## PERBEDAAN LAJU ALIRAN PANAS YANG DISERAP AIR DALAM PEMANAS AIR BERTENAGA SURYA DITINJAU DARI PERBEDAAN LAJU ALIRAN AIR DALAM PIPA KOLEKTOR PANAS

## Sumanto
Jurusan Teknik Industri – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Nasional Malang sumanto@ymail.com

## ABSTRAK
Energi saat  ini  merupakan  kebutuhan  utama  untuk  menggerakkan  kehidupan industri di negara-negara maju. Kebutuhan energi terbesar masih dipenuhi oleh energi konvensional yang berupa minyak bumi, sedangkan energi fosil ini jumlahnya terbatas, cepat habis dan tidak dapat diperbaharui. Energi matahari merupakan energi alternstif yang dapat menggantikan peran dari energi fosil.  Negara-negara  maju  seperti  Jepang,  Amerika,  Korea  dan  negara-negara  Eropa telah memanfaatkan energi matahari secara maksimal seperti untuk pembangkit listrik tenaga surya  dan  untuk menggerakkan  kendaraan.  Tetapi penggunaan energi matahari  di  Indonesia masih tergolong sangat rendah, sebab baru dimanfaatkan untuk menjemur pakaian, menjemur produk yang memerlukan proses pengeringan, menjemur hasil pertanian dan sebagainya. Salah satu pemanfaatan energi matahari di Indonesia yang dapat dikembangkan adalah pemanas air. Pemanas  air  dengan energi matahari  ini  memanfaatkan  prinsip  perpindahan  kalor  yaitu konduksi,  konveksi  dan  radiasi.  Kalor  dari  matahari  diradiasikan  ke  penyerap  (absorber), kemudian di koduksikan ke dalam air yang mengalir di dalamnya dan terakhir di konveksikan dalam  air  itu  sendiri.  Teknologi  pemanas  air  dengan  tenaga  matahari  telah  banyak dikembangkan  termasuk  di  Indonesia.  Air menyerap  panas  (kalor)  terjadi  pada  bagian pengumpul panas (heat collector) dari alat pemanas air bertenaga matahari. Aliran air dalam pipa pada kolektor panas tentu mempengaruhi panas yang diserap oleh air yang mengalir dalam pipa tersebut.
Air  sebanyak  40  liter  disirkulasikan  dalam  pemanas  ini  dengan  menggunakan  sebuah  pompa air. Bagian  input dan output pada pipa dipasang thermometer untuk mengukur temperatur air yang masuk dan keluar pipa penyerap panas. Untuk mengatur laju aliran air digunakan sebuah kran.
Hasil  analisis  data  menunjukkan  bahwa  F hitung =  3,5937  >  F tabel(4;25;0,05 ) = 2.7587  sehingga disimpulan ada perbedaan antara laju aliran panas yang diterima oleh air yang disebabkan oleh perbedaan laju aliran air dalam pipa absorber pada pemanas air bertenaga matahari.
Kata kunci: Aliran panas, laju aliran air, kolektor panas
PENDAHULUAN Energi saat  ini  merupakan  kebutuhan utama  untuk  menggerakkan  kehidupan industri di negara-negara maju. Kebutuhan
energi terbesar  masih  dipenuhi  oleh energi konvensional  yang  berupa  minyak  bumi, sedangkan  energi  fosil  ini  jumlahnya
terbatas,  cepat  habis  dan  tidak  dapat diperbaharui.
Dalam  rangka  untuk  mengatasi penggunaan energi fosil  secara  berlebihan, energi alternstif yang murah, tersedia dalam jumlah banyak dan tidak cepat habis mulai diteliti. Energi matahari adalah energi yang memenuhi  criteria  ini,  di  mana  sinar matahari  dapat  diperoleh  tanpa  harus membeli.  Energi  matahari  di  negara  tropis seperti  Indonesia  tersedia  dalam  jumlah yang sangat besar dan energi matahari tidak akan habis dalam waktu dekat.
Negara-negara  maju  seperti  Jepang, Amerika,  Korea  dan  negara-negara  Eropa telah memanfaatkan energi matahari secara maksimal  seperti  untuk  pembangkit  listrik tenaga  surya  dan  untuk  menggerakkan kendaraan,  sehingga  peran energi yang berasal  dari  minyak  bumi  dapat tergantikan.
Tetapi penggunaan energi matahari  di
Indonesia  masih  tergolong  sangat  rendah, sebab  baru  dimanfaatkan  untuk  menjemur pakaian, menjemur produk yang memerlukan proses pengeringan, menjemur hasil  pertanian  dan  sebagainya.  Di  daerah tertentu  di  Indonesia  mulai  dikembangkan energi listrik  yang  berasal  dari energi matahari.  Pemanfaatan energi matahari sebagai  pembangkit  listrik  telah  dirintis  di daerah  Watugajah  Gedangsari  Gunung Kidul  Yogjakarta  dan  di  Kecamatan Sukatani Purwakarta Jawa Barat.
Salah  satu  pemanfaatan energi matahari  di  Indonesia  yang  dapat dikembangkan  adalah  pemanas  air. Pemanas  air  dengan energi matahari  ini
memanfaatkan  prinsip  perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Kalor dari  matahari  diradiasikan  ke  penyerap ( absorber ),  kemudian  di  koduksikan  ke dalam  air  yang  mengalir  di  dalamnya  dan terakhir  di konveksikan dalam  air  itu sendiri.  Teknologi  pemanas  air  dengan tenaga matahari telah banyak dikembangkan  termasuk  di  Indonesia.  Air menyerap panas (kalor) terjadi pada bagian pengumpul  panas  ( heat  collector )  dari  alat pemanas  air  bertenaga  matahari.  Aliran  air dalam  pipa  pada  kolektor  panas  tentu mempengaruhi  panas  yang  diserap  oleh  air yang  mengalir  dalam  pipa  tersebut.  Untuk mengetahui  perebedaan  penyerapan  panas oleh  air  berdasarkan  laju  aliran  air  dalam pipa  kolektor  panas,  maka  penelitian  ini mengambil  judul  “Perbedaan  kalor  yang diserap  air  dalam  pemanas  air  bertenaga surya ditinjau dari perbedaan laju aliran air dalam pipa kolektor panas”.

