BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1 Kondisi Batas dan Meshing pada Perangkat Lunak
Kondisi batas yang digunakan pada sistem ini adalah pipa pada APK udara –tanah adalah pipa PVC dengan diameter pipa 4 inci. Pipa APK udara-tanah akan bersentuhan langsung dengan tanah, sehingga akan terjadi perpindahan panas konduksi antara tanah dengan permukaan luar pipa. Kalor pada permukaan dalam pipa PVC mengalami perpindahan panas konveksi dengan fluida udara yang mengalir dalam pipa PVC secara natural. Kondisi batas yang digunakan pada ruangan uji adalah ruangan dengan bahan batu bata dengan ukuran ruangan 2m x 2m x 2m, dan kondisi batas simulasi pada solar chimney, material solar chimney adalah seng, dengan tinggi solar chimney 5m dan 0.3m.
Setelah kondisi batas dimasukkan, maka tahapan selanjutnya adalah pengaturan meshing pada APK udara-tanah, ruangan uji, dan solar chimney. Pada meshing ini, apabila ukurannya semakin kecil, maka hasil yang diperoleh akan semakin teliti. Pada penelitian ini, digunakan Ansys 19.0 : Student Version untuk melakukan simulasi. Pada Ansys 19.0 : Student Version ini kondisi meshing paling besar sebanyak 512000 node dan 1024690 elemen. Untuk APK udara-tanah nodenya sebanyak 235632, untuk ruangan uji nodenya sebanyak 151989 dan untuk solar chimney nodenya sebanyak 75281. Secara lebih jelas dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.1.Meshing APK Udara-Tanah
Gambar 4.2.Meshing APK Udara-Tanah
Gambar 4.3.Meshing Ruangan Uji
Gambar 4.4.Meshing Ruangan Uji
Gambar 4.5.MeshingSolar Chimney 4.2 Tabel dan Grafik Hasil Pengujian
Pada subbab ini akan dipaparkan tabel dan grafik hasil pengujian dari solar chimney, ruangan uji, dan APK udara-tanah untuk data pada simulasi.
Temperatur yang diperoleh dari hasil pengujian menggunakan alat cole parmer dan omega. Pada pengujian ini menggunakan 10 channel, yaitu :
1. Inlet APK udara-tanah (Ch01) 2. Temperatur pada tanah (Ch02) 3. Outlet APK udara-tanah (Ch03) 4. Inlet ruangan uji (Ch04)
5. Tengah ruangan uji (Ch05) 6. Outlet ruangan uji (Ch06) 7. Inlet solar chimney (Ch07)
8. Bagian depan solar chimney (Ch08) 9. Bagian belakang solar chimney (Ch09) 10. Outlet solar chimney (Ch10)
Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian APK udara-tanah
Gambar 4.6.Grafik Hasil Pengujian APK
Tabel 4.2. Data Hasil Pengujian Ruangan
Gambar 4.7.Grafik Hasil Pengujian Ruangan
4.3 Hasil Perhitungan Simulasi
Berikut ini akan ditampilkan hasil analisa berupa temperatur, aliran udara, dan laju aliran massa. Pada simulasi ini simulasi dilakukan dengan metode SteadyState dimana parameter-parameter yang akan di input berupa temperatur, kecepatan, garis bujur, garis lintang, dan material benda.
4.3.1 Simulasi pada Solar Chimney
Simulasi pada Solar Chimney akan dilakukan dengan memasukkan beberapa parameter yang didapat dari data pengujian eksperimental, data tersebut berupa temperatur inlet, temperatur plat, dan juga posisi lintang dan posisi bujur.
Nilai parameter tersebut dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.3. Data Hasil Pengujian Solar Chimney
Berdasarkan dari tabel diatas, maka hasil simulasi akan dibagi menjadi 3 bagian yaitu pada saat nilai minimal, nilai maksimal, dan pada saat nilai rata-rata.
Gambar 4.8a. KonturTemperatur Maksimum pada Solar Chimney b. KonturKecepatan Maksimum pada Solar Chimney TInlet( oC) TOutlet( oC) TPlattimur
Rata-rata 33,3977 36,2246 36,7114 41,7119 0,0123
a b
Pertama akan dilakukan simulasi dari nilai maksimum yang diperoleh.
