Yunianto, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 36-42
Uji Prestasi Air Heater pada Pelat Bergelombang Melintang dengan Variasi Kecepatan Udara Masuk
Bambang Yunianto, Sumar Hadi Suryo, Dicky Oktavian * Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: dicky19oktavian@gmail.com

## Abstract
Solar  energy  is  one  of  the  non-conventional  renewable  energy  available  freely  as  an  energy  source that provides a pollution-free fuel store. The simplest and most efficient way to harness solar energy is to convert it into thermal energy for heating applications using solar collectors. This study discusses the difference in efficiency between plate collector with flat shape and plate with crossed corrugated form.  The  modification  of  the  heat  absorber  plate  is  carried  out  to  improve  the  heat  absorption efficiency.  The  methods  undertaken  to  obtain  the  results  of  this  study  are  to  find  useful  heat  values, incoming  heat,  heat  loss,  overall  heat  loss  coefficient.  The  useful  heat  is  the  heat  generated  by  the collector during the test. The incoming heat is the heat coming from the halogen lamp that is directed to the collector. The heat loss is heat that can not be maximized by the collector. The overall heat loss coefficient  is  the  heat  lost  at  the  top,  bottom  and  side  of  the  collector  and  the  efficiency  is  the performance  result  of  the  collector.  The  aim  of  this  research  is  to  get  the  temperature  result  from  3 sensors located in room, heat absorber plate and collector outlet. Then know the efficiency of the air heater collector from 7 variations of air flow rate are 2.1 m/s, 2.3 m/s, 2.4 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s, 4.5 m/s. And the last is to compare the value of collector efficiency of flat plate and crossed corrugated plate. The test results show that the higher crossed corrugated plate plates generate heat than the flat plate and the more air speed increases the efficiency will also increase.
Keywords : Flat plate, Crossed corrugated plate, Air flow rate, Temperature, Efficiency

## Abstrak
Energi  surya  merupakan  salah  satu  energi  terbarukan  non-konvensional  yang  tersedia  secara  bebas sebagai  sumber  energi  yang  memberikan  simpanan  bahan  bakar  bebas  polusi.  Cara  yang  paling sederhana  dan  paling  efisien  untuk  memanfaatkan  energi  surya  adalah  mengubahnya  menjadi  energi termal  untuk  aplikasi  pemanasan  dengan  menggunakan  kolektor  surya.  Penelitian  ini  membahas tentang  perbedaan  efisiensi  antara  kolektor  pelat  dengan  bentuk  datar  dan  pelat  dengan  bentuk gelombang  melintang.  Modifikasi  dari  pelat  penyerap  panas  tersebut  dilakukan  untuk  meningkatkan efisiensi penyerapan panas. Metode yang dilakukan untuk mendapatkan hasil dari penelitian ini adalah dengan mencari nilai panas yang berguna, panas yang masuk, panas yang hilang, koefisien panas yang hilang  secara  keseluruhan.  Panas  yang  berguna  merupakan  panas  yang  dihasilkan  oleh  kolektor  pada saat  pengujian.  Panas  yang  masuk  adalah  panas  yang  berasal  dari  lampu  halogen  yang  ditujukan  ke kolektor.  Panas  yang  hilang  adalah  panas  yang  tidak  dapat  dimaksimalkan  oleh  kolektor.  Koefisien panas yang hilang secara keseluruhan adalah panas yang hilang pada bagian atas, bawah dan samping kolektor  dan  efisiensi  adalah  hasil  kinerja  dari  kolektor.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mendapatkan hasil temperatur dari 3 buah sensor yang berada pada ruangan, pelat penyerap panas dan tempat keluar kolektor. Kemudian mengetahui efisiensi kolektor pemanas udara dari 7  variasi kecepatan udara yaitu 2.1  m/s,  2.3  m/s,  2.4  m/s,  3  m/s,  3.5  m/s,  4  m/s,  4.5  m/s.  Terakhir  adalah  membandingkan  nilai efisiensi  kolektor  pelat  datar  dan  pelat  gelombang  melintang.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa pelat  gelombang  melintang  lebih  tinggi  menghasilkan  panas  dibanding  pelat  datar  dan  semakin meningkat kecepatan udara maka efisiensi juga akan meningkat.
Kata kunci: Pelat datar, Pelat gelombang melintang, Kecepatan udara, Temperatur, Efisiensi.