## KAJIAN PUSTAKA ENERGI MATAHARI
Matahari  adalah  sebuah  bola  besar dengan  diameter  1,39  x  10 9 m,  tersususn dari  material  berbentuk  gas  dan  jarak  rata- rata terhadap bumi 1,5 x 10 11 m. Temperatur efektif  matahari  adalah  5777  kelvin  dan  di bagian  dalan  sampai  dengan  inti temperaturnya  berkisar  antara  8  x10 6 K sampai dengan 40 x 10 6 K.
Matahari adalah sumber segala energi. Energi  matahari  berasal  dari  reaksi  fusi termonuklir  yang  terjadi  secara  terus menerus.  Reaksi  fusi  di  mana  hydrogen
(dengan  empat  proton)  terbentuk  dari helium (dengan satu proton) disertai dengan kehilangan  0,7%  massanya  yang  diubah menjadi energi yang  merupakan  sumber energi matahari.  Reaksi  fusi dalam  matahari adalah 4H 1 →He 4 + 2  + + 2  + 25 MeV.

## PERPINDAHAN PANAS
Perpindahan  panas  dari  matahari  ke air  dalam  mesin  pemanas  melalui  proses- proses  radiasi,  konduksi  dan  konveksi. Energi panas diradiasi dari matahari ke pipa kolektor  panas  kemudian  dikonduksi  pada pipa tersebut dan terakhir dikonveksi dalam air itu sendiri
Radiasi Radiasi  adalah  perpindahan  panas
(kalor) tanpa melalui perantara.
Perpindahan  panas  ini  melalui  gelombang elektromagnetik. Perpindahan  panas  pada benda  ideal  (benda  hitam)  mengikuti persamaan:
= ( − )
Di mana: q = perpindahan panas (J/s)
 = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4)
A = luas permukaan penerima panas (m2)

## T = temperatur (K)
Menurut  Jansen  (1995)  perpindahan panas radiasi pada ruang kolektor pemanas air mengikuti persamaan:
= ( − ) 1 + 1 − 1
 = emisivitas plat penyerap kaca.

