## Analisa Perpindahan Panas Tangki Air Berkapasitas 80 Liter Pada Pemanas Air Tenaga Surya Sistem

## Hybrid
Juelf Roygerst Ambarita 1 , A. Halim Nasution 2 , Eko Yohanes Setyawan 3*
1, 2 Universitas Sumatera Utara ; Jl. Dr. T. Mansur No.9, Padang Bulan, Medan, Telp; (061) 8214033
Jurusan Teknik Mesin, FT USU, Medan, Sumatera Utara
3 Institut Teknologi Nasional Malang; Jl. Sigura-gura N0. 2 Malang, Telp; (0341) 551431 Jurusan Teknik Mesin, FT ITN Malang, Malang e-mail: 3* yohanes@lecturer.itn.ac.id

## ABSTRAK
Energi  matahari  merupakan  salah  satu  potensi  sumber  energi  terbarukan  yang  bisa dimanfaatkan  terutama  di  daerah  tropis.  Penggunaan  energi  matahari  yang  paling  umum adalah memanaskan air baik dalam sistem aktif sistem termosifon. Jenis sistem pemanas air yang  paling  umum  adalah  kolektor  pelat  datar.  Air  akan  beredar  melalui  pipa  di  dalam kolektor  dan akan  menyerap panas dari  kolektor.  Air  panas  ini akan  disimpan  di  tangki 80 Liter. Tangki telah diisolasi menggunakan polyurethane dan glasswool sehingga energi termal terbuang  ke  lingkungan  dapat  diminimalisir.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui efisiensi  tangki  setelah  diisolasi,  berapa  suhu  °  C  yang  turun  sepanjang  malam,  dan  tes  ini dilakukan  pada  jam  5  sore  sampai  jam  6  pagi.  Hasil  penelitian  ini  adalah:  1)  Panas  yang paling panas 505,217 MJ. 2) tangki efisiensi tertinggi = 97,02%. 3) Suhu air rata-rata turun di dalam tangki sampai pagi hari = 4,86 ° C.
Keywords: water heater, solar energy, tank, heat transfer.
____________________________________________________________________

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  air  panas  saat  ini  semakin tinggi.  Air  panas  dibutuhkan  oleh  masyarakat luas,  misalnya  untuk  air  mandi  ataupun mencuci  barang  yang  berlemak  dimana  lebih mudah  melarutkannya  dalam  sabun  dengan menggunakan air hangat dibandingkan dengan air  dingin.  Tidak  hanya  konsumen  rumah tangga yang memerlukan air panas, melainkan juga rumah sakit, industri, perhotelan dan untuk penyediaan air  pada kolam renang. Salah satu energy terbarukan yang melimpah ketersediaannya  yaitu  energy  radiasi  surya.
Sekitar  setengah  energi  matahari  masuk mencapai  permukaan  bumi.  Bumi  menerima 174 peta watt (PW) radiasi matahari masuk di
bagian  atas  atmosfer.  Sekitar  30%  tercermin kembali  ke  ruang  sementara  sisanya  diserap oleh  awan,  samudra,  dan  tanah.  Total  energi matahari yang diserap oleh awan, samudra, dan tanah adalah sekitar 3,850,000 exa joules (EJ) per  tahun.  Jumlah  energi  surya  mencapai permukaan bumi begitu luas. Bila dibandingkan,  energi  surya  dua  kali  lebih banyak daripada semua sumber non-terbarukan seperti batu bara, minyak, gas alam, dll.
Pemanfaatan  energi  surya  untuk  memanaskan air  dilakukan  dengan  menggunakan  alat  yang disebut kolektor termal surya. Kolektor termal surya  atau  yang  biasa  disebut  kolektor    surya merupakan  suatu  peralatan  yang  digunakan untuk  menyerap  energi  yang  terdapat  pada radiasi surya, yang kemudian mengubah energi
Jurnal “FLYWHEEL”, Volume 9 Nomor 2, September 2018
tersebut  menjadi  energi  termal,  kemudian energy  tersebut  akan  ditransfer  langsung  ke fluida yang dipanaskan maupun ke fluida lain yang  digunakan untuk  memanaskan.  Kolektor yang digunakan yaitu kolektor surya plat datar. Air  akan  masuk  ke  dalam  kolektor  melalui pipa-pipa bersirkulasi,  dan  air  akan  menyerap panas  yang  diterima  kolektor  dari  radiasi matahari.  Air  panas  yang  keluar  dari  kolektor akan  disimpan  di  dalam  tangki.  Tangki  yang digunakan  telah  diisolasi  supaya  panas  yang keluar dari tangki dapat diminalkan. Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Untuk  mengetahui  jumlah  kalor  yang terbuang pada tangki.
2. Untuk mengetahui efisiensi tangki.
3. Untuk  mengetahui  temperatur  air  yang turun pada tangki pada pagi hari.
Batasan masalah penulisan meliputi:
1. Lokasi penelitan pada 3,43 °LU dan 98,44 °BT.
2. Air yang digunakan adalah air mineral dari PDAM.
3. Tangki  yang  digunakan  adalah  tangki berkapasitas  80  Liter  yang  dijual  di masyarakat umum.
4. Pengujian dilakukan pada pukul 17.00 s/d 06.00 WIB.