## 1. Pendahuluan
Energi  dalam  berbagai  bentuk  telah  memainkan  peran  penting  dalam  kemajuan  ekonomi  dan  industri  di  seluruh dunia.  Sumber  utama  energi  ini  berasal  dari  cadangan  bahan  bakar  fosil.  Dengan  semakin  berkurangnya  bahan  bakar fosil di dunia sebagai sumber energi, mendorong dilakukan pengembangan sumber energi terbarukan non-konvensional. Energi  surya  merupakan  salah  satu  energi  terbarukan  non-konvensional  yang  tersedia  secara  bebas  sebagai  sumber energi  yang  memberikan  simpanan  bahan  bakar  bebas  polusi.  Cara  yang  paling  sederhana  dan  paling  efisien  untuk
memanfaatkan  energi  surya  adalah  mengubahnya  menjadi  energi  termal  untuk  aplikasi  pemanasan  dengan menggunakan kolektor surya [1].
Pemanfaatan  energi  surya  banyak  digunakan  dalam  pemanas  udara  surya  ( solar  air  heater )  karena  sederhana  dan murah. Aplikasi pemanas udara surya adalah sebagai pemanas ruangan, untuk mengeringkan produk industri, dan dapat digunakan secara efektif untuk pengeringan komponen bangunan yang terbuat dari beton atau tanah liat. Pemanas udara surya memiliki kelebihan dalam hal penggunaan material dan biaya yang minimal [2].
Modifikasi pada pemanas udara surya memiliki tujuan untuk menaikkan nilai efisiensi termal. Ada dua metode dasar untuk  meningkatkan  nilai  efisiensi  termal  pada  pemanas  udara  surya.  Metode  pertama  melibatkan  peningkatan  luas permukaan perpindahan panas dengan  menggunakan permukaan bergelombang ( corrugated surfaces ) atau permukaan yang  diperluas  dengan  menggunakan  sirip-sirip  ( fins )  tanpa  mempengaruhi  koefisien  perpindahan  panas  konveksi. Metode  kedua  melibatkan  peningkatan  perpindahan  panas  konveksi  dengan  menciptakan  turbulensi  di  permukaan perpindahan  panas.  Hal  ini  dapat  dicapai  dengan  memberikan  kekasaran  buatan  ( artificial  roughness )  pada  pelat penyerap  dan  pemasangan vortex  generator [3]. Material  yang  digunakan  untuk  pelat  penyerap  yaitu  jenis  logam berupa aluminium [4].
Cara  kerja  kolektor  pemanas  udara  adalah  dengan  mengumpulkan  energi  panas  dari  matahari  dengan  cara  radiasi, kemudian  panas  akan  diserap  oleh  pelat  dan  kemudian  pelat  mentransfer  energi  panas  ke  udara  dengan  bantuan  fan melalui  proses  konveksi  paksa. Pelat  penyerap  dicat  dengan  warna  hitam  untuk  menyerap  radiasi  matahari  karena warna  hitam  memiliki  nilai  emisivitas  yang  sempurna  untuk  penyerapan  radiasi.  Pelat  penyerap kemudian  dilapisi dengan  isolator  untuk  mengurangi  panas  yang  hilang  [5]. Semakin  tinggi  nilai  konduktivitas  termal  suatu  material, maka proses penyerapan panas akan semakin tinggi [6].
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  perbedaan  efisiensi  antara  kolektor  pelat  dengan  bentuk  datar  dan  pelat dengan  bentuk  gelombang  melintang.  Modifikasi  dari  pelat  penyerap  panas  tersebut  dilakukan  untuk  meningkatkan efisiensi  penyerapan  panas.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  memvariasikan  kecepatan  aliran  udara  lewat  kolektor. Sebagai  langkah  awal  penelitian  digunakan  pemanas  simulator  surya  sebagai  ganti  pemanas  dengan  energi  surya langsung.

