studi eksperimental unjuk kerja kolektor surya v-groove

SIDANG TUGAS AKHIR
STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA
KOLEKTOR SURYA V-GROOVE TERHADAP
PERUBAHAN ASPEK RATIO PADA HONEYCOM
Oleh :
NIKO ARIS SUDIYANTO (2104 100 049)
Dosen Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani M, Eng
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2011
Latar belakang
Energi fosil yang
semakin langkah
Peningkatan performansi
kolektor surya
Perlunya memikirkan
alternatif energi
Solusi?
Solar kolektor
Desain sederhana
kolektor surya
Heat loss karena
radiasi
Heat loss karena
konveksi
Penembahan plat
transparan
Perlunya menggunakan
v-groove
Perumusan Masalah
•
•
•
•
•
Bagaimana rancang bangun dari kolektor surya vgroove absorber dengan penambahan plat transparan
yang efektif dan efisien.
Bagaimana pengaruh penambahan honeycomb
plastik transparan terhadap koefisien kehilangan
panas total kolektor surya.
Bagaimana pengaruh dari segi aspek ratio terhadap
koefisien kehilangan panas total kolektor surya.
Bagaimana pengaruh dari segi aspek ratio terhadap
performansi kolektor surya.
Bagaimana pengaruh perubahan laju aliran massa
inlet terhadap performansi kolektor surya.
Tujuan Penelitian
• Rancang bangun kolektor surya tipe V-corrugated.
• Mengetahui performance dari solar kolektor dengan
aspek ratio dan penambahan honeycomb plastik
transparan pada V-groove absorber.
• Mengurangi heat loss konveksi dan radiasi pada solar
collector.
• Mengetahui pengaruh dari perubahan debit fluida
terhadap efisiensi dari solar kolektor.
• Mengetahui pengaruh dari variasi aspek ratio terhadap
efisiensi kolektor surya.
Batasan Masalah
• Analisa performansi kolektor surya dilakukan pada
steady-state condition.
• Aliran panas melalui glass cover adalah satu dimensi.
• Glass cover diasumsikan tidak menyerap energi.
• Penurunan temperatur melalui glass cover diabaikan.
• Aliran udara yang mengalir didalam kolektor surya
dianggap satu arah dan uniform.
• Penelitian dilakukan secara experimental dengan debit
udara pengering tergantung dari kecepatan fan.
• Temperatur outlet fluida dianggap uniform.
• Tijauan dari segi ekonomis dan kekuatan material
kolektor surya tidak ikut dibahas dalam penulisan.
• Properti-properti konstan.
Penelitian terdahulu
Md Azharul Karim, M.N.A Hawladerb, 2004, Performance Investigation of FlatPlate, V-Corrugated and Finned Air Collectors
Membandingkan tiga tipe kolektor surya yang berbeda yakni flate-plate, finned,
dan v-corrugated, dari penelitian menunjukkan bahwa dengan laju alir massa air
yang diuji sama yakni 0.01 kg/m2s- 0.06 kg/m2s pada ketiga jenis kolektor surya
tersebut memperlihatkan bahwa kolektor surya dengan v groove absorber
mempunyai efisiensi paling tinggi dibandingkan dua jenis absorber yang lain
Meyer et al and Randall et al (1978)
Pada tahun 1978, Meyer dan Randall
melakukan penelitian dengan cara
membandingkan besarnya rugi-rugi panas
antara kolektor surya yang diberi penambahan
parallel slat array dan tanpa parallel slat
array, hasil penelitian menyebutkan:
• Pada sudut solar colector (45) dan aspect
ratio (A=2), penambahan parallel slat
array(TIM) dapat mengurangi setengah(0,5)
kehilangan panas secara konveksi yang
melewati cover bila dibandingkan dengan solar
collector tanpa parallel slat array(TIM).
• Pada sudut solar collector yang sama (β=45)
aspect ratio (A=4), penambahan parallel slat
array(TIM) dapat mengurangi sepertiga(0,3)
kehilangan panas secara konveksi yang
melewati cover bila dibandingkan dengan solar
collector tanpa penambahan parallel slat
array(TIM).
K.A JOUDY, A.I MOHAMMED, 1985, Experimental performance of a solar air
heater with v-corrugated absorber
Penelitian ini dilakukan dengan
memvariasikan laju alir massa per
luasan dari 0.016 sampai 0.0385
kg/s.m2. Dari penelitian didapatkan
temperatur outlet fluida rata-rata adalah
70° C dan efisiensi tertinggi didapatkan
pada saat laju air massa paling tinggi
pada saat jam 12 siang.
Dasar Teori
Radiasi yang diserap dipengaruhi oleh
transmisivitas dan absorsivitas
S = 1,01 × τ × α × I T
Perhitungan Intensitas radiasi matahari
yang mengenai pelat absorber
Sifat – sifat radiasi
Balance Energi pada Kolektor
Losses – losses pada kolektor
Analisa
Performansi
Tahanan thermal dan menghitung losses
Losses
Radiasi
Losses
Konveksi
Analisa
Performansi
Menghitung koefisien konveksi
hkonveksi,udara-kaca
Konveksi bebas dari pelat datar
Konveksi
bebas
Reynolds number
Rayleigh number
Konveksi
Paksa
Gr
<< 1
2
(Re )
Konveksi bebas
maka konveksi paksa
Gr
>> 1
2
(Re )
maka konveksi bebas
•Aliran Laminer pada pelat datar ( Re ≤ 5 x 105)
hkonveksi ,udara − kaca =
•Aliran turbulent pada pelat datar ( Re ≥ 5 x 105)
Nu × k
L
hkonveksi,cg-abs
Jika penampang tidak berbentuk lingkaraan, maka disarankan agar korelasi perpindahan
panas itu didasarkan atas diameter hidraulik
AC
DH = 4
P
Rayleigh number
Natural
convection
[(
)]
Nu L = max C.Ra n .1
hkonveksi , abs − kaca =
Nu × k
L
Menghitung koefisien radiasi
 Koefisien radiasi penutup-udara luar
hradiasi ,cg − amb = ε cσ
(T
cg
(
)
+ Tsky ) Tcg + Tsky (Tcg − Tsky )
2
(T
cg
2
− Tamb )
 Koefisien radiasi pelat-penutup
hradiasi ,abs −cg
(
)
σ Tabs 2 + Tcg 2 (Tabs + Tcg )
=
(1 − ε cg )
1 − ε abs
1
+
+
ε abs
F1234−5 . Aabs
ε cg Acg
Analisa Performansi Kolektor Surya
Tp
Styrofoam, 10 mm
L1
k1
Triplex, 4 mm
L2
k2
Ta
R1 =
1
hw + hr ,c − a
R2 =
1
h p −c + hr , p −c
U L = Ut +Ub
Quseful
−1