## TINJAUAN PUSTAKA

## Energi
Energi  adalah  sesuatu  yang  bersifat  abstrak yang sukar dibuktikan, tetapi  dapat  dirasakan. Energi  tidak  dapat  pula  diciptakan  dan dimusnahkan.  Namun,  semua  energi  dapat diubah  dari  bentuk  yang  satu  ke  bentuk  yang lain  (Franklin, 2004). Oleh karena itu, hukum kekekalan  energi  menyatakan  energi  total sistem  tetap  konstan,  meskipun  energi  dapat berubah  menjadi  bentuk  lain.  Secara  umum, energi  dapat  dikategorikan  menjadi  beberapa macam, yaitu energi mekanis, listrik, elektromagnetik,  kimia,  nuklir,  dan  surya (Pudjanarsa, A. 2008).

## Pemanfaatan Energi Surya
Dalam  era  ini,  pengunaan  sumber  daya  alam yang tidak dapat diperbarui semakin meningkat seiring dengan meningkatnya populasi
manusia,  kemajuan  teknologi  dan  lain  lain. Namun  hal  ini  berbanding  terbalik  dengan ketersediaan  sumber  daya  alam  tersebut. Sehingga  para  ilmuwan  telah  mencoba mengembangkan  potensi  sumber  daya  alam yang dapat diperbarui contohnya air, angin dan energi surya.

## Perpindahan Panas

##  Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi  adalah  transfer  energi  dari partikel  yang  memiliki  energi  lebih besar ke  substansi  dengan    energi  yang  lebih rendah  dan  sebagai  hasilnya  terjadi interaksi antara partikel (Cengel, 2002). Rumus Umum:
q  = −k. A dT dX
Dimana :
q  = Laju perpindahan panas (W)
A = Luas penampang dimana panas  mengalir (m 2 )
dT dX = Gradien temperatur pada penampang, atau laju perubahan temperatur T   terhadap jarak dalam arah  aliran  panas x
K = Konduktivitas thermal bahan (W/mK)
 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi  adalah  bentuk  dari  transfer energi diantara permukaan padat dan fluida yang  bergerak  dan  terkandung  efek kombinasi  konduksi  dan  fluida  bergerak Setyawan et al (2017).
q = h.A.∆T Dimana :
q = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien perpindahan panas konveksi
(W/m 2 K)
A   =    Luas penampang (m 2 )
∆T  =  Perubahan  atau  perbedaan  temperatur ( o C)
 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi  adalah perpindahan panas  yang  terjadi  tanpa  melalui  media perantara (padat dan fluida).
Persamaan  untuk  mencari  perpindahan  panas radiasi adalah sebagai berikut (Gray, 1974):
q rad = ε A σ ( T s 4 -T sur 4 ) dimana : q rad = laju perpindahan panas radiasi (W)
ε = emisivitas bahan
A = luas permukaan (m 2 )
σ = kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10 -
8 W/m 2 K 4 )
T s = temperatur permukaan (K)
T sur = temperatur lingkungan (K)

## METODE PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan Mikro stasiun data Logger  untuk  mengukur  kecepatan  angin  dan kabel  termokopel  terhubung  langsung  ke agilent dan  ditempelkan  pada  air  dan  juga  di dinding tangki.
Gambar 1. Set Up Experimental
Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah :
1. T1: Termperatur udara sisi atas tangki
2. T2: Temperatur udara sisi samping tangki
3. T3: Temperatur udara sisi bawah tangki
4. T4: Temperatur air di dalam tangki

## Diagram Alir Penelitian
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Energi yang Terdapat pada Air
Untuk  mengetahui  energi  yang  terdapat  pada air digunakan persamaan:
Q = m.Cp.∆T Dimana: Q = energi yang terdapat pada air (Joule) m = massa air (kg) Cp = kalor jenis (kJ/kg.K)
∆T = perubahan suhu (K)
Maka energi yang terdapat pada air adalah: Q = m × Cp × ∆T
=79,225kg × 4.180,53 J/kg.K × 27,7K
=  9.174.308,952225 Joule
= 9.174,308 KJ