## Konduksi
Konduksi  adalah  perpindahan  panas dalam  suatu  penghantar,  tetapi  partikel- pertikel  penghantar  tersebut  tidak  ikut berpindah. Konduksi  adalah  perpindahan panas  dari temperatur tinggi  ke temperatur rendah  melalui  sebuah  penghantar  padat. Persamaan  laju  perpindahan  panas  pada konduksi adalah sebagai berikut:

## = ΔT
Δx Untuk penghantar berbentuk persegi panjang dan
= ΔT
Δr
Untuk penghantar berbentuk silinder.

## Di mana
= laju aliran panas = konduktivitas termal bahan
= luas penampang
∆ = gradien suhu
∆ = tebal bahan ∆ = tebal bahan silinder

## Konveksi
Konveksi  adalah  proses  perpindahan panas  melalui  sebuah  penghantar  dan partikel-partikel  penghantar  tersebut  ikut berpindah. Perpindahan  ini  banyak  terjadi
pada  zat  cair  dan  gas.  Mekanisme perpindahan  panas  ini  dipengaruhi  oleh sifat-sifat  termal  zat  tersebut  yaitu:  massa jenis,  kekentalan,  kecepatan  alir  dan sebagainya. Secara  umum  persamaan perpindahan  panas  secara  konveksi dirumuskan dengan
= ℎ ( − )
Di mana: A = luas penampang (m2)
H = koefisien peprindahan panas konveksi
(W/m 2 . 0 C)
T w = temperatur permukaan ( 0 C) T b = temperatur rata-rata fluida ( 0 C)
Dalam proses konduksi panas pada pipa dan konveksi  panas  pada  air,  laju  perpindahan panas dirumuskan dengan:
= − 1 ℎ + ln ( / ) 2 + 1 ℎ Di mana
q : laju perpindahan panas menyeluruh (J/s)
T udara : temperatur udara ( o C) T air : temepratur air ( o C) h i : koefisien perpindahan panas konveksi udara (J/s.m 2 . o C) h o : koefisien perpindahan panas konveksi udara (J/s.m 2 . o C) k : konduktivitas termal pipa (J/s.m. o C)
A i : luas permukaan luar pipa (m 2 )
A o : luas permukaan dalam pipa (m 2 ) L : panjang pipa (m) r
: jari-jari pipa (m)
Secara umum panas yang diserap oleh air mengikuti persamaan
= . . ∆ q : panas yang diterima air (J)
m : massa air (kg)
c : panas jenis air (J/kg. o C)  t : perubahan temperatur ( o C)
Massa air yang mengalir dalam pipa per detik adalah
= . . = .
M = massa air yang mengalir per detik
(kg/s)
 = massa jenis air (kg/m 3 ) v = kecepatan aliran air (m/s)
A = luas penampang pipa (m 2 )
Q = debit air (m 3 /s) Sehingga kalor yang diterima oleh air dalam pipa adalah
= . . . ∆

## DEBIT
Dalam  mekanika  fluida,  aliran  air  dibagi menjadi dua  macam yaitu streamline atau aliran laminar dan aliran turbulen ( turbulent flow ). Liran laminar ( streamline ) adalah jika partikel-partikel  air putus-putus  dan  tidak saling  memotong  antara  lintasan  partikel
satu  dengan  lintasan  partikel  yang  lain. Sedangkan  aliran  yang tidak  memenuhi kondisi  tersebut  dikatakan  sebagai  aliran turbulen.
Misalkan aliran laminar fluida terjadi secara tetap  dalam  sebuah  pipa,  maka  laju  aliran volume  air  (debit  air)  dalam  pipa  tersebut adalah:

## =
Di mana: Q = debit air (m3/s)
V = volume air (m3) t = waktu (s)

## METODE PENELITIAN Konstruksi Alat
Pemanas  air  bertenaga  matahari tersusun  atas komponen  utama  yaitu pengumpul    panas  ( heat  collector ),  tangki penyimpan  air  (tandon)  dan  beberapa  pipa untuk mengalirkan air.

