i

PERANCANGAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA

DENGAN PIPA BERBENTUK ‘’U’’

TUGAS AKHIR

BIDANG KONVERSI ENERGI

Diajukan kepada

Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan

Program Sarjana Teknik (S1)

Oleh :

ALFIAN FERDYANA MARTHA

09510014

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2014

ii

iii

iv

v

vi

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayah-Nya untuk laporan Tugas

Akhir dengan judul “Perancangan Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Pipa

Berbentuk “U” ini akhirnya dapat terselesaikan.

Dalam penyusunan laporan ini penulis menyampaikan terimakasih yang

sebanyak-banyaknya kepada:

1. Kedua Orang Tua yang selama ini memberikan dukungan materi, moril, spirit

dan semangat untuk menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Ali Mokhtar, Ir. MT , selaku Pembimbing I terima kasih atas pengarahan

secara lisan maupun teori dalam menyelesaikan tugas akhir.

3. Bapak Budiono, S.Si, MT , Selaku Pembimbing II dan Wakil Jurusan Teknik

Mesin terima kasih atas pengarahan secara lisan maupun teori dalam

menyelesaikan tugas akhir.

4. Bapak Daryono, Ir. MT , selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.

5. Semua Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin yang tidak bisa saya sebut

satu per satu atas pengajaran ilmu yang diberikan.

6. Semua staff karyawan Jurusan Teknik Mesin.

7. Semua Keluarga besar saya, terima kasih atas dukungannya dan motivasinya.

8. Buat teman-teman Jurusan Teknik Mesin terima kasih atas dukungannya dan

motivasinya selama ini.

viii

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

kalian semuannya.

Penyusunan laporan ini telah diusahakan semaksimal mungkin namun masih

terdapat kekurangannya untuk itu kritik dan saran sangat penyusun harapkan. Semoga

Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat.

Malang, 05 Agustus 2014

Penulis

ix

DAFTARI ISI

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

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

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ................................................ iii

LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR ....................................................... iv

SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT ................................................ vi