Dari hasil simulasi pada gambar 4.8a yaitu kontur temperatur pada solar chimney dapat dilihat adanya kenaikan temperatur pada fluida yang berada didalam solar chimney. Pada gambar 4.8b adalah kontur kecepatan pada didalam solar chimney, yang dimana dapat dilihat kecepatan tersebut pada ketinggian tertentu akan bertambah cepat yang disebabkan oleh perbedaan berat jenis, yang dimana berat jenis udara panas lebih rendah daripada berat jenis udara dingin.
Gambar 4.9. Kontur Temperatur Maksimum Solar Chimney
Pada gambar 4.9. diatas dapat dilihat temperatur pada sisi keluar solar chimney sebesar 323,71 K atau 50,71oC. Untuk mendapat temperatur pada sisi keluar solar chimneydigunakan fitur probe untuk mendapatkan temperatur yang lebih spesifik.
Gambar 4.10. mass flow rate
Pada gambar diatas dapat kita lihat laju aliran massa atau mass flow rate yang di tandai dengan lingkaran bewarna merah sebesar 0,020669 kg/s. Setelah simulasi pada keadaan maksimum dilakukan, maka selanjutnya akan dilakukan simulasi pada keadaan minimum dengan cara mengganti parameter yang ada.
Gambar 4.11a. KonturTemperatur Minimum pada Solar Chimney b. KonturKecepatan Minimum pada Solar Chimney
Pada gambar 4.11 diatas dapat dilihat kontur temperatur dan kecepatan solar chimney pada keadaan minimum. Dapat dilihat pada gambar 4.11a udara dingin dengan temperatur 300,139K atau 27,139oC mengalir menuju atas keluar dari solar chimney, dan pada sisi keluar solar chimney udara berubah temperatur menjadi sekitar 302,471K atau 29,471oC. Pada gambar 4.11b gambar kontur kecepatan pada solar chimney dapat dilihat kecepatan bertambah cepat pada ketinggian tertentu.
a b
Gambar 4.12. Kontur Temperatur Minimum Solar Chimney
Pada gambar 4.12. diatas dapat dilihat temperatur pada sisi keluar solar chimney sebesar 300,15 K atau 27,15oC.
Gambar 4.13. Mass Flow Rate
Pada gambar 4.13. diatas dapat kita lihat laju aliran massa atau mass flow rate sebesar 0,00623479 kg/s. Setelah simulasi pada keadaan maksimum dan minimum telah dilakukan, maka selanjutnya akan dilakukan simulasi pada keadaan rata-rata dengan cara mengganti parameter yang ada.
Gambar 4.14a. KonturTemperatur Rata-rata pada Solar Chimney
a b
b. KonturKecepatan Rata-rata pada Solar Chimney
Gambar 4.14 diatas adalah gambar dari kontur temperatur dan kontur kecepatan pada solar chimney yang disimulasikan pada keadaan rata-rata.
Gambar 4.15. Kontur Temperatur Solar Chimney
Pada gambar 4.15. diatas dapat dilihat temperatur pada sisi keluar solar chimney sebesar 309,66 K atau 36,66oC.
Gambar 4.16. Mass Flow Rate
Pada gambar 4.16. diatas dapat kita lihat laju aliran massa atau mass flow rate sebesar 0,012758 kg/s.
Tabel 4.4. Data Simulasi Solar Chimney
Gambar 4.17.Kontur Tekanan pada solar chimney
Pada gambar 4.17. diatas adalah kontur atau distribusi tekanan pada solar chimney. Udara pada ruangan dapat terhisap atau pun dapat tersikulasi disebabkan adanya perbedaan tekanan pada solar chimney. Udara akan dapat mengalir dari
Eksperimental Simulasi Persen Ralat(%)
TOutlet
tekanan yang besar ke tekanan yang lebih kecil. Pada penelitian yang dilakukan, perbedaan tekanan dianalisa oleh saudara Tumpal Ramos Simangunsong.
Berdasarkan perhitungan yang dilakukan perbedaan besar tekanan sebesar 1,795 Pa.