## Pengumpul Panas (Heat Collector)
Pengumpul panas terdiri dari beberapa bagian yaitu lembaran penutup ( cover sheet ) penyerap  panas  ( heat  absorber ),  penyekat ( insulator )  dan  kotak pengumpul pemanas ( casing ). Lembaran  penutup  terbuat  dari  kaca dengan ketebalan  antara 5  mm.  Fungsi penutup ini adalah mengijinkan sinar masuk tanpa diserap oleh kaca dan melindungi alat dari udara  dingin  yang  dihembuskan  oleh angin.
Penyekat  terbuat  dari  bahan  yang tidak menyerap panas. Ketebalan bahan ini biasanya  sekitar  5  cm  dan  dipasang  di bawah penyerap panas.
Penyerap  panas  terbuat  dari  pipa logam yang dicat berwarna hitam agar dapat menyerap  panas  dengan  baik.  Penyerap  ini berdiameter 3/8 inchi dan panjangnya 20 m dibuat secara zigzag . Kotak  pengumpul  panas  (casing) terbuat dari kayu dengan kedalaman antara 10 – 15  cm.  Pengumpul  panas  diletakkan pada  kedalaman  setengah  dari  kedalaman kotak .
Gambar 1. Kolektor panas yang terdiri dari penutup, pipa penyerap, lembar penyekat dan kotak penyimpan
Tangki Tangki air berfungsi sebagai penyimpan  air  setelah  dipanaskan  dalam kotak pengumpul panas.Untuk menghindari pertukaran  panas  langsung  dari  tangki, maka  tangki  dilapisi  dengan  bahan  yang
tidak  dapat  menyerap  atau  melepas  panas. Bahan  yang  digunakan  untuk  isolasi  ini adalah serabut kelapa.
Pipa
Pipa yang digunakan untuk menghubungkan  dan  mengalirkan  air  dari kolektor  panas  dan  dari  air  dingin  ke kolektor  panas.  Pipa  yang  digunakan berukuran 1/2 “.
Bagian-bagian dari sistem pemanas air bertenaga  matahari  dapat  digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2. Bagian-bagian dari pemanas air bertenaga matahari

## METODE PENELITIAN
Air  sebanyak  40  liter  disirkulasikan dalam  pemanas  ini  dengan  menggunakan sebuah pompa air. Bagian  input dan output pada  pipa  dipasang  thermometer  untuk mengukur temperatur air  yang  masuk  dan keluar  pipa  penyerap  panas.  Untuk mengatur  laju  aliran  air  digunakan  sebuah kran.

## Pengambilan Data
Sebelum  dilakukan  pengambilan  data di  lapangan  terlebih  dulu  diambil  data tentang  massa  jenis  ( density )  air  yang digunakan. Data panas jenis air diambil dari literature. Data-data  yang diambil dari lapangan dalam penelitian ini adalah temperatur awal yaitu temperatur air  ketika  masuk  dalam pipa penyerap panas, temperatur akhir yaitu temperatur ketika  air  keluar  dari  pipa penyerap  panas  dan  laju  aliran  air  dalam pipa penyerap panas.
Pengambilan  data  dilakukan di  atap gedung  Jurusan  Teknik  Mesin  Fakultas Teknologi  Industri  Institut  Teknologi Nasional Malang pada siang hari antara jam 9  (Sembilan)  sampai  dengan  jam  11 (sebelas) dalam interval tiap 20 menit. Untuk  menentukan  perbedaan  laju aliran  panas  yang  diterima  air  yang disebabkan  perbedaan  debit  air  digunakan uji F dengan uji anova factor tunggal. Untuk menghitung  nilai  F  digunakan  program Microsoft Excel 2007.

## Hipotesis
Hipotesis dalam penelitian ini adalah: H 0 :  tidak  ada  perbedaan  laju  panas  yang disebabkan oleh perbedaan debit air
H 1 :  terdapat  perbedaan  laju  panas  yang disebabkan oleh perbedaan debit air
H 0 ditolak  jika  F hitung >  F tabel dan  H 0 diterima jika F hitung < F tabel .