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

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

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

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

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xii

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

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

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................... 3

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

1.4 Manfaat ................................................................................................... 4

1.5 Batasan Masalah...................................................................................... 4

1.6 Konsep Desain ........................................................................................ 5

II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 8

2.1 Radiasi Surya ......................................................................................... 8

2.2 Radiasi Dari Permukaan Yang Bertingkah Laku Seperti Benda Hitam . 12

2.2.1 Emisi Permukaan ........................................................................... 12

2.2.2 Absorpsitivitas ............................................................................... 12

2.2.3 Transmisivitas ............................................................................... 12

2.3 Kondisi Kekasaran Dan Sudut Permukaan ............................................. 13

2.3.1 Tipe Specular ................................................................................ 13

2.3.2 Tipe Lambertian ............................................................................ 14

2.3.3 Tipe Corner Reflector ................................................................... .15

2.4 Perpindahan Panas ................................................................................. 15

2.4.1 Konduksi ....................................................................................... 15

2.4.2 Konveksi ....................................................................................... 18

2.4.3 Radiasi ........................................................................................... 19

2.5 Properti – Properti Material ................................................................... 21

2.6 Sistem Pemanas Air Tenaga Surya ........................................................ 23

2.7 Menentukan Karakteristik Dan Parameter Kolektor .............................. 25

2.7.1 Menentukan Laju Konduksi Kalor ................................................ 25

2.7.2 Menentukan Perpindahan Panas Konveksi ................................... 25

2.7.3 Menentukan Perpindahan Panas Radiasi ...................................... 26

2.8 Performansi Kolektor ............................................................................. 26

x

2.8.1 Energi Panas Yang Diserap Oleh Air ............................................ 26

2.9 Parameter Rancangan Solar Collector ................................................... 27

III. METODE PERANCANGAN ..................................................................... 30

3.1 Perhitungan Perpindahan Panas Yang Terjadi ....................................... 30

3.2 Perpindahan Panas Dan Parameter Kolektor ......................................... 31

3.3 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 33

3.4 Diagram Alir Perancangan ..................................................................... 35

IV. PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN .................................................. 36

4.1 Perhitungan Aliran Fluida di dalam Tabung Penampung ...................... 36

4.1.1 Perancangan Tabung Penampung Air ........................................... 37

4.1.2 Kecepatan Aliran Air Dalam Pipa ................................................. 38

4.1.3 Laju Aliran Massa ......................................................................... 39

4.1.4 Menentukan Jenis Aliran Air Dalam Pipa Kolektor ..................... 40

4.2 Perancangan Pipa Kolektor .................................................................... 41

4.2.1 Luas Permukaan Pipa Kolektor ..................................................... 41

4.2.2 Luas Penampang Pipa ................................................................... 42

4.2.3 Luas Permukaan Keseluruhan Pipa ............................................... 42

4.3 Perancangan Kolektor ............................................................................ 42

4.3.1 Luas Penampang Kolektor ............................................................ 42

4.4 Perhitungan Besar Energi Surya ............................................................ 44

4.4.1 Menghitung Besar Energi Yang Dihasilkan Surya ....................... 44

4.4.2 Menghitung Besar Temperatur Permukaan Kaca ......................... 46

4.4.3 Perhitungan Temperatur Dinding Bagian Dalam Kaca ................ 47

4.4.4 Perhitungan Laju Aliran Panas Konduksi Melewati Kaca ............ 49

4.4.5 Perhitungan Perpindahan Panas Konveksi Pada Ruang Kolektor . 50

4.4.6 Perhitungan Perpindahan Panas Menyeluruh ................................ 51

4.5 Perpindahan Panas Pada Pipa ................................................................. 53

4.5.1 Perhitungan Temperatur Permukaan Pipa ..................................... 53

4.5.2 Perhitungan Temperatur Dinding Pipa Bagian Dalam .................. 55

4.5.3 Perhitungan Koefisien Konveksi ................................................... 56

4.5.4 Perhitungan Laju Perpindahan Panas Menyeluruh ....................... 58

4.6 Perhitungan Waktu untuk Memanaskan Air .......................................... 60

V. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 62

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

5.2 Saran ........................................................................................................ 62

VI. DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 63

VII. LAMPIRAN

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 4.3 : Tabel Konstanta Surya ...................................................................... 45

Tabel 4.4 : Pengaruh Radiasi Matahari Terhadap Suhu Yang Dihasilkan .......... 46

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 : Konsep pemanas air tenaga surya ................................................. 5

Gambar 2.1 : Spektrum elektromagnetik ............................................................ 10

Gambar 2.2 : Terjadinya Penyerapan Dan Transisi ............................................ 13

Gambar 2.3 : Pemantulan Tipe Specular............................................................. 14

Gambar 2.4 : Pemantulan Tipe Lambertian ........................................................ 14

Gambar 2.5 : Pemantulan Tipe Corner Reflector................................................ 15

Gambar 2.6 : Bagan Yang Menunjukkan Arah Aliran Kalor ............................. 17

Gambar 2.7 : Bagan Yang Menunjukkan Arah Aliran Kalor ............................. 17

Gambar 2.8 : Proses Konveksi ............................................................................ 18

Gambar 2.9 : Radiasi Pada Permukaan ............................................................... 20

Gambar 4.1 : Tabung Penampung Air ................................................................ 37

Gambar 4.2 : Kolektor Surya .............................................................................. 43

Gambar 4.5 : Radiasi Matahari ........................................................................... 30

Gambar 4.6 : Perpindahan Panas Konduksi Pada Kaca ...................................... 48

Gambar 4.7 : Perpindahan Kalor Menyeluruh Melalui Dinding Datar ............... 51

Gambar 4.8 : Perpindahan Panas Menyeluruh Pada Silinder Berlubang ............ 58

Gambar 4.9 : Perpindahan Panas Pada Pipa Kolektor ........................................ 54

xii

DAFTAR PUSTAKA

A.Z, Ridwan. Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas.

al, Van Koppen et. 1979. Laju Aliran Kolektor. 1979.

Alireza Hobbi, Kamran Siddiqui. 2009. Optimal Design of a Forced Circulation

Solar Water Heating System for a residential Unit in Cold Climate Using

TRNSYS, Solar Energy. 2009. 83, 700-714.

Artono, Raldi. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.

—. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.

Dalenback. 1990. Tingkat Aliran pada Kolektor Plat Datar. 1990.

