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