## Uji Prestasi Air Heater pada Pelat Bergelombang Melintang dengan Variasi Kecepatan Udara Masuk
Bambang Yunianto a,* , Sumar Hadi Surya a , Dicky Oktavian b
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
b Program Studi S1Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: byunianto20@gmail.com

## Abstract
Solar  energy  is  one  of  the  non-conventional  renewable  energy  available  freely  as  an  energy  source that provides a free pollution. 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 flat plate and crossed corrugated collectors. The results of this study are  finding useful heat , incoming heat, heat loss and colector efisiency. The useful heat is the heat generated  by  the  collector  during  the  test.  The  incoming  heat  is  the  heat  coming  from  the  halogen lamp  (as  solar  simulator)  that  is  directed  to  the  collector.The  aim  of  this  research  is  to  get  the temperature  datas  result  from  3  sensors  located  in  room,  heat  absorber  plate  and  collector  outlet. Then knowing the efficiency of the air heater  collector from 7 variations of air  velocity are 2,1 m/s, 2,3 m/s, 2,4 m/s, 3m/s, 3,5 m/s, 4 m/s, 4,5 m/s. And the last is to compare the collector efficiency of flat plate  and  crossed  corrugated  plate.  The  test  results  show  that  the  efficiency  of  crossed  corrugated plate higher than the flat plate and the more air velocity, the efficiency will also increase.
Keywords: Solar collector; crossed corrugated plate; velocity; temperature; efficiency

## Abstrak
Energi  surya  merupakan  salah  satu  energi  terbarukan  non-konvensional  yang  tersedia  secara  bebas sebagai  sumber  energi  yang    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  datar dan pelat dengan plat gelombang melintang. Dari penelitian ini didapatkan  panas yang berguna, panas yang masuk, panas yang hilang, dan efisiensi kolektor. Energi input pada kolektor adalah  panas  yang  berasal  dari  lampu  halogen  (sebagai  simulator  matahari)  yang  diarahkan  ke kolektor. Pengujian dari penelitian  ini bertujuan untuk mendapatkan data-data 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 . Dan yang terakhir adalah membandingkan nilai efisiensi kolektor pelat  datar  dan  pelat  gelombang  melintang.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  efisiensi  kolektor pelat gelombang melintang lebih tinggi dibanding pelat datar dan semakin meningkat  laju  kecepatan udara maka efisiensi juga akan meningkat.
Kata kunci : Kolektor surya; plat gelombang; 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  Energi  surya merupakan  salah  satu  energi  terbarukan    yang  tersedia  secara  bebas  sebagai  sumber  energi  yang    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  sebagai pemanas air (solar water heater ) dan pemanas udara ( solar air heater ) karena sederhana dan murah [2] . 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  [3].Pada  pemanas  udara  surya,  pemanfaatannya antara  lain  sebagai  pemanas  ruangan,  untuk  mengeringkan  produk  pertanian  dan  makanan  serta  peyimpan  panas (thermal  storage)  [4].  Dibandingkan    dengan  alat  pemanas  udara  lainnya  dengan  sumber  panas  gas,  ataupun  listrik    , pemanas  udara  surya  memiliki  kelebihan  dalam  hal  kontruksi,  penggunaan  material  dan  biaya  operasional    yang
minimal.  Sebagai  dasar  kontruksi  pemanas  udara  surya  adalah  jenis  kolektor  plat  datar  [5].  Dalam  pengembangnya banyak modifikasi pada kolektor plat datar untuk meningkatkan efisiensinya.
Ada  dua  metode  dasar  untuk  meningkatkan  nilai  efisiensi  termal  pada  pemanas  udara  surya.  Metode  pertama melibatkan  peningkatan  luas  permukaan  perpindahan  panas  dengan  menambahkan  sirip-sirip  pada  plat  [6]  dan permukaan  bergelombang  [4]  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 [7] , pemasangan matrix [8]  pada  permukaaan  plat  dan  pemasangan vortex  generator .  [2].  Besar  energi  surya  bervariasi  terhadap  waktu,  tiap jam,  harian  bahkan  bulan..  Energi  surya  yang  berubah  setiap  waktu  ini  dipengaruhi  oleh  sudut  datangnya  matahari terhadap permukaan bidang. Sehingga  efisiensi kolektor dipengaruhi juga posisi dari kolektor thd arah datangnya sinar matahari dan sudut kemiringan nya [9, 10].
Penelitian kali 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  pada  kecepatan  2,1  m/s,  sampai  dengan  4,5  m/s.  Sebagai    langkah  awal  penelitian  digunakan  pemanas simulator surya (lampu halogen 1000 watt) sebagai ganti pemanas  energi surya.

