plat Datar. dll
2.3 Jenis – Jenis Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada
umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu [8]:
1) Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan
2) Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3) Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .
4) Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan
5) Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
1) Kolektor Surya Plat Datar
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan
fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energy
radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan
minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur
keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan
untuk memanaskan udara dan air (Goswami, 1999).
11
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan
langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk
memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara dan proses-proses
pemanasan dalam industri [9].
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-
nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas
termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar
memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ),
tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit
perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk
pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas
industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar
antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka.
Gambar 2.2. Penampang kolektor surya pelat datar sederhana
2) Kolektor Konsentrator
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur antara 100°–400°C. Kolektor surya jenis ini mampu
memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga
dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber.
Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang
terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen
12
absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan
Point Focus.
Gambar 2.3 Konsentrator
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,
concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking.
Temperatur fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini
seperti terlihat pada gambar di atas.
3) Kolektor Evacuated Tube
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaan
terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan
panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak
diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum,
sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara
konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
Gambar 2.4. Evacuated Receiver
13
2.4 Perpindahan Panas
Panas dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ketempat atau ke benda
lain. Panas dapat berpindah dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih
dingin. Dengan kata lain, panas hanya akan berpindah dari satu benda ke benda
lainnya bila terdapat perbedaan temperatur diantara dua benda tersebut. Atau
panas akan berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang
temperatur lebih rendah [9]. Karena itu dapat disimpulkan bahwa perbedaan
temperatur (Δt) adalah merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan
panas. Dalam proses perpindahan panas, dikenal 3 macam metode perpindahan
panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
2.4.1 Radiasi Matahari
Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila
energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan
dipantulkan (refleksi), sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian
lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa
mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas
dianggap nol (Saharjo, 1997).
Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika
sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut
pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse
(Saharjo, 1997).
Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan
pengumpul (kolektor) pada berbagai sudut dengan bidang horisontal.
Sementara pengukuran radiasi pada permukaan horisontal di banyak tempat
sudah dilaksanakan, pemanasan pada permukaan yang miring harus dihitung
(arismunandar, 1995)..
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari
permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10 - 30 km),
mesosfer (30 -50 km), dan thermosfer (50 - 400 km) (Saharjo, 1997).
14
Gambar 2.5 Radiasi Surya
(Sumber: kamusmeteorology.blogspot.com)
Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon).
Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam). Radiasi
akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gdiffuse).
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 meter. Bumi mengelilingi
matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah
satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49 ×
1011 meter (Duffle, 2006).
Gambar 2.6 Pergerakan Bumi Terhadap Matahari
(Sumber: www.enotes.com)
Lapisan luar dari matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu
spektrum radiasi yang kontinu (arismunandar 1995).
15
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara
bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m
yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011, dan jarak terjauh pada tanggal 3
Juli dengan jarak 1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini,
menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda
(Duffle, 2006).
Gambar 2.7 Hubungan Matahari Dan Bumi
Persamaan radiasi pada atmosfer (Gon) yang diajukan oleh Spencer
tahun 1971 (Duffle, 2006).
Gon = Gsc(1,00011 + 0,034221cosB + 0,00128sinB + 0,000719cos2B +
0,000077sin2B) ..........................................................................(2.1)
Dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut :
B = (n−1 ) 360
365 ........................................................................(2.2)
Gsc = 1367 W/m2
Dimana,
B = konstanta yang bergantung pada nilai n
Gon = radiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m2)
Nilai n bergantung pada tanggal (i)
16
Tabel 2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan [10]
Sumber: Duffle, 2006
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :
1. Air Mass (m)
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi
tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada
posisi zenith [11]. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit = 0) nilai m = 1,
pada sudut zenith 600, m = 2. Pada sudut zenit dari 00 - 700.
m =1
cosθ .................................................................................(2.3)
2. Beam Radiation
Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini
sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).