## 2. Material dan Metode Penelitian
2.1 Alat & Bahan
Bahan yang digunakan pada pengujian kolektor pemanas udara adalah:
(a) (b)                                                (c) Gambar 1. Bahan yang digunakan: (a) Pelat, (b) Lampu Halogen dan (c) Aluminium Foil
Gambar 1(a) merupakan pelat yang berfungsi untuk menyerap panas dan sebagai pembanding yang berbentuk datar dan  gelombang  melintang berbahan  seng  untuk  menciptakan  aliran  turbulen  [7].  Gambar  1(b)  adalah  lampu  halogen digunakan  sebagai  sumber  panas  sebagai  simulator  energi  matahari  untuk  memanaskan  pelat yang  akan  dikontakkan dengan udara dalam kolektor pemanas udara karena daya dari lampu halogen mendekati dengan daya yang dipancarkan oleh matahari . Lampu halogen yang digunakan 2 buah dengan masing-masing daya 500 Watt, panas yang masuk dari lampu  halogen  menuju  pelat  penyerap  sangat  berpengaruh  pada  proses  pemanasan  berlangsung.  Gambar  1(c) Aluminium  foil digunakan  sebagai  isolator  dan  reflektor  dipasang  dibawah  pelat  penyerap  panas  dan  bagian  samping kolektor  agar  panas  yang  diserap  dapat  maksimal  dan  panas  tidak  keluar  dari  tempat  kolektor  penyerap  panas, aluminium foil digunakan karena bahan yang murah dan mudah didapatkan di pasaran. Gambar 2(a) exhaust fan digunakan untuk menghisap udara dari luar atau udara yang telah disirkulasikan ke dalam ruangan. Exhaust fan yang digunakan adalah dengan dimensi 120x120x38 mm. Spesifikasi exhaust fan yang digunakan dalam pengujian sebagai berikut merk: Happy, voltage : 220V, frequency : 50 Hz. Gambar 2(b) adalah termokopel tipe K merupakan jenis sensor temperatur yang menggunakan bahan berupa nikel-kromium, sangat akurat dalam pengukuran temperatur,  sangat  murah  dan  mudah  didapat.  Sensor  termokopel  dipasang  pada  bagian  pelat  penyerap  panas,  pada bagian  tempat  keluar  kolektor,  dan  pada  bagian  ruangan  tempat  pengujian  berlangsung.  Gambar  2(c)  modul  portabel akusisi data,  modul ini berfungsi untuk mengakusisi atau merekam data hasil pengukuran parameter oleh sensor yang
Yunianto, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 36-42
dipasang, lalu memproses data tersebut dan mengirimkan data yang sudah diproses ke komputer untuk mengetahui data parameter  yang  diambil  dan  hasil  yang  didapatkan  pada  sensor  termokopel.  Modul  portabel  ini  bertipe  USB-4718 dengan merk Advantech. Gambar 2(d) Komputer berfungsi untuk memproses data dari data portabel dan menampilkan hasil pengukuran dari penelitian yang berlangsung, komputer harus terlebih dahulu di install software yang mendukung program pengaplikasian agar hasil dari pengukuran termokopel dapat terbaca dan dilihat langsung  pada saat pengujian. Gambar  2(e)  adalah hot  wire anemometer  digunakan  untuk  mengukur  kecepatan  udara  yang  mengalir  pada  kolektor pemanas udara. hot wire anemometer yang digunakan bermerk Lutron AM-4204 dengan spesifikasi pengukuran rentang hingga  20.0  m/s,  pengukuran  suhu  operasi  hingga  50°C/122°F,  kombinasi  kawat  panas  dan  standar  termistor, memberikan pengukuran yang cepat dan tepat bahkan pada nilai kecepatan udara rendah, microprocessor circuit , dapat mengukur  satuan  m/s,  km/h,  ft/min,  knot,  dan  mile/h.  Gambar  2(f)  adalah  regulator,  fungsi  dari  regulator  yaitu  untuk mengatur  jumlah  aliran  listrik  yang  masuk  dari  sumber  listrik  melalui  rangkaian  yang  dibuat.  Tujuannya  yaitu  untuk mengatur jumlah listrik yang masuk ke exhaust fan untuk mengatur kecepatan udara yang diinginkan. Regulator yang digunakan bermerk Krisbow KW2001220 analog voltage regulator dengan daya 1 KVA dengan tipe KW2001221.
(a)
(b) (c) (d) (e)
(f)
Gambar 2. Alat yang digunakan (a). Exhaust Fan , (b). Termokopel Tipe K, (c). Modul Portabel Akusisi Data, (d). Komputer, (e). Hot Wire Anemometer & (f). Regulator