## 2.  Metodologi Penelitian

## 2.1  Bahan dan Peralatan
Pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui  perbedaan  efesiensi air  heater plat  datar  dan  plat  bergelombang melintang.  Kolektor dibuat dengan ukuran panjang , lebar dan tinggi saluran  masing-masing  100 cm, 60 cm dan 10 cm  Kolektor dibuat dari  rangka papan kayu tebal 10 mm  dan diatasnya dipasang  plat datar dan plat bergelombang dari bahan besi  2 mm yang dicat hitam  (gambar 1) dan  kolektor diletakkan pada posisi horizontal. Pada atap kolektor
Gambar 1. Kolektor Pemanas Udara
ditutup dengan kaca transparan untuk menangkap panas dari  2 lampu halogen (masing-masing 500 watt) yang dipasang 10 cm diatas permukaan kaca. Lampu halogen ini berfungsi sebagai simulator matahari, karena mempunyai spectrum panjang gelombang yang cukup dekat dengan spectrum panjang gelombang matahari.   Udara mengalir dalam kolektor dengan  cara dihisap  oleh  sebuah  Fan  yang  dipasang  pada sisi  keluar  kolektor.  Bahan   dan  peralatan  yang    digunakan pada pengujian kolektor pemanas udara adalah seperti ditunjukkan gambar 2 hingga 8.
.
Gambar 5 . Exhaust Fan

## 2.2.  Perhitungan  efisiensi kolektor
Pada kolektor pemanas udara dipasang sensor termokopel tipe K sebagai pengukur temperatur pelat, ruangan dan udara masuk dan keluar kolektor. Dilengkapi pula modul portabel akusisi data untuk  merekam data hasil pengukuran, computer  berfungsi  untuk  memproses  data  akuisisi    dan  menampilkan  hasil  pengukuran  serta  hot  wire  anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan udara yang mengalir  dalam kolektor.

## 2.2  Perhitungan Efisiensi
Prestasi  dari pemanas udara surya dinyatakan dalam efisiensi, yang menyatakan perbandingan panas berguna, Qu terhadap panas masuk, I.Ac  pada permukaan kolektor. Panas yang datang permukaan kolektor , sebagian diserap oleh permukaan  plat,  kemudian  dikonveksikan  ke  udara  sehingga  meningkatkan  tempertur  udara  dan  panas  berguna. Sebagian  lagi  akan  dibuang  ke  lingkungan  melalui  konduksi  lewat  dinding-dinding  kolektor  dan  radiasi  lewat  kaca penutup, Q loss .  Besar energy berguna tergantung dari kontruksi kolektor, plat penyerap, isolator dan jenis kaca penutup Efisiensi kolektor dinyatakan dengan persaamaan [3],
𝑬𝒇 = 𝑸𝒖 𝑰.𝑨𝒄 (1)
Panas yang berguna Qu  adalah panas maksimal yang digunakan untuk memanaskan udara masuk.
Q̇ U = ṁ udara ∗ C P,udara ∗ (T out − T in ) (2)
𝑚̇ 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 = Laju aliran massa udara (kg/s)
𝐶 𝑃,𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 = Kapasitas panas spesifik udara ( J Kg ∗ K ⁄ ) 𝑇 𝑜𝑢𝑡 = Temperatur udara keluar( o K) 𝑇 𝑖𝑛 = Temperatur udara masuk( o K)
Panas yang masuk adalah panas dari lampu halogen yang masuk menuju kolektor.
𝐼𝑐. 𝐴𝑐 = 𝐹 1−2 ∗ 𝑃 𝐿𝑎𝑚𝑝𝑢
(3)
F 1 - 2 = Faktor bentuk permukaan P Lampu = Daya lampu halogen (Watt)
Panas yang hilang adalah panas yang keluar kolektor dari dinding –dinding  bawah maupun dinding atas (kaca).
𝑄̇ 𝐿𝑜𝑠𝑠 = 𝐼𝑐. 𝐴𝑐 −   𝑄̇ 𝑈 (4)
𝐼𝑐. 𝐴𝑐 = Panas yang masuk (Watt) Q̇ U = Panas yang berguna (Watt)