3. Diffuse Radiation
Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.
17
Bulan N
Januari I
Februari 31+i
Maret 59+i
April 90+i
Mei 120+i
Juni 151+i
Juli 181+i
Agustus 212+i
September 243+i
Oktober 273+i
November 304+i
Desember 334+i
4. Total Radiation
Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.
5. Irradiance (W/m2)
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan per satuan luas
permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G.
Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas
radiasi [12].
6. Irradiation atau Radian Exposure (J/m2)
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam
interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada
interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasanya disimbolkan
dengan huruf H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan dengan huruf I.
7. Solar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat
tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST), berbeda dengan penunjukkan jam
biasa (standard time, disimbolkan STD) [13]. Hubungannya adalah:
ST =STD ± 4(Lst-Lloc) + E.......................................................................(2.4)
dimana :
STD = Waktu lokal
Lst = Standart meridian untuk waktu lokal (o)
Lloc = Derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) untuk bujur
timur, digunakan - 4, untuk bujur barat digunakan + 4
E = Faktor persamaan waktu
Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah
derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada
bujur timur, maka gunakan tanda minus di depan angka 4 dan jika bujur barat
adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh
Spencer pada tahun 1971 (Duffle, 2006).
18
E = 229,2(0,000075 + 0,001868cosB - 0,032077sinB - 0,014615cos2B -
0,04089sin2B.................................................................................(2.5)
dimana :
B = Konstanta yang bergantung pada nilai n
E = Faktor persamaan waktu
2.4.2 Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas antara dua sustansi dari sustansi
yang bersuhu tinggi, panas berpindah ke sustansi yang bersuhu rendah
dengan adanya kontak kedua sustansi secara langsung [14]. Penghantaran
panas melalui suatu benda dengan cara partikel-partikel dalam benda
tersebut menstransfer energi melalui tumbukan.
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi
ke daerah bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat
dinyatakan dengan Hukum Fourier [15].
q=−k . A( dTdx )……………………………….……….……………..(2.6)
Dimana, q = Laju perpindahan panas (watt)
k = Konduktivitas Termal (W /m.K)
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas m2
dT/dx = Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
2.4.3 Konveksi
Konveksi adalah proses transfer panas dengan melibatkan
perpindahan massa molekul-molekul fluida dari satu tempat ke tempat
lainnya [16].
Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat
pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan
19
konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini
disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis
maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas
dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sebagai
berikut.
Q̇conv=h A s (T s−T ∞ ) …………………………………..……...(2.7)
Dimana, h = Koefisien konveksi ( W/m2. 0C)
A s = Luas permukaan kolektor surya (m2)
T s = Temperatur permukaan (0C)
T ∞ = Temperatur fluida (0C)
Q̇conv = Laju perpindahan panas (watt)
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini.
h=Nu k
L …....................................................................................(2.8)
Dimana, h = koefisien konveksi ( W / m2. K )
Nu = Bilangan Nusselt
Secara umum, pola aliran terbagi menjadi tiga jenis, yaitu aliran
laminar, transition, dan turbulent. Aliran laminar adalah aliran yang
molekul-molekul fluidanya masih tersusun rapi atau tidak acak, sedangkan
aliran turbulen adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya acak atau
radial. Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran
laminar dan turbulen.
Pola aliran tersebut dapat dibedakan dengan menghitung bilangan
Reynolds (Re). Pada bagian ini, semua persamaan digunakan untuk
konveksi paksa aliran dalam. Jika nilai bilangan Reynolds < 2300, aliran
tersebut merupakan aliran laminar. Jika nilai bilangan Reynold > 10000,
20
aliran tersebut merupakan aliran turbulen. Persamaan yang digunakan untuk
menghitung bilangan Reynold adalah sebagai berikut.