## 2.2 Metodologi Penelitian
Pada Gambar 3 proses pertama yang dilakukan adalah studi literatur dimana mencari, mencermati dan mempelajari jurnal-jurnal yang berhubungan dengan topik yang diambil, selanjutnya mulai mendesain kolektor pemanas udara yang ingin dibuat kemudian mengambil keputusan apakah jika komponen sesuai alat yang dipasaran dengan hasil desain alat yang  telah  dibuat,  jika  ya  maka  lanjut  ke  proses  penyesuaian  bentuk,  ukuran  dan  komponen  yang  tersedia  dimana mencari material, alat dan bahan yang ingin digunakan untuk membuat alat kolektor pemanas udara, jika tidak kembali mendesain  alat  kolektor  pemanas  udara.  Proses  selanjutnya  yaitu  melanjutkan  pembuatan  kolektor  pemanas  udara setelah itu  mengambil keputusan apakah alat beroperasi dengan baik, jika tidak  maka kembali  membuat alat kolektor pemanas  udara  dengan  mencari  material  dan  komponen  yang  sesuai,  jika  ya  maka  lanjut  ke  proses  pengujian  untuk memperoleh temperatur dan nilai efisiensi kolektor, jika hasil dari pengujian telah didapatkan dan hasil yang didapatkan sudah  benar  maka  setelah  itu  masuk  ke  proses  pengolahan  data  dimana  melakukan  perhitungan  pada  hasil  pengujian. Sesudahnya  dari  pengolahan  data  maka  didapatkan  hasil  dan  pembahasan  dari  pengujian  yang  dilakukan  kemudian melakukan proses pengambilan kesimpulan dan saran yang didapat pada saat pengolahan data, kemudian selesai.  Pada penelitian ini langkah-langkah penelitian mengacu pada diagram alir berikut:
Ya
Gambar 3. Diagram Alir Penelitian

## 2.3 Perhitungan yang Digunakan (a) Panas Yang Berguna
Panas yang berguna adalah panas yang berhasil dimaksimalkan kolektor dan digunakan untuk aplikasi pemanasan dinyatakan sebagai berikut [8]:
(1)
dimana:
= Laju aliran massa udara (kg/s)
= Kapasitas panas spesifik udara ( )
= Temperatur udara keluar ( o K)
Tidak Selesai Apakah Alat Beroperasi dengan Baik? T out < T ambient RH out > RH ambient Pengujian Untuk Memperoleh Nilai Temperatur dan Efisiensi Kolektor Pengolahan Data Hasil dan Pembahasan Pembuatan Kolektor Pemanas Udara Tidak Studi Literatur Desain Kolektor Pemanas Udara Mulai Apakah Komponen Sesuai Alat yang Dipasaran? Penyesuaian Bentuk dan Ukuran dan Komponen yang Tersedia Kesimpulan dan Saran Ya
Yunianto, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 36-42