## 3.  Hasil dan Pembahasan
Data-data hasil  pengujian adalah  temperatur  permukaan plat, temperatur udara masuk dan keluar dan kecepatan udara.    Dari  data  –data  ini  dapatdigunakan  untuk  menghitung  panas  berguna  yang  diserap  udara  masuk  dan  efisiensi kolektor. Adapun variasi kecepatan udara dalam kolektor  adalah 2.1 m/s,  2.4 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s dan  4.5 m/s. Berikut
Gambar 6. Termokopel Tipe K Gambar 7 . Modul Akusisi Data
Gambar 8. Hot Wire Anemometer
data-data hasil pengukuran temperatur pada kolektor plat datar dan plat bergelombang melintang  sebagai fungsi waktu yang disajikan dalam gambar  9 sampai dengan gambar 16.
Dari gambar 9 hingga gambar 12 diketahui bahwa makin tinggi kecepatan aliran udara lewat permukaan plat,akan terjadi  penurunan temperatur plat maupun temperatur udaranya, seperti yang ditunjukkan pada sensor 2 dan 3. Kondisi ini  terjadi  karena  makin  tinggi  kecepatan  udara  maka  kontak  udara  dengan  plat  makin  singkat  sehingga  temperatur udara menjadi turun. Dapat dilihat  bahwa temperatur udara keluar 47 0 C untuk  kecepatan udara 2,1 m/dt dan 40 0 C untuk kecepatan udara 4,5 m/dt , sementara temperatur plat 90 0 C dan 70 0 C.
Gambar 9 . Hubungan  temperatur terhadap waktu Gambar 10 . Hubungan temperatur terhadap waktu plat  datar  untuk kecepatan  2.1 m/dt.                                  plat datar untuk kecepatan .2. 4 m/dt.
Gambar 11. Hubungan  temperatur terhadap waktu Gambar 12 . Hubungan temperatur terhadap waktu plat  datar  untuk kecepatan 3.5 m/dt.                                   plat datar untuk kecepatan. 4.5 m/dt.
Kondisi  yang  sama  terjadi  pula  pada  aliran  udara  melewati  plat  bergelombang.  Makin  tinggi  kecepatan  udara  , maka akan terjadi penurunan temperatur plat dan udara keluarnya. Namun dibandingkan dengan aliran udara lewat plat datar,  temperatur  udara keluar lewat plat bergelombang   mempunyai  temperatur yang lebih tinggi, yaitu 50 0 C pada kecepatan 2.1 m/dt dan 42 0 C pada kecepatan 4,5 m/dt , demikian juga untuk temperatur plat dari 98 0 C menjadi 80 0 C. Terjadinya  peningkatan  temperatur plat  maupun  udara keluar  kolektor  menunjukkan  adanya peningkatan perpindahan panas  dari  plat  ke  udara.  Hal  ini  terjadi  karena  adanya  peningkatan  aliran  turbulen  dalam  permukaan  plat  akibat terhalangnya  aliran  udara  oleh  permukaan  plat  yang  bergelombang,  dimana  plat  bergelombang  ini  berfungsi  sebagai vortex  generator .  Pernyataan  ini  bisa  dibuktikan  dengan  data  bahwa  plat  bergelombang dapat  meningkatkan  efisiensi kolektor yang dapat dilihat dari gambar 17.
Gambar 13 . Hubungan  temperature terhadap waktu Gambar 14. Hubungan temperature terhadap waktu plat  bergelombang untuk kecepatan 2.1 m/dt.                   plat bergelombang untuk kecepatan2. 4 m/dt
Gambar 15. Hubungan  temperature terhadap waktu Gambar 16. Hubungan temperature terhadap waktu plat  bergelombang untuk kecepatan 3,5 m/dt.                     plat bergelombang untuk kecepatan 4,5 m/dt.
Gambar 17. Perbandingan efektifitas kolektor plat datar dan plat bergelombang
Data hasil pengujian dari dua jenis plat kolektor (gambar 17.)  mempunyai kecenderungan yang sama, namun  beda secara  kuantitatif.    Dapat  dilihat  efisiensi  tertinggi  pelat  datar  yakni  sebesar  76,2%  dan  efisiensi  tertinggi  pada  pelat gelombang melintang sebesar 86,7 % pada kecepatan udara 4,5 m/s. Sehingga dapat disimpulkan  efisiensi yang terjadi pada  masing-masing  pelat,  berbanding  lurus  terhadap  kecepatan  udara  walaupun  kenyataannya  garis  yang  terbentuk
Gambar 13. Grafik Perbandingan Efisiensi
Pelat Datar dan Gelombang Melintang
tidak linier sempurna. Efisiensi kolektor dengan plat gelombang lebih tinggi dari pada kolektor pelat datar , karena pelat bergelombang  mempunyai  luas  permukaan  yang  lebih  luas  untuk  luasan  kolektor  yang  sama.  Disamping  itu  pelat gelombang  dipasang  pada  arah  melintang  terhadap  arah  aliran  udara,  sehingga  gelombang  ini  juga  berfungsi  sebagai vortex  generator yang  menimbulkan  turbulensi  aliran    dan  meningkatkan  laju  panas  atau  panas  berguna  (Qu)  dari permukaan plat ke aliran udara. Adapun perbedan temperatur udara keluar pada pelat datar dan pelat gelombang sekitar 3 0 C, yaitu 47 0 C  untuk udara keluar pada plat datar dan 50 0 C untuk pelat bergelombang.