Gambar 4.18.Kontur Tekanan pada solar chimney 2
Gambar 4.18. diatas diambil dari penelitian Ahmed Ayadi. Pada gambar tersebut dapat diperhatikan, tekanan yang paling besar pada bagian bawah yaitu pada bagian kolektor surya solar chimney. Hal tersebut disebabkan pada penelitian Ahmed Ayadi disertakan kolektor pada bagian bawah solar chimney sehingga panas pada kolektor akan menyebabkan tekanan yang lebih besar dan akan membuat aliran udara lebih cepat mengalir.
4.3.2 Simulasi pada APK
Setelah melakukan simulasi pada solar chimney maka langkah selanjutnya adalah simulasi pada APK. Sama seperti simulasi pada Solar Chimney, simulasi pada APK akan dilakukan dengan memasukkan beberapa parameter yang didapat
dari data pengujian eksperimental, data tersebut berupa temperatur inlet, temperatur tanah, dan kecepatan udara. Nilai parameter tersebut dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Pada simulasi APK ini, temperatur pada pipa atau temperatur tanah dianggap seragam.
Tabel 4.5. Data Hasil Pengujian APK
Gambar 4.19. Temperatur Maksimum Volume Rendering
Pada gambar 4.19. diatas adalah gambar Temperatur dari APKdengan memasukkan parameter maksimum. Dapat dilihat pada gambar diatas kontur bewarna merah menunjukkan udara panas yang masuk kedalam pipa dan mengalir sepanjang pipa. Perubahan kontur warna terjadi secara perlahan dari merah hingga biru. Perubahan kontur warna ini menunjukkan bahwa perubahan temperatur yang terjadi pada sistem. Kontur warna merah menunjukkan udara panas, dan kontur
TInlet( oC) TOutlet( oC) TTanah( oC) Maksimum 32,29 28,21 27,6700
Minimum 29,4841 27,3507 26,9584 Rata-rata 31,17 27,74 27,46
warna biru menunjukkan udara dingin. Pada simulasi ini temperatur tanah yang dianggap merata sepanjang pipa sebesar 28,21oC.
Gambar 4.20. Temperatur Maksimum pada Outlet
Pada gambar 4.20. diatas dapat dilihat temperatur outlet pada hasil simulasi adalah sebesar 301,026 K atau 28,026oC.
Gambar 4.21a. Volume Rendering Temperatur Rata-rata APK
a b
b. Volume Rendering Temperatur Minimum APK
Pada gambar 4.21a dan 4.21b diatas adalah Volume Rendering Temperatur dari APK. 4.21a adalah temperatur rata-rata APK dan 4.21b adalah temperatur minimum APK. Secara sekilas penyebaran temperatur pada gambar diatas tampak sama. Untuk dapat mengetahui perbedaannya bisa dilihat pada legend pada gambar diatas. Sebagai contohnya, untuk gambar 4.21a warna merah menunjukkan temperatur sebesar 304,320 K dan untuk gambar 4.21b warna merah menunjukkan temperatur sebesar 303,1 K.
Gambar 4.22. Temperatur Rata-rata pada Outlet
Pada gambar 4.22. diatas dapat dilihat temperatur outlet pada hasil simulasi adalah sebesar 300,91 K atau 27,91oC
.
Gambar 4.23. Temperatur Minimum pada Outlet
Pada gambar 4.23. diatas dapat dilihat temperatur outlet pada hasil simulasi adalah sebesar 299,33 K atau 26,33oC
Tabel 4.6. Data Simulasi APK
TInlet( oC) TOutlet( oC) Persen
4.3.3 Simulasi pada Ruangan
Simulasi pada solar chimney dan pada APK udara-tanah telah dilakukan, maka selanjutnya adalah simulasi pada ruangan. Sama seperti solar chimney dan APK udara-tanah, simulasi pada ruangan juga akan dilakukan dengan memasukkan beberapa parameter yaitu temperatur udara masuk, kecepatan udara masuk, dan temperatur ruangan sebelum sistem berjalan. Kecepatan udara masuk dianggap konstan sebesar 0,3 m/s dan temperatur ruangan dianggap sebesar 29 oC.