## = Temperatur udara masuk ( o K)

## (b) Panas Yang Masuk
Panas  yang  masuk  adalah  panas  yang  berasal  dari  lampu  halogen  yang  masuk  menuju  pelat  penyerap  panas dinyatakan sebagai berikut [9]:
(2)
dimana:
= Faktor bentuk permukaan
= Daya lampu halogen (Watt)

## (c). Panas Yang Hilang
Panas  yang  hilang  pada  kolekor  pemanas  udara  tersebut  terjadi  pada  3  bagian,  yaitu  panas  hilang  pada  bagian bawah kolektor, panas hilang pada bagian atas kolektor, dan panas hilang pada bagian samping kolektor, rumus panas yang secara keseluruhan dinyatakan sebagai berikut [8]:
(3)
dimana :
= Panas yang masuk (Watt)
= Panas yang berguna (Watt)

## (d). Efisiensi
Analisa  tentang  kinerja  alat  terhadap  hasil  data  temperatur  yang  dihasilkan,  menentukan  perfomansi  alat  kolektor pemanas udara. Perfomansi kolektor pemanas udara disebut efisiensi, yang dinyatakan sebagai berikut [10]:
(4)
dimana:
= panas yang berguna pada proses kolektor pemanas udara (Watt)
= panas yang masuk ke kolektor pemanas udara (Watt)
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Hasil Pengujian Pelat Datar
Grafik efisiensi yang didapatkan pada pelat datar pada kecepatan 2.1 m/s, 2.3 m/s, 2.4 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s dan 4.5 m/s.
Yunianto, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 36-42
Gambar  4  menunjukkan  hubungan  antara  efisiensi  pelat  datar  terhadap  kecepatan  aliran  udara.  Dapat  dianalisa semakin  bertambahnya  kecepatan  aliran  udara  maka  efisiensi  dari  pelat  datar  akan  semakin  meningkat.  Tetapi  ada  di kecepatan  aliran  udara  tertentu  efisiensi  menjadi  turun  hal  ini  disebabkan  oleh  pengaruh  besar  panas  yang  berguna menurun. Contohnya pada kecepatan 2.3 m/s ke 2.4 m/s efisiensi menurun sebesar 1% dan pada kecepatan 3.5 m/s ke 4 m/s efisiensi menurun sebesar 5,3%.

## 3.2 Hasil Pengujian Pelat Gelombang Melintang
Grafik efisiensi yang didapatkan pada pelat gelombang melintang pada kecepatan 2.1 m/s, 2.3 m/s, 2.4 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s dan 4.5 m/s.
Gambar 5. Grafik Efisiensi Pelat Gelombang Melintang
Gambar  5  menampilkan  hubungan  antara  efisiensi  pelat  gelombang  melintang  terhadap  kecepatan  aliran  udara, dapat  dilihat  semakin  meningkatnya  kecepatan  aliran  udara  maka  efisiensi  dari  pelat  gelombang  melintang  akan semakin meningkat. Kenaikkan efisiensi tertinggi terjadi pada kecepatan 2.4 m/s ke 3 m/s yaitu sebesar 10,7 %.

