i

PERANCANGAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA

KAPASITAS 25 LITER

TUGAS AKHIR

BIDANG KONVERSI ENERGI

Diajukan kepada

Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan

Program Sarjana Teknik (S1)

Oleh :

ZAINUDDIN

09510002

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2014

ii

Poster

iii

LEMBARAN PENGERAHAN

TUGAS AKHIR

Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk Memenuhi Satu Syarat Memperoleh

Gelar Sarjana Teknik Mesin

Disusun Oleh :

Zainuddin

NIM : 09510002

Yang telah disahkan oleh :

Dosen Pembimbing I Pembimbing II

(Ir. Hery Mujayin Kholik, MT) (Ir. Ali Saifullah, MT)

Mengetahui

Ketua Jurusan Teknik Mesin

(Ir. Mulyono, MT)

iv

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR

Nama : Zainuddin

Nim : 09510002

Bidang Keahlian : Konvesi Energi

No. ST. Pemb. TA : E.2/106/FT/III/2013

Judul : Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas

25 Liter Air

Pembimbing I : Ir. Hery Mujayin Kholik, MT

No. Catatan Asistensi Paraf

Dosen Pembimbing I

1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I

2 ACC Bab I

3 Konsultasi Bab II

4 ACC Bab II

5 Konsultasi Bab III

6 ACC Bab III

7 Konsultasi Bab IV

8 ACC Bab IV

9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil

10 ACC Bab V dan Seminar Hasil

Mengetahui :

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Mulyono, MT

Malang, 23 Januari 2014

Dosen Pembimbing I

Ir. Hery Mujayin Kholik, MT

v

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR

Nama : Zainuddin

Nim : 09510002

Bidang Keahlian : Konvesi Energi

No. ST. Pemb. TA : E.2/106/FT/III/2013

Judul : Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Kapasitas

25 Liter Air

Pembimbing II : Ir. Ali Saifullah, MT

No. Catatan Asistensi Paraf

Dosen Pembimbing II

1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I

2 ACC Bab I

3 Konsultasi Bab II

4 ACC Bab II

5 Konsultasi Bab III

6 ACC Bab III

7 Konsultasi Bab IV

8 ACC Bab IV

9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil

10 ACC Bab V dan Seminar Hasil

Mengetahui :

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Mulyono, MT

Malang, 23 Januari 2014

Dosen Pembimbing II

Ir. Ali Saifullah, MT

vi

LEMBAR SURAT PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah :

Nama : Zainuddin

Nim : 09510002

Tempat/Tanggal Lahir : Telaga Itar, 25 Juli 1990

Jurusan : Teknik Mesin

Fakultas : Teknik

Instansi : Universitas Muhammadiyah Malang

Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa :

Sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga

Surya” Yang diajukan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang, sejauh yang saya

ketahui bukan merupakan duplikasi (“PLAGIASI”) dari skripsi yang sudah

dipublikasikan dan / atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di

lingkungan Universitas Muhammadiyah Malang atau instansi manapun, kecuali

bagian yang sumber informasinya saya kutipan dan daftar pustaka sebagaimana

mestinya.

Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk

digunakan sebagaimana mestinya.

Malang, 23 Januari 2014

Yang Menyatakan,

Zainuddin

vii

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji dan syukur kepada kehadirat Allah SWT yang

mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas

akhir dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya” ini akhirnya

dapat terselesaikan.

Seiring penyusunan skripsi ini, terdapat hambatan dan rintangan yang

dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa

ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ungkapkan terima kasih

atas jasa baik yang selama ini telah diterima, baik nasehat, petunjuk, ide, saran,

serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan sekripsi

ini. Ungkapan terimaksih tersebut disampaikan kepada :

1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non

materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan-pesannya yang tak akan

terlupakan.

2. Bapak Ir. Hery Mujayin Kholik. MT. Selaku Dosen Pembimbing I yang telah

memberikan bimbingan serta arahan secara intensif selama penyusunan

sekripsi ini dilakukan.

3. Bapak Ir. Ali Saifullah. MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah

memberikan masukan ide, serta saran dan cara-cara penulisan sehingga

terselesaikannya sekripsi ini.