ψ
F " = ψ 1 − e 


.
m .Cp
ψ =
AcU L F '
FR = F ".F '
Efisiensi kolektor
Metodologi Penelitian
Perencanaan Dimensi alat :
 Panjang kolektor surya (p)
 Lebar kolektor surya (l)
 Sudut gelombang absorber
Keterangan Gambar :
1.Fan
2.Diffuser
3.Kolektor Surya dengan
absorber gelombang bentuk-V
4.Selector thermo couple
Parameter yang diukur
 Intensitas radiasi matahari(IT)
Kecepatan udara ambient(Vamb)
 Temperatur ambient(Tamb)
 Temperatur pp (hanycomb(Tpp)
 Temperatur plat absorber(Tabs)
 Temperatur fluida inlet(Tf,in)
 Temperatur fluida outlet(Tf,out
: pada kaca penutup
: pada parallel slat array (hanycomb)
: pada absorber
: pada ujung masukkan dan keluaran
absorber
Format Pengambilan data
Flowchart penelitian
START
Studi Literatur
Pembuatan V absorber dan plat transparan
Penentuan Aspek Ratio antara absorber dan
kaca penutup
Pemasangan V absorber dan plat
transparan
Mengatur Debit Fluida dengan cara
Mengatur Kecepatan Fan mulai dari 0.45
dan 0.5 m/s
Pengambilan Data berupa IT, Vamb, Tcg, Tabs,
Tf, Tamb
Kecepatan Fan V = 0,55 m/s
Ya
Perhitungan, pembuatan Grafik
Analisa
END
V = V + 0.05 m/s
Tidak
Flowchart perhitungan
Start
Dimensi Kolektor Surya
Dimensi kaca penutup
Dimensi pelat absorber
Dimensi insulasi
Luasan kolektor (Ac)
kecepatan fluida kerja (Vt)
Intensitas radiasi (IT)
kecepatan angin (Vw)
Temperatur ambien (Tamb)
Temperatur kaca penutup (Tcg)
Temperatur plat absorber (Tabs)
temperatur fluida in (Tf,in)
temperatur fluida out (Tf,out)
properties udara pada (Tf,average)
S = (τα )Ι Τ
Vi = 1 m/s
Koefisien konveksi antara kaca penutup dan udara luar
hw =
N
u L .k
L
Bilangan Rayleigh
Ra =
gβ ∆TL 3
=
vα
'
g
1
Tf
∆Tcg
− abs
L3
, cg − abs
vα
Koef radiasi antara kaca penutup dengan udara luar
hr , amb − cg = ε cgσ
(T
cg
(
(T
)
2
(Tcg − Tsky )
+ Tsky ) Tcg2 + Tsky
cg
dimana :
− Tamb )
(
1, 5
Tsky = 0,0552 Tam
b
)
[(
) ]
Bilangan Nusselt
Nu = max C.Ra n .1
Tahanan thermal antara kaca
penutup dan udara luar
R1 =
1
hw + hr , amb− cg
Aspek ratio
Yes
 H 
 ≤ 3