Tabel 4.7. Data Hasil Pengujian Ruangan
Sebelum menunjukkan kontur temperatur pada ruangan pada saat maksimum, minimum, dan rata-rata, dua gambar dibawah ini akan menunjukkan
TInlet( oC) TRuangan
( oC) T0 ( oC) Maksimum 34,7153 31,6475 29
Minimum 24,4623 25,2653 29 Rata-rata 27,14874 28,2949 29
bagaimana aliran udara pada ruangan dan kontur temperatur pada ruangan sebelum sistem berjalan.
Gambar 4.24. Aliran Udara pada Ruangan
Gambar 4.25. Kontur Temperatur Awal pada Ruangan
Simulasi pertama akan dilakukan dengan memasukkan nilai maksimum.
Ada perbedaan yang terjadi pada kontur temperatur awal pada ruangan. Hal ini disebabkan karena temperatur pada inlet lebih panas daripada temperatur pada awal ruangan, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.26. Kontur Temperatur Awal pada Ruangan Maksimum
Pada gambar diatas kontur temperaturnya berbeda dengan gambar 4.25., pada gambar 4.25. kontur temperaturnya bewarna merah dan temperaturnya sebesar 301,998 K atau 28,998 oC. Akan tetapi pada gambar 4.26. diatas, kontur temperaturnya bewarna biru dan temperaturnya sebesar 302,150 atau 29,15 oC.
Untuk keterangannya dapat dilihat pada legend di sebelah kiri gambar.
Gambar 4.27. Kontur Temperatur Maksimum pada Ruangan
Pada gambar 4.27. diatas dapat dilihat temperatur ruangan pada hasil simulasi adalah sebesar 303,595 K atau 30,595oC.
Gambar 4.28. Kontur Temperatur Minimum pada Ruangan
Pada gambar 4.28. diatas dapat dilihat temperatur ruangan pada hasil simulasi adalah sebesar 300,883 K atau 27,883oC. Kontur pada gambar 4.27. dan 4.28. tampak sangat berbeda. Seperti yang sudah dijelaskan pada keterangan sebelumnya, warna biru pada gambar 4.27. menunjukkan temperatur 29 oC dan warna biru pada gambar 4.28. menunjukkan temperatur 24,15 oC.
Gambar 4.29. Kontur Temperatur Rata-rata pada Ruangan
Pada gambar 4.29. diatas dapat dilihat temperatur ruangan pada hasil simulasi adalah sebesar 301,634 K atau 28,634oC.
Tabel 4.8. Data Hasil Simulasi Ruangan
TInlet( oC) TRuangan ( oC) Persen Ralat (%)
Eksperimental Simulasi
Maksimum 34,7153 31,6475 30,595 3,3256
Minimum 24,4623 25,2653 27,883 10.3609
Rata-rata 27,14874 28,2949 28,634 1,1984
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan penelitian dan simulasi yang telah dilakukan dan dilaporkan pada bab-bab sebelumnya, maka kesimpulan yang didapat dari hasil penelitian ini adalah :
1. Setelah dilakukannya simulasi dengan menggunakan Ansys 19.0 didapat temperatur ruangan maksimal sebesar 30,595oC, temperatur ruangan minimum sebesar 27,883 oC dan temperatur ruangan rata-rata sebesar 28,634oC. Persen ralat terbesar ada pada simulasi pada temperatur ruangan minimum yaitu sebesar 10,3609%.
2. Setelah dilakukan simulasi pada solar chimney untuk diketahui berapa besar lajur aliran massa yang terjadi, didapat besar laju aliran massa pada keadaan maksimum sebesar 0,0206kg/s, keadaan minimum sebesar 0,0062kg/s, dan pada keadaan rata-rata sebesar 0,0127kg/s. Persen ralat terbesar ada pada keadaan rata-rata yaitu sebesar 7,1%.
3. Dengan menggunakan metode perhitungan dinamika fluida, maka diperoleh temperatur keluar maksimum sebesar 28,026oC, temperatur keluar minimum sebesar 26,33oC, dan temperatur keluar rata-rata sebesar 27,91oC. Persen ralat terbesar ada pada keadaan minimum yaitu sebesar 3,7318%
4. Pada bab IV pada gambar 4.17. dapat kita lihat bagaimana perubahan tekanan pada solar chimney. Pada kontur yang ada pada gambar tersebut, tekanan terbesar berada pada bagian bawah solar chimney sehingga udara dapat bergerak keatas dan dapat menyebabkan udara bersikulasi.