4. Bapak Ir. Herry Supriyanto. MT yang telah bersedia memberikan bantuan

berupa bimbingan teoritis seara langsung maupun tidak langsung.

5. Teman-teman sebimbingan, rekan-rekan laboraturium di lingkungan Teknik

Mesin, serta teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2009 A,B dan C.

viii

6. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terimakasih banyak atas bantuan

kalian semuannya.

Dalam penyusunan sekripsi ini tentunya terdapat kekurangan yang tidak

terbahas. Oleh sebab itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun akan

sangat diharapkan untuk pengembangan teknologi terkait. Semoga ALLAH SWT

memberikan sifat rahim Nya kepada semua pihak yang tersebut diatas dan

penyusun berharap semoga sekripsi ini bermanfaat bagi penyusun dan pembaca.

ix

DAFTARI ISI

COVER .............................................................................................................. i

POSTER ............................................................................................................. ii

LEMBARAN PENGESAHAN SKRIPSI ....................................................... iii

LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR ................................................. iv

LEMBARAN PERYATAAN .......................................................................... v

BERITA ACARA ............................................................................................. vi

ABSTRAK ........................................................................................................ vii

KATA PENGANTAR ...................................................................................... viii

DAFTAR ISI ...................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xii

I. PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................... 2

1.3 Tujuan Perancangan ................................................................................ 3

1.4 Batasan Masalah...................................................................................... 3

1.5 Manfaat ................................................................................................... 3

1.6 Konsep Desain ........................................................................................ 4

II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 6

2.1 Pemanas Air Tenaga Surya .................................................................... 6

2.2 Perpindahan Panas Radiasi ..................................................................... 8

2.3.1 Sifat Sifat Radiasi ........................................................................... 10

2.3.2 Laju Perpindahan Panas Radiasi .................................................... 12

2.3 Perpindahan Panas Konduksi .................................................................. 13

2.3.1 Konduksi Bidang Datar ................................................................. 14

2.3.2 Konduksi Bidang Silinder ............................................................. 16

2.4 Perpindahan Panas Konveksi .................................................................. 17

2.4.1 Konveksi Bebas ............................................................................. 18

2.4.1.1 Konveksi Bebas Bidang Silinder ...................................... 21

2.4.1.2 Konveksi Bebas Ruang Tertutup ...................................... 22

2.4.2 Konveksi Paksa ............................................................................. 23

2.4.2.1 Aliran didalam Pipa ........................................................... 23

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ............................................ 25

2.6 Tinjauan Mekanika Fluida ..................................................................... 28

2.7.1 Bilangan Reynolds ........................................................................ 29

2.7.2 Jenis jenis Aliran Fluida ............................................................... 30

III. METODOLOGI .......................................................................................... 32

3.1 Metode Pengumpulan Data .................................................................... 32

3.2 Skema Gambar Rancangan .................................................................... 33

3.3 Pemilihan Spesifikasi Bahan .................................................................. 34

3.4 Perhitungan Perancangan ....................................................................... 36

3.4.1 Aliran Fluida pada Tabung Penampung ........................................ 36

x

3.4.2 Perpindahan Panas pada Kaca Penutup ......................................... 36

3.4.3 Perpindahan Panas pada Pipa Sirkulasi Air .................................. 37

3.5 FlowChart Perancangan ......................................................................... 38

IV. PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN .................................................. 39

4.1 Perhitungan Aliran Fluida di dalam Tabung Penampung ...................... 39

4.1.1 Perhitungan Diameter Tabung Penampung .................................. 39

4.1.2 Menghitung Luas Penampang Pipa Keluar Tabung ..................... 40

4.1.3 Menghitung Kecepatan Air Keluar Tabung .................................. 41

4.1.4 Menghitung Debit Aliran air didalam Pipa ................................... 42

4.1.5 Menghitung Laju Aliran Massa .................................................... 42

4.1.6 Menentukan Jenis Aliran di dalam Pipa Kolektor ........................ 43

4.2 Perancangan Kolektor ............................................................................ 44

4.2.1 Menghitung Pipa Kolektor ............................................................ 44

4.2.2 Menghitung Luas Kerangka Pipa Kolektor ................................... 46

4.3 Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor ..................................... 46