 L 
Koefisien perpindahan panas bagian
bawah kolektor
No
Koef konveksi antara kaca penutup dengan pelat absorber
hc , cg − abs =
E
A
B
UB =
1
L1
L
1
+ 2 +
k1
k2
h2
Nu.k
L
C
E
A
C
B
Koef radiasi antara kaca penutup dengan pelat absorber
hr ,cg − abs =
2
+ Tcg2 )(Tabs + Tcg )
σ (Tabs
(1 − ε cg )
1 − ε abs
1
+
+
F1234 −5 . Aabs
ε abs
ε cg Acg
Tahanan thermal antara kaca penutup dan
pelat absorber
R2 =
1
+ hr , cg − abs
hc , cg − abs
Koefisien perpindahan panas bagian
atas kolektor surya
UT =
1
R1 + R2 +
1
h1
Koefisien perpindahan panas total
U L = UT + U B
Faktor efisiensi kolektor
1
UL
F' =
1+
h1
sin
φ
2
+
1
1
1
+
h2 hr
Faktor aliran kolektor
.
ψ −
m .C P
AC .U L .F '
−1


F " = ψ 1 − e ψ 




E
D
D
E
Faktor pelepasan kalor
kolektor
FR = F ' .F "
Panas berguna dari kolektor
V = Vi + 0,05 m/s
[
]
Qu = Ac FR S − U L (T f , in − Tamb )
.
Efisiensi kolektor
.
η=
Qu
× 100 %
Ac IT
Yes
V <0,55 m/s
No
Plot grafik :
Grafik IT = f(waktu)
Grafik UL = f(intensitas, waktu)
Grafik Quseful = f(intensitas, waktu)
Grafik eff = f(intensitas, waktu
END
DATA HASIL PERHITUNGAN
Grafik UL = f
(intensitas,waktu)
Grafik Qu = f
(intensitas,waktu)
Grafik η = f
(intensitas,waktu)
KESIMPULAN
1. Rancang bangun kolektor surya dengan penambahan honey comb
pada aspect A = 3 akan meningkatkan efisiensi kolektor lebih
signifikan dibanding dengan kolektor surya pada aspek rasio A =
1,5, A = 1, A = 0,75 dan A = 0,6.
2. Koefisien perpindahan panas secara radiasi dan konveksi antara
kaca penutup dan plat absorber pada kolektor surya dengan aspek
rasio A = 3 lebih rendah dari pada kolektor surya dengan aspek
rasio A = 1,5, A = 1, A = 0,75 dan A = 0,6.
3. Koefisien perpindahan panas total pada kolektor surya dengan
aspek rasio plat A = 3 lebih kecil dari pada kolektor dengan aspek
rasio A = 1,5, A = 1, A = 0,75 dan A = 0,6.
4. Efisiensi kolektor surya dengan aspek rasio A = 3 lebih besar dari
pada efisiensi kolektor surya dengan aspek rasio A = 1,5, A = 1, A =
0,75 dan A = 0,6. Efisiensi tertinggi sebesar 49,97 % pada kolektor
surya dengan aspek rasio A = 3, yang dicapai pada tanggal 23 Juli
2010 pukul 13.00 dengan kecepatan fluida inlet sebesar 0,55 m/s.
5.
6.
Secara garis besar dapat dikatakan bahwa unjuk kerja kolektor
surya dengan aspek rasio A = 3 akan lebih baik dari pada kolektor
surya dengan aspek rasio A = 1,5, A = 1, A = 0,75 dan A = 0,6.
Energi yang berguna pada kolektor surya dengan aspek rasio plat
A = 0,6 lebih besar dari pada kolektor dengan aspek rasio plat A =
1,5, A = 1, A = 0,75 dan A = 3.
SIDANG TUGAS AKHIR
SEKIAN
TERIMA KASIH
Mohon kritik dan saran untuk kesempurnaan
tugas akhir