## DATA PENELITIAN
Data  penelitian yang berhasil diperoleh adalah sebagai berikut:
 air = 995,17 kg/m 3
c = 995,17 J/kg. o C
Tabel 1 Data hasil penelitian
N o Jam Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 T i ( o C) T o ( o C) T i ( o C) T o ( o C) T i ( o C) T o ( o C) T i ( o C) T o ( o C) T i ( o C) T o ( o C) 1 09.20 29 36 29,5 36 30,5 33 30 34 31,5 35 2 09.40 33 40 32,5 39,5 33,5 40,5 32 36,5 35 39 3 10.00 36.5 44 36 43 36 43 36,5 41 39 43 4 10.20 40 48 38,5 45,5 39 46 40,5 45 43 47 5 10.40 42 50 41 48,5 41 48 44,5 49 47 50 6 11.00 47 54,5 44 51,5 43,5 50,5 48,5 53 50 52 Keterangan:
Q1 = debit air 2,0 x 10 -5 m 3 /s
Q2 = debit air 2,1 x 10 -5 m 3 /s
Q3 = debit air 2,2 x 10 -5 m 3 /s
Q4 = debit air 3,13 x 10 -5 m 3 /s
Q5 = debit air 2,86 x 10 -5 m 3 /s
Analisis Data dan Pembahasan Dari data yang diperoleh dihitung laju aliran kalor yang diterima air yang mengalir dalam pipa penyerap panas disajikan dalam tabel berikut ini:
Tabel 2. Laju aliran panas yang diterima air
No Laju Aliran Panas (J/s) q1 q2 q3 q4 q5 1 581.75 567.21 594.22 520.25 561.39 2 581.75 610.84 639.93 585.29 641.59 3 623.31 610.84 639.93 585.29 641.59 4 664.86 610.84 639.93 585.29 641.59 5 664.86 654.47 639.93 585.29 641.59 6 623.31 654.47 639.93 585.29 641.59
Gambar 3. Hasil perhitungan data dengan program MS Excel 2007.
Anova: Single Factor
SUMMARY Groups Count Sum Average Variance q1 6 3739.84 623.307 1381.5 q2 6 3708.67 618.112 1078.7 q3 6 3793.87 632.312 348.23 q4 6 3446.7 574.45 705.03 q5 6 3769.34 628.223 1072 ANOVA Source of Variation SS df MS F P-value F crit Between Groups 13182.853 4 3295.71 3.5937 0.0190271 2.7587 Within Groups 22927.111 25 917.084 Total 36109.964 29
Data  yang  ada  dalam tabel 2  secara statistik dihitung dengan  menggunakan progam  Microsoft Excel  2007 untuk menentukan  harga  F hitung diperoleh  hasil sebagai mana disajikan dalam gambar 3. Dari hasil perhitungan statistik dengan bantuan  program  Microsoft  Excel  2007 diperoleh  F hitung =  3,5937.  Hasil  tersebut jika  dibandingkan  dengan  harga  F tabel pada taraf  signifikansi  5% (F 4;25;0,05 = 2.7587). Jika F hitung dibandingkan dengan F tabel maka diperoleh F hitung > F tabel sehingga H 0 ditolak, dan ada  perbedaan  antara  laju  aliran  panas yang diterima oleh air yang disebabkan oleh perbedaan  debit  air  yang  mengalir  dalam pipa  absorber  pada  pemanas  air  bertenaga matahari.
Karena  debit  air  dipengaruhi  oleh kecepatan aliran air dalam suatu pipa maka perbedaan penyerapan panas oleh air dapat dikatakan  disebabkan  oleh  perbedaan  laju aliran air dalam pipa.

## KESIMPULAN
Perbedaan laju  aliran air  dalam  pipa absorber pada sistem pemanas air bertenaga matahari  mengakibatkan  perbedaan  laju aliran panas yang diserap oleh air tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
1. D.  C.  Giancoli.  2005. Physics:  Principles and  Application .  Sixth  Edition.  Pearson Prentice Hall. USA.
2. D.C.  Montgomery  and  G.  C.  Runger.
Applied  Statistics  and Probability for Engineers .  Third  Edition.  John  Wiley  & Sons, Inc.
3. Jansen. J. Ted. Arismunandar Wiranto. 1995. Teknologi Rekayasa Surya . Penerbit Pradnya Paramita. Jakarta.
4. J.P. Holman. Heat Transfer . Sixth Edition. McGraw Hill Co. Singapore.
5. Stu Campbell and  D.  Taff, 1980, How  to Build Your Own  Solar Water  Heater .  4 th Printing. Garden Way Associates, Inc. USA.