Mechanical Engineering Ismanto Alpha's
Sabtu, 05 Desember 2009
Perpindahan Panas
PERPINDAHAN PANAS
Perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi pasti terjadi pada keseluruhan alat penukar kalor, walaupun analisis perpindahan panas yang paling berpengaruh pada kolektor surya adalah radiasi akan tetapi perpindahan panas konduksi dan konveksi juga berperan penting dalam perancangan kolektor surya.
1. Konduksi adalah perpindahan energi dari energi yang besar keenergi yang lebih kecil dari partikel material dalam interaksi antara partikel tersebut. Dari serentetan percobaan sederhana. Fourier telah memberikan sebuah modelmatematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematika tersebut adalah :
dengan : A = luas penampang
ΔT = beda suhu
Δx = beda jarak (panjang )
k = konduktivitas (daya hantar) panas
Daya hantar termal adalah karakteristik dari bahan dan perbandingan k/Δx dikenal dengan sebutan konduktansi atau hantaran termal. Elektron bebas didalam struktur logam juga mempertinggi daya hantar termalnya. Penghantar listrik yang baik biasanya juga sebagai penghantar panas yang baik.
2. Konveksi
Perpindahan panas konveksi dibagi menjadi dua menurut asal alirannya. Konveksi paksa ketika aliran disebabkan oleh gaya luar, seperti kipas, pompa, atau angin. Dan konveksi alami dimana alirannya disebabkan oleh gaya apung, ini terjadi karena perbedaan kerapatan karena variasi temperatur fluida . Newton pada tahun 1701, telah menjelaskan secara matematik sebagai berikut :
3. Radiasi
Radiasi termal adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektormagnetik yang dapat dibawa sampai jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium [Raldi Artono, 2002]. Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang gelombang. Maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut.
Ebb= σT4
Persamaan ini disebut hukum stefan-boltzmann. Ebb ialah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas radiator ideal dan σ ialah konstanta stefan-boltzmann( 5,669 x 10-5 W/m2. K4). Bila Ebb dalam watt per meter persegi, maka T adalah derajat K. Subskripp bb dalam persamaan menandakan disini radiasi dari benda hitam(blackbody). Hal ini radiasi benda hitam karena bahan yang mematuhi hukum ini tampaknya hitam dimata: benda hitam karena tidak memantulkan radiasi. Jadi benda hitam ialah juga benda yang menyerap seluruh radiasi yang menimpanya. Ebb disebut daya emisi (emissive power) benda hitam.
Permukaan dari benda hitam adalah permukaan yang paling ideal dan mempunyai sifat-sifat:
1. Benda hitam menyerap semua radiasi yang datang tanpa melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar(bersifat diffuse)
2. Pada semua temperatur dan panjang gelombang yang diijinkan tidak ada permukaan yang dapat menghasilkan energi yang lebih banyak daripada benda hitam.
3. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi dari panjang gelombang dan temperatur tetapi tidak tergantung kepada arah datangnya sinar.
Macam-Macam Kolektor Surya
Kolektor
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 : [Duffie John A., dan William A. Beckman, 1991]
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
Klasifikasi Kolektor Surya
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) Flat-Plate Collectors
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)
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. (Duffie, 1991)
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
2) Concentrating Collectors
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperature 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 absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.
3) Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya 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.
Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [Duffie John A., dan William A. Beckman, 1991]
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
Klasifikasi Kolektor Surya
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) Flat-Plate Collectors
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)
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. (Duffie, 1991)
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 1. Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana
2) Concentrating Collectors
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperature 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 absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.
Gambar 2 . Konsentrator
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 4000C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.3) Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya 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 3. Evacuated Receiver