ℜ=V . d i
μ………………………………………………………………(2.9)
Dimana, Re = Bilangan Reynold
V = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)
di = Diameter Pipa ( m )
ρ = Massa Jenis ( kg/m3)
μ = Viskositas Dinamik (kg/ms)
Bilangan Nusselt dengan jenis aliran laminar dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan yang diajukan oleh Sieder dan Tate (1936), yaitu
sebagai berikut.
Nu =1,86( ℜPr DL )
1/3( μb
μs)
0,34
......................................................(2.10)
Dimana, Nu = bilangan Nusselt
Re = bilangan Reynold
Pr = bilangan Prandtl
D = diameter pipa (m)
L = panjang pipa (m)
μb = viskositas fluida pada temperatur film (Ns/m2)
μs = viskositas fluida pada temperatur permukaan (Ns/m2)
Pada aliran turbulen, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan yang diajukan oleh Gnielinski (1976) dengan
bilangan Re 2300 < Re < 5x106 dan bilangan Pr 0,5 ≤ Pr≤ 2300 [18].
21
Nu = ( f /8 ) (ℜ−1000 )(Pr)1+12,7( f /8)1/2(Pr¿¿2 /3−1)¿
.................................................................(2.11)
Dimana, Nu = bilangan Nusselt
f = faktor gesekan
Re = bilangan Reynold
Pr = bilangan Prandtl
Nilai f merupakan faktor gesekan yang terjadi karena kehilangan
tekanan pada aliran. Faktor gesekan dapat dihitung berdasarkan persamaan
berikut.
f = (0,79 ln (Re) – 1,64)2................................................................(2.12)
Dimana, f = faktor gesekan
Re = bilangan Reynolds
Persamaan untuk menentukan bilangan Nusselt yang diajukan oleh
Holland dkk (1976) dapat digunakan. Syarat menggunakan persamaan ini
adalah rasio lebar terhadap ketinggian cukup besar HL
≥ 12, RaL<105, dan
sudut kemiringan kurang dari 70˚, 0 ≤ θ<70 °[18].
…....(2.13)
Dimana, Nu = bilangan Nusselt
RaL = bilangan Rayleigh
22
Nu=1+1 , 44 [1−1708RaLcos θ ](1−1708( sin1,8 θ )1/3
RaL cosθ )+
+[ (RaL cosθ )1/3
18−1]
+
θ = sudut kemiringan (˚)
Arti dari operator [ ]+ adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika
nilai yang didalam kurung negative maka hasilnya sama dengan nol.
Perhatikan operasi berikut [2 ]+=2 tetapi [−2 ]+=0.
Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar
terhadap ketinggian
HL
<12, Catton (1978) mengusulkan menggunakan
persamaan berikut[17].
…...............................(2.14)
2.4.4 Konveksi Natural
Perpindahan panas konveksi dimana fluidanya mengalir secara alami, tanpa
dipaksa mengalir disebut konveksi natural [19].