## Energi yang Terbuang dari Tangki
 Energi Terbuang ke Sisi Samping
𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑠 = 𝑈 . 𝐴 (𝑇 𝑡 − 𝑇 ∞ )
𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑠 = 𝑇 𝑡 − 𝑇 ∞ 𝑡 𝑡 𝑘 𝑡 . 𝐴 𝑡 + 𝑡 𝑝𝑢 𝑘 𝑝𝑢 . 𝐴 𝑝𝑢 + 𝑡 𝑔𝑠 𝑘 𝑔𝑠 . 𝐴 𝑔𝑠 + 𝑡 𝑎𝑙 𝑘 𝑎𝑙 . 𝐴 𝑎𝑙 + 1 ℎ 𝑢
 Energi Terbuang ke Sisi Atas
𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑎 = 𝑈 . 𝐴 (𝑇 𝑡 − 𝑇 ∞ ) 𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑎 = 𝑇 𝑎𝑘 − 𝑇 ∞ 𝑡 𝑎𝑘 𝑘 𝑎𝑘 . 𝐴 𝑎𝑘 + 𝑡 𝑝𝑢 𝑘 𝑝𝑢 . 𝐴 𝑝𝑢 + 𝑡 𝑎𝑘 𝑘 𝑎𝑘 . 𝐴 𝑎𝑘 + 1 ℎ 𝑢
 Energi Terbuang ke Sisi Bawah
𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑏 = 𝑈 . 𝐴 (𝑇 𝑡 − 𝑇 ∞ ) 𝑞 𝑜𝑢𝑡,𝑏 = 𝑇 𝑡 − 𝑇 ∞ 𝑡 𝑡 𝑘 𝑡 . 𝐴 𝑡 + 𝑡 𝑝𝑢 𝑘 𝑝𝑢 . 𝐴 𝑝𝑢 + 𝑡 𝑔𝑠 𝑘 𝑔𝑠 . 𝐴 𝑔𝑠 + 𝑡 𝑎𝑙 𝑘 𝑎𝑙 . 𝐴 𝑎𝑙 + 1 ℎ 𝑢
Dari  persamaan  diatas  maka  dapat  dihitung energi total yang terbuang dari tangki, yaitu: 𝑞 𝑜𝑢𝑡 = 𝑞 𝑎𝑡𝑎𝑠 + 𝑞 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔 + 𝑞 𝑏𝑎𝑤𝑎ℎ
𝑞 𝑜𝑢𝑡 =  2.453447504  +  6.152249545  + 1.584741442
𝑞 𝑜𝑢𝑡 = 10.19043849 Watt
Gambar 3. Grafik Q out vs Waktu
LQout= 10,19043849+9,726530792 2 × 1800 = 17,925,27236 J
Maka  total  energi  yang  terbuang  dari  tangki adalah:

## ΣLQout,t = 505217,1637 J
Efisiensi Tangki
η = 𝑞 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑚𝑝𝑎𝑛 𝑞 𝑖𝑛 × 100%
η = 8.669.091,789 9.174.308,952 × 100%
= 94,49 %

## KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  dan  analisa  dat  yang dilakukan maka dapat disimpulkan:
 Jumlah kalor yang terbuang pada tangki = 505,217 MJ
 Efisiensi tangki = 94,49 %
 Temperatur air  yang turun pada tangki  di pagi hari : 57,21 °C turun menjadi 52,55 °C

## DAFTAR PUSTAKA
Ambarita,  H.  2011. Energi  Surya .  Medan: Departemen Teknik Mesin FT USU
Agyenim, F.,Eames,P.,Hewit, N.,Smyth M. 2009. A  review  of  materials,  heat  transfer  and phase  change  problem  formulation  for latern heat thermal energy storage system (LHTESS) .  ElsivierYunus,  A.  Cengel.
2002. Heat Transfer A Practical
Approach, Secend Edition. MC Graw-Hill, Book Company, Inc: Singapore.
Chouicha,  S,  dkk.  2016. Valorization  study  of treated  deglet-nour  dates  by  solar  drying using  three  different  solar  dries. Science Direct.Energi Procedia
10 8 6 4 2 0 Q o u t ( W a tt ) 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Waktu (jam) Q out bawah Q out atas Q out samping Pengujian Pertama
Darwin,  H.  Syah,  S.  Yadi.  2013. Studi Performansi  Alat  Pemanas  Air  dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar . Banda Aceh: Jurnal Teknologi dan Industri Pertanian Indonesia. Volume 5. No. 3
Duffie,  J.A,  Beckman,  W.A.  1991. Solar Engineering  of  Thermal  Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York
Gray,  W,  A  dan  Muller,  R.  1974. Engineering Calculations  in  Radiative  Heat  Transfer, First  Edition. Pergamon  Press:  Oxford.P. D. Setiawan, W. P. Raharjo. 2011. Analisa Rancang  Bangun  Pemanas  Air  Surya Serbaguna Berkapasitas 600 Liter /  Hari.
Surakarta:  Jurnal  Mekanika.  Volume  10. N0 1
Incropera,  F.  P.,  and  DeWitt,  D.  P.,  1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer . Fourth  edition,  Jhon  Wiley  &  Sons,  New York.
Jensen, Ted. J. 1995. Teknologi Rekayasa Surya . PT PRADNYA PARAMITA, Jakarta.
Pudjanarsa,  A.  2008. Mesin  Konversi  Energi . Penerbit Andi: Yogyakarta
Simic,  M,  dkk.  2017. Design  of  a  sistem  to monitor and control  solarpond: A review. Science Direct.Energi Procedia 110
Setyawan  Y.E.,  Djiwo  S  and  Sugiarto  T,  2017.
“ Simulation  Model  Of  Fluid  Flow  And
Temperature  Distribution  In  Porous Media Using Cylindrical, Convergent And Divergent  Nozzles ”  International  Journal of Technology and Sciences (IJTS), Vol. 1, No. 1.