## 3.3 Hasil Perbandingan Efisiensi Pelat Datar dan Pelat Gelombang Melintang
Grafik perbandingan efisiensi yang didapatkan pada pelat datar dan gelombang melintang pada kecepatan 2.1 m/s, 2.3 m/s, 2.4 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s dan 4.5 m/s.
Gambar 6. Grafik Perbandingan Efisiensi Pelat Datar dan Gelombang Melintang
Gambar  6  dapat  dilihat  efisiensi  tertinggi  pelat  datar  yakni  sebesar  85,6%  dan  efisiensi  tertinggi  pada  pelat gelombang melintang sebesar 96,8 % pada kecepatan udara 4.5 m/s. Sehingga dapat dianalisa efisiensi yang terjadi pada masing-masing  pelat  berbanding  lurus  terhadap  kecepatan  udara  walaupun  kenyataannya  garis  yang  terbentuk  tidak linier  sempurna.  Faktor  terjadi  penurunan  efisiensi  disebabkan  oleh  kecepatan  yang  tidak  selalu  konstan  dan dipengaruhi oleh temperatur ruangan, pelat dan keluar kolektor  mengakibatkan hasil efisiensi menjadi naik turun, dan juga dipengaruhi oleh posisi peletakan sensor yang kurang baik sehingga menimbulkan kesalahan pengukuran.

## 4. Kesimpulan
Pengujian  pada  pelat  datar  dapat  menghasilkan  temperatur  pada  pelat  tertinggi  sebesar  90 o C,  untuk  pelat gelombang  melintang  temperatur  pada  pelat  tertinggi  sebesar  97 o C,  untuk  temperatur  ruangan  tertinggi  pada  saat melakukan  pengujian  kedua  pelat  tersebut  sebesar  32 o C  dan  untuk  temperatur  keluar  kolektor  tertinggi  pada  saat pengujian  pelat  datar  adalah  sebesar  47 o C  dan  untuk  pelat  gelombang  melintang  sebesar  50 o C.  Jika  variasi  laju kecepatan udara meningkat maka efisiensi dari kolektor juga akan meningkat, efisiensi tertinggi yang diperoleh pelat datar  adalah  sebesar  85,6%  dan  pada  pelat  gelombang  melintang  sebesar  96,8%.  Pelat  gelombang  melintang menghasilkan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan pelat datar.

## Daftar Pustaka
[1]   Chabane, F., Moummi, N., Benramache, S., Bensahal, D. and Belahssen, O. 2013, “Collector Efficiency by Single Pass of Solar Air Heaters with and without Using Fins”, Engineering Journal , vol. 17, no. 3, pp. 1-13.
[2]   Koolnapadol,  N.,  Promvonge,  P.  and  Skullong,  S.  2017, “ Performance  Assessment  of  Solar  Air  Heater  Duct Roughened With Perforated-Winglet Vortex Generators”. International Journal of Smart Grid and Clean Energy , vol. 6, no. 1, pp. 31–39.
[3]   Anil, S, Y., Manish, K, T. 2016, “Artificially Roughened Solar Air Heater: A Comparative Study”. International Journal of Green Energy , vol. 13, no. 2, pp. 143-172.
[4]   Pal,  V.,  Rai,  K,  A.,  Sachan,  V.  2015,  “Performance  Study  Of  Solar  Air  Heater ”.  International  Journal  of Mechanical Engineering and Technology , vol. 6, no. 7, pp. 01-07.
[5]   Çaglayan,  N.,  Alta,  D,  Z.,  Ertekin,  C.  2014,  “Experimental  Investigation  of  Various  Type  Absorber  Plates  for Solar Air Heaters”. Journal of Agricultural Sciences , vol. 21, pp 459-470.
[6] Irawan, R. 2016, “Pembuatan Dan Pengujian Kolektor Surya Pelat Datar ( Flat-Plate Collectors ) Kondisi Steady Berdasarkan Standar EN 12975 ” . Fakultas Teknik, Universitas Lampung, Bandar Lampung.
[7] Bejan, Adrian, Kraus, Alan, D. 1948, “Heat Transfer Handbook ” . John Wiley & Son, New York.
[8] Duffie, William, A, Beckman, A, W. 1980, “Solar Engineering Of Thermal Processes ”. Jhon Wiley & Son, New York.
[9]   Incropera and Dewit. 1996, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”. John Wiley & Sons, New York.
[10]  Holman, J, P. 1983, “Heat Transfer Sixth Edition ” . McGraw Hill, London.