Rumus untuk persamaan umum adalah:
∂ ρ∅∂ t
+∂ ρ ui∅
∂ x i
= ∂∂ x i (Γ
∂∅∂ x i )+S ……………………………….(2.15)
Asumsi yang umum digunakan untuk dapat menurunkan persamaan
pembentuk aliran pada udara di sekitar plat vertikal ini adalah, aliran 2D,
incompressible, sifat fisik konstan. Dengan menggunakan asumsi yang telah
disebutkan, maka persamaan pembentuk aliran menjadi,
Kontinuitas, ∂ u∂ x
+ ∂ v∂ y
=0
23
Nu=Nuθ=0 [ Nuθ=90
Nuθ=0]θ /θ cr
×(sinθcr )θ/ ( 4 θcr )
Momentum arah x, u∂ ρu∂ x
+v∂ ρu∂ y
=−∂ p∂ x
+μ( ∂2u∂ x2 +
∂2u∂ y2 )
Momentum arah y, u∂ ρv∂ x
+v∂ ρv∂ y
=−∂ p∂ x
+μ ( ∂2 v∂ x2 +
∂2 v∂ y2 )− ρg
Energi, u∂T∂ x
+v∂T∂ y
= kρ cp
( ∂2T∂ x2 + ∂2T
∂ y2 )2.4.5 Konveksi Paksa Aliran Dalam
Konveksi paksa aliran dalam adalah fluida yang mengalir di dalam pipa
secara paksa. Sebagai wadah yang umum digunakan untuk aliran dalam
adalah pipa. Namun, ada juga penampang berbentuk lain, seperti persegi,
elips, dan lain sebagainya. Untuk membuat fluida bisa mengalir di dalam
pipa, harus ada gaya luar yang memaksa fluida mengalir. Jika fluidanya gas
gaya luar ini dihasilkan oleh blower atau fan dan jika cairan yang mengalir
maka gaya luar ini dihasilkan oleh pompa. Persamaan yang digunakan untuk
menghitung laju perpindahan panas (Q) adalah :
Q=h A ∆ T
Dimana A adalah luas penampang pipa dan ∆ T adalah perubahan suhu
yang terjadi antara fluida yang masuk dengan fluida yang keluar. Sementara
koefisien konveksi, h dihitung dengan bilangan Nusselt:
h=Nu x kD
………………………………………………………..(2.16)
Koefisien konveksi pada konveksi paksa aliran internal sedikit berbeda
dengan aliran eksternal. Pada aliran eksternal temperature fluida di luar
lapisan batas adalah sebesar T ∞ dan konstan sepanjang aliran. Pada konveksi
paksa aliran internal, yang ada adalah nilai tengah temperatur fluida atau T m
dan merupakan fungsi jarak dari sisi masuk. Tetapi nilai ini akan konstan
setelah fluida berkembang penuh. Laju perpindahan panas dari permukaan
pipa ke aliran fluida dirumuskan sebagai berikut:
q=hA (T ¿¿ s−T m)¿ …………………………………………………..(2.17)
24
2.5 Perpindahan Kalor Pada Air
Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan
temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air
tidak mengikuti pola yang biasa. Jika air pada 0oC dipanaskan volumenya
menurun sampai mencapai 4oC. Di atas 4oC air berperilaku normal dan volumenya
memuai terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa
jenis yang paling tinggi pada 4oC.
Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika kita mengamati temperatur
air di danau yang temperaturnya di atas 4oC dan mulai mendingin karena kontak
langsung dengan udara yang dingin. Air yang berada di atas permukaan danau
akan tenggelam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air
yang lebih hangat. Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap
(konstan) [9].
Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan:
P= ρgh……………………………………………………...………(2.18)
Dimana :
P = Tekanan (kg/m2)
ρ = massa jenis zat cair (dianggap konstan) kg/m3
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedalaman permukaan air danau (m)
ρ3 Permukaan danau P3 h3
ρ2 Tengah danau P2 h2
ρ1 Dasar Danau P1 h1
Maka: ρ1> ρ2> ρ3 ; P1> P2> P3 dan h3> h2> h1
Dari keterangan di atas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu
berada pada bagian pemukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas
lebih kecil daripada massa jenis air dingin, dengan sendirinya air panas akan
berada pada permukaan.
2.6 Kalor Laten dan Kalor Sensibel
25
2.6.1 Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi
tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya [20]. Hal ini terjadi
bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair
(mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat
padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang
diperlukan untuk merubah fasa dari materi bermassa m adalah :
QL=m Le ................................................................................(2.19)
Dimana, QL = Kalor laten zat (J)
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
m = Massa zat (kg)
2.6.2 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut
merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat
diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka
dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai
panas sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan
atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik
atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut [21].