Energi dan Perubahannya. Wahyono, Budi. 2011. 2011.

Ercata. 2006. Matahari sebagai sumber energi utama.

Giancoli. 2001. Fisika Jilid I. Jakarta : Erlangga, 2001.

Gilles, Ranald V. 2002. Mekanika Fluida dan Hidrolika. Jakarta : Salemba Teknik,

2002.

—. 2002. Mekanika Fluida dan Hidrolika. Jakarta : Salemba Teknik, 2002.

Govind N. Kulkarni, Shireesh B. Kedare, Santanu Bandyopadhyay. 2008.

Optimization of Solar Water Heating Systems Through Water Replenishment,

Energy Conversion and Menegement. 2008.

Hasnan. 2012. pengaruh radiasi matahari terhadap suhu yang dihasilkan.

http://bloghasnan.blogspot.com/2012/05/YOUR-FAVICON-URL..

xiii

http://geo.fis.unesa.ac.id/web/index.php/en/penginderaan-jauh/74-pemantulan-

serapan-dan-transmisi.

2008. Heat Transfer Theory. s.l. : uwinipeg.ca., 2008.

Hollands, Lightstone. 1989. Value Of Flow System. 1989.

Holman, JP. 1994. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga, 1994.

—. 1995. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga, 1995.

Klein, A. H. Fanney and S. A. 1988. Thermal Performance Comparisons for Solar

Hot Water System Subjected to Various Collector and Heat Exchanger Flow

Rates, Solar Energy. 1988. 40(1), 1-11.

Klein, W. E. Buckles and S.A. 1980. Analysis of Solar Domestic Hot Water Heaters,

Solar Energy. 1980. 417-424.

Kreider, D. Yogi Goswani dan Jan F. 1999. Jenis Sistem Pemanas Air Solar. 1999.

Kreider, Frank Kreith and Jan. F. 1978. Principles of Solar Engineering. New

York : Mc Graw Hill Book, 1978.

LOF, A. M. Shariah and G.O.G. 1997. Effect of Auxiliary Heater on Annual

Performance of Thermosyphon Solar Water Simulated Under Variable

Operating Conditions, Solar Energy. 1997. 60(2), 119-126.

Marlboro, Prince George's Boulevard Upper. Domestic Hot Water System Modeling

for The Design of Energy Efficient System. s.l. : NAHB Reserch Centre, Inc. 400

Prince George's Boulevard Upper Marlboro. MD 20774-8731.

Matilda, Yohanes, Ferdinan dan Thomas. 2003. Fistek UGM 03. 2003.

pemantulan-serapan-dan-transmisi. pemantulan-serapan-dan-transmisi.

xiv

http://geo.fis.unesa.ac.id/web/index.php/en/penginderaan-jauh/74-pemantulan-

serapan-dan-transmisi.

Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas. A.Z, Ridwan. 2012. 2012,

Pengertian Kalor dan Macam-macam Perpindahan Panas.

Ramli, Ahmad Asyraf. 2010. THEORETICAL ANALYSIS OF SOLAR WATER

HEATING SYSTEM. Malaysia : s.n., 2010.

RI, Dirjen. 1997. Data Dirjen Listrik dan Pengembangan Energi. Jakarta : Dirjen RI,

1997.

S, Donald R. P dan Leighton E. 2011. Perpidahan Kalor Edisi Kedua. 2011.

—. 2011. Perpindahan Kalor . - : -, 2011.

S, Knudsen. 2002. Consumers "Influence on the Thermal Performance of Small

SDHW System-Theoretical Investigation", Solar Energy. 2002. 73(1), 33-42.

S, Staf. D dan Campbell. 1978. Pengertian Sistem Pemanas Air (SWH). 1978.

Streeter, Victor L. 1990. Mekanika Fluida Jilid 2. Jakarta : Erlangga, 1990.

Sularso, Pradnya Paramitha. 1994 dan 1998. Pompa dan Kompressor-Fisika untuk

sains dan Teknik_Jilid I. Jakarta : Erlangga, 1994 dan 1998.

Suprianto, Herry. 2011. Perpindahan Panas. Malang : Teknik Mesin UMM, 2011.