4.3.1 Perpindahan Panas Pada Kaca Penutup ........................................ 46

4.3.1.1 Perhitungan Temperatur permukaan Kaca ........................ 46

4.3.1.2 Perhitungan Temperatur dinding dalam Kaca ................... 47

4.3.1.3 Perhitungan Laju Aliran Panas Konduksi ......................... 48

4.3.1.4 Perhitungan Perpan Konveksi Ruang Kolektor ................ 49

4.3.1.5 Perhitungan Perpindahan Panas Menyeluruh .................... 51

4.3.2 Perpindahan Panas pada Pipa Sirkulasi Air .................................. 53

4.3.2.1 Perhitungan Temperatur Pemukaan Pipa .......................... 53

4.3.2.2 Perhitungan Temperatur dinding Pipa dalam .................... 54

4.3.2.3 Perhitungan Temperatur Air Keluar .................................. 55

4,3.2.4 Perhitungan Laju Perpindah Konveksi pada Pipa ............. 56

4.3.2.6 Perhitungan Laju Perpindahan Panas Menyeluruh ........... 57

4.4 Perhitungan Waktu untuk Memanaskan Air .......................................... 60

V. PENUTUP .................................................................................................... 62

5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 62

5.2 Saran ........................................................................................................ 63

VI. DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 64

VII. LAMPIRAN

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 : Konsep pemanas air tenaga surya sirkulasi pipa spiral ................ 4

Gambar 2.1 : Pemanas air tenaga surya pelat datar ............................................ 6

Gambar 2.2 : Spektrum elektromagnetik ............................................................ 9

Gambar 2.3 : Sifat radiasi pada permukaan benda .............................................. 11

Gambar 2.4 : Spekuar dan refleksi difusi ............................................................ 12

Gambar 2.5 : Konduksi bidang datar 1 demensi ................................................. 14

Gambar 2.6 : Konduksi bidang datar berlapis ..................................................... 15

Gambar 2.7 : Aliran kalor satu-demensi melalui silinder ................................... 16

Gambar 2.8 : Perpindahan kalor konveksi dari suatu pelat ................................. 18

Gambar 2.9 : Pola sel Benard pada laipasan fluida tertutup ............................... 22

Gambar 2.10 : Perpindahan kalor menyeluruh pada silinder .............................. 24

Gambar 2.11 : Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar ................ 26

Gambar 2.12 : Perpindahan kalor menyeluruh bidang silinder........................... 27

Gambar 2.13 : Aliran laminar ............................................................................. 29

Gambar 2.14 : Aliran turbulen ............................................................................ 30

Gambar 2.15 : Aliran transisi .............................................................................. 30

TABEL

Tabel 3.2 : Data radiasi matahari bulanan 2013 (BMKG) ............................ 32

xii

DAFTAR PUSTAKA

J.P Holman, 1984. Perpindahan Kalor edisi kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta.

Ted J. Jasen, 1995. Teknologi Rekayasa Surya, Penerbit PT. Pradnya Paramita,

Jakarta.

Yunus A. Cengel, 2002, Heat Transfer A Practical Approach Second Edition,

Solution Manual to Acompany, McGraw-Hill.

Copper Development Association, 2010. The Copper Tube Handbook, 260

Madison Avenue, New York, NY 10016-2401.

Ullrich Alumunium, Standard Aluminium Extrusion And Rolled Product Listing,

New Zealand.

Prof Dr. Ir. Rudy Soenoko, M. Eng Sc & Ir, I. Made Gunadiarta, MT, 2009.

Mekanika Fluida Jilid 1, Penerbit Asori, Malang.

Ranald V Giles, Ir Herman Widodo Soemitro, 2002. Mekanika Fluida dan

Hidrolika, Penerbit Erlangga, Jakarta.

K Gieck, 1985. R. Slamet Brotodirejo, Heryanto Slamet,1989. Kumpulan Rumus

Teknik, Penerbit Pradnya Paramita, Jakarta.

Victora L. Streeter, E. Benjamin Wylie, Arko Prijono M,S,E, 1996. Mekanika

fluida jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta.

Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, 2004. Termodinamika Teknik Jilid 1 edisi

4, Penerbit Erlangga, Jakarta.