Qs=mC p ∆ T ...................................................................................(2.20)
Dimana, Qs = Kalor sensibel zat (J)
m = Massa zat (kg)
CP = kalor spesifik (J/kg K)
ΔT = perubahan temperatur (K)
26
Gambar 2.8 Grafik fasa suatu materi
Dari grafik di atas, jika sebuah materi berupa padatan berada di titik A
diberikan kalor secara terus menerus maka yang terjadi adalah materi
tersebut mengalami kenaikan suhu sehingga menjadi padatan bersuhu pada
titik B. Kalor yang dibutuhkan dari titik A ke titik B inilah yang dinamakan
dengan kalor sensibel.
Jika materi padatan yang bersuhu di titik B tersebut masih diberikan kalor,
maka suhu materi tersebut tidak mengalami kenaikan suhu hingga di titik C.
Namun, padatan tersebut akan mencair sehingga menjadi cairan yang
memiliki suhu yang sama pada titik B dan C. Kalor yang dibutuhkan dari
titik B ke titik C inilah yang dinamakan dengan kalor laten.
2.7 Stearic Acid
Penyimpanan energi bisa dilakukan dalam bentuk panas sensibel, panas
laten, atau hasil energi kimia yang dapat balik ( reversibel). Energi yang disimpan
tersebut tidak hanya digunakan untuk memanaskan suatu fluida, tetapi juga
mampu untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur suatu fluida agar
tetap konstan. Penyimpanan energi kimia belum digunakan secara praktis. Hal ini
disebabkan biaya dan penggunaannya memerlukan perhatian khusus. Saat ini,
penelitian tentang material penyimpan panas dipusatkan pada panas sensibel dan
panas laten.
27
Material yang digunakan sebagai PCM harus memiliki panas laten yang
besar dan konduktivitas termal yang tinggi. PCM tersebut juga harus memiliki
temperatur titik cair yang bekerja pada rentang temperatur yang diizinkan, reaksi
kimia yang stabil, biaya rendah, tidak beracun, dan tidak menyebabkan korosi.
PCM diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu organik dan non organik
[20]. PCM organik merupakan PCM dari golongan hidrokarbon, asam/ ester atau
garam, alkohol, freon, dan polimer. Keuntungan penggunaan PCM organik adalah
sifat fisik dan kimia yang stabil dan perilaku termal material yang baik. Kerugian
penggunaan PCM ini adalah konduktivitas termal rendah, massa jenis rendah, titik
lebur rendah, kelembaban tinggi, mudah terbakar, dan perubahan volume.
PCM non organik merupakan campuran unsur metal pembentuk garam.
Keuntungan penggunaan PCM non organik adalah penyimpanan energi yang
tinggi, konduktivitas termal tinggi, dan tidak mudah terbakar. Kerugian
penggunaan PCM ini adalah mudah menyebabkan pengkaratan, pemisahan unsur
ketika terjadi perubahan fasa, dan penurunan suhu yang drastis.
Tabel 2.2 Beberapa jenis PCM [20]
Peoperties Mg(NO3).6H2O Stearic Acid Acetamide Acetanilide Erythritol
Melting temperature (0C) 89 55,1 82 118,9 118,0
Laten heat of fusion (kJ/kg) 162,8 160 263 222 339,8
Density (kg/m3)
Solid 1636 965 1159 1010 1480
Liquid 1550 848 998 1020 1300
Spesific heat (kJ/kg.0C)
Solid 1,84 1,6 1,94 2,0 1,38
Liquid 2,51 2,2 1,94 2,0 2,76
Thermal conductivity
Liquid (W/m.0C) 0,490 0,172 0,5 0,5 0,326
28
Asam lemak adalah asam alkanoat atau asam karboksilat berderajat tinggi
(memiliki rantai karbon lebih dari 6) dengan rumus kimia R-COOH or R-CO2H.
Umumnya asam lemak berfase cair atau padat pada suhu ruang (27 °C). Semakin
panjang rantai karbon penyusunnya, semakin mudah membeku dan juga semakin
sukar larut. Asam lemak dibedakan menjadi asam lemak jenuh dan asam lemak
tak jenuh. Asam lemak dapat bereaksi dengan senyawa lain membentuk
persenyawaan lipida.