## 4.  Kesimpulan
Kolektor pemanas udara ( air heater ) dengan pelat gelombang melintang menghasilkan panas berguna  yang lebih tinggi  dibandingkan      dengan  pelat  datar,    sehingga  efisiensi  pada  plat  bergelombang  juga  meningkat.  Peningkatan kecepatan udara dalam kolektor akan meningkatkan efisiensi dari kolektor. Peningkatan efisiensi tertinggi terjadi pada kecepatan 4,5 m/detik,  yaitu sebesar 76,2% yang diperoleh pelat datar  dan pada pelat gelombang melintang sebesar 86,7%. Adapun  t emperatur  udara  keluar  tertinggi  pada  plat  datar  sebesar  47 o C,  sedangkan  untuk  pelat  gelombang melintang sebesar 50 o C. Jadi dengan digunakannya plat bergelombang diperoleh  peningkatan temperatur udara 3 0 C. Hal  ini  terjadi  karena  pada  plat  gelombang  mempunyai  luas  permukaan  yang  lebih  besar  dibanding  permukaan  plat datar,  sehingga  panas  yang  dapat  diserap  plat  kollektor  lebih  tinggi.  Disamping  mempunyai  luas  permukaan  yang lebih besar, plat bergelombang   juga berfungsi sebagai vortex generator yang  mampu  menghasilkan  turbulensi yang lebih tinggi, sehingga dari   kedua factor tersebut menyebabkan    proses perpindahan panas berguna  dari permukaan plat ke udara  makin meningkat.

## Daftar Pustaka
[1].   F. Chabane, N. Moummi, S.Benramache, D. Bensahal, and O.Belahssen. “Collector Efficiency by Single Pass of Solar  Air  Heaters  with  and  without  Using  Fins”.  Mechanics  Department,  Faculty  of  Sciences  and  Technology, University of Biskra, Algeria, 2013.
[2].   N.Koolnapadol, P.Promvonge, and Skullong, S. “ Performance assessment of solar air heater duct roughened with perforated-winglet vortex generators ” .. International Journal of Smart Grid and Clean Energy , vol. 6, pp. 31–39, 2017.
[3].   J.A.Duffie, W.A. Beckman. “Solar engineering of thermal processes ”. A.  Wiley interscience publication, second edition, USA, 1991.
[4].   A Priyam, P. Chand. ”Effect of wavelength and amplitude on the performance of wavy finned absorber solar air heater”. Renewable Energy , vol. 119, pp. 690-702, 2018.
[ 5].   J. Jongpluempiti , N. Pannucharoenwong, C.Benjapiyaporn,  P. Vengsungnle. “Design and construction of the flat plat solar air heater for spray dryer”. Energy procedia , vol. 138, pp. 288-293,  2017.
[6].   M.  Ansari.  M,Bazargan.“Optimization  of  plat  collector  air  heaters  with  ribbed  surface”. Applied  thermal engineering , https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.
[7].   Y.S  Anil,  T.K..Manish.  “Artificially  Roughened  Solar  Air  Heater:  A  Comparative  Study”.  Mechanical Engineering Department,  Lakshmi  Narain College of Technology-Excellence (LNCTE), Bhopal, India. 2014.
[8].   K. Rajarajeswari . A. Sreekumar. “ Matrix solar air heaters-areview”. Renewable and sustainable energy review , vol. 57,  pp. 704 -712, 2015.
[9 ].  H. Gunerhan, A Hepbasli. “ Determination of the tilt angle of solar collectors for building applications”. Building and environment ,  vol. 42, pp. 779-783,  2007.
[10]. S.Soulayman,  M.Hammoud.  “  Optimum  tilt  angle  of  solar  collectors  for  building  applications  in  mid  latitude zone”. Eenergy conversion and management , vol. pp.124, 20 - 28, 2016.