Tabel 2.3 Contoh-contoh dari asam lemak jenuh [22]
Nama asam Struktur Sumber
Butirat
Palmitat
Stearat
CH3(CH2)2CO2H
C
H3(CH2)14CO2H
CH3(CH2)16CO2H
Lemak susu
Lemak hewani/ nabati
Lemak hewani/ nabati
Tabel 2.4 Contoh-contoh dari asam lemak tak jenuh [22]
Nama asam Struktur Sumber
Palmitoleat
Oleat
Linoleat
linolenat
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7CO2H
CH3(CH2)7CH=CH(CH2) 7CO2H
C
H3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2H
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2=CH
(CH2) 7CO2H
Lemak hewani/ nabati
Lemak hewani/ nabati
Minyak nabati
Minyak biji rami
29
Stearic acid atau asam oktadekanot merupakan salah satu jenis asam lemak
yang memiliki gugus 18 atom karbon. Asam stearat adalah asam lemak jenuh,
yang berarti molekul terdiri dari rantai panjang atom karbon terikat bersama oleh
ikatan tunggal dan dengan dua atom hidrogen terikat satu sama dari atom karbon
internal.
2.7.1 Sifat Fisik dan Kimia Stearic Acid
Asam stearat merupakan padatan pada temperatur ruang. Padatan tersebut
berupa butiran seperti gula pasir yang berwarna putih seperti lilin. Asam
stearat tidak larut dalam air. Asam stearat akan mencair pada suhu 69,5˚ C
dan mendidih pada suhu 361 ° C. Massa jenis dari asam stearat adalah 0,847
g/cm3. Kalor jenis solid dan liquid masing-masing adalah 1763 J/kg.K dan
2359,42 J/kg.K . Asam stearat memiliki kalor lebur 198,9 kJ/kg [23].
Gambar 2.9 Wujud fisik stearic acid
Struktur kimia asam stearat adalah CH3(CH2)16CO2H ( Gambar 2.10). Dari
struktur kimia tersebut menunjukkan bahwa asam stearat terdiri dari 18
atom karbon, 36 atom hidrogen , dan 2 atom oksigen. Massa molekul atom
relatif asam stearat adalah 284,5.
30
Gambar 2.10 Struktur kimia stearic acid
2.7.2 Penggunaan Stearic Acid
Pengguanaan Stearic acid di dunia industri sangat besar. Beberapa
penggunaan stearic acid antara lain adalah :
1) Pembuatan detergen, sabun, dan kosmetik
Asam stearat terutama digunakan dalam produksi deterjen, sabun, dan
kosmetik seperti sampo. Sabun tidak dibuat langsung dari asam stearat,
tetapi secara tidak langsung dengan saponifikasi dari trigliserida terdiri dari
ester asam stearat. Ester dari asam stearat dengan etilen glikol , glikol
stearat dan distearate glikol digunakan untuk menghasilkan efek mutiara
dalam shampo, sabun, kosmetik dan produk lainnya. Deterjen diperoleh dari
amida dan turunannya alkylammonium kuartener dari asam stearat.
2) Pembuatan lilin
Kebanyakan lilin dibuat dari hasil fraksi minyak bumi yang dikenal dengan
lilin parafin. Namun, lilin juga dapat dibuat dari asam stearat. Penggunaan
stearat acid sebagai lilin masih jarang karena harganya jauh lebih mahal
dibandingkan dengan lilin parafin.
3) Pelunakan tekstil dan karet
Asam stearat digunakan dengan minyak jarak untuk melunakkan produk
tekstil. Campuran tersebut dipanaskan dan dicampur dengan soda api. Selain
itu, garam turunan dari asam stearat digunakan sebagai bahan kimia yang
31
digunakan untuk mendapatkan efek slip dalam produksi ban mobil dan
melunakkan PVC.
32