5.2 Saran
Adapun saran saya adalah sebagai berikut :
1. Untuk penelitian selanjutnya, disarankan pada solar chimney dilengkapi dengan kolektor sehingga kerja dari solar chimney dapat lebih efektif.
2. Untuk mendapatkan hasil yang lebih bagus dan kinerja yang lebih bagus, disarankan untuk penelitian selanjutnya jarak antar solar chimney dengan ruangan dan ruangan dengan APK udara-tanah tidak terlalu jauh sehingga kinerja sistem ini lebih efektif
3. Simulasi dengan menggunakan ansys 19.0 : Student Version sudah bagus, akan tetapi memiliki kekurangan yaitu jumlah meshing yang dibatasi sampai dengan 512000 nodes. Meshing yang kecil dibutuhkan agar mendapatkan hasil yang lebih teliti. Disarankan pada penelitian selanjutnya menggunakan ansys full version.
DAFTAR PUSTAKA
1. Duffie, John A, and A William Beckman. 2013. Solar Engineering of Thermal Processes. 4th. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc.
2. Kasaeian, A.B. 2015. A Review on Solar Chimney System. Iran : Renewable and Sustainable Energy Reviews.
3. Panjaitan, Marthin. 2018. Simulasi Aliran Fluida pada Alat Penukar Kalor Udara-Tanah Siklus Terbuka Dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD). Medan : Universitas Sumatera Utara.
4. Holman, J. P. 2010. Heat Transfer tenth edition.New York: McGraw-Hill 5. Ambarita, Himsar. 2018. Perpindahan Panas dan Massa : Penyelesaian
Analitik dan Numerik. Medan : Inteligensia Media.
6. Incropera F.P. 2011. Fundamentas Of Heat and Mass Transfersixth edition. New York : John Wiley & Sons.
7. Cengel, Yunus A. 2002. Heat Transfer : A Practical Approach second edition. New York: McGraw-Hill.
8. Bisoniya TS , Kumar A,Baredar P.2014.Review Article Study on Calculation Models of Earth-AirHeat Exchanger System. Energy and Buildings.
9. Ashrae Handbook Committee. 1997. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers 2001 Fundamentals Handbook.
10. Standar Nasional Indonesia. 2001. Tata Cara Perancangan Sistem
Ventilasi dan Pengkondisian Udarapada Bangunan Gedung (SNI 03-6572-2001).
11. Li, Haorong. 2013. Performance of a Coupled Cooling System with Earth-to-Air Heat Exchanger and Solar Chimney. Nebraska : Renewable Energy.
12. Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung : Informatika Bandung
13. Ambarita, Himsar. 2010. Persamaan Pembentuk Aliran. Teknik Mesin USU
14. Lestari, Indria, Sari 2016. Rancang Bangun Solar Chimney Sebagai Alat Pengkonversi Energi Surya Menjadi Energi Mekanika Dengan Kolektor Bersirip. Malang : Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim.
15. Li, Deying. 2015. The Study on Numerical Simulation of Classrooms Using Hybrid Ventilation Under Different Solar Chimney Radiation.
Beijing : Building Energy and Environment (COBEE).
16. Pinem, Mhd Daud. 2017. ANSYS : Menganalisis Berbagai Permasalahan Dalam Ilmu Keteknikan. Bandung : Informatik.
17. Ayadi, Ahmed.2018.Effect og the turbulence model on the simulation of the air flow in a solar chimney.Tunisia:Thermal Sciences.
18. Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation. Ansys Inc.
LAMPIRAN
LAMPIRAN 1 METODE SIMULASI
LAMPIRAN 2
DATA HASIL PENGUJIAN
Data Hasil Pengujian APK udara-tanah
Time Soil In Out Time Soil In Out Time Soil In Out
Data Hasil Pengujian Ruangan
Data Hasil Pengujian Solar Chimney
Time In Out Plat Time In Out Plat Time In Out Plat
10.50 29 28 33 12.30 29 36 30.5 14.10 32 36 41 10.55 30 28 34 12.35 29 36 30.5 14.15 34 36 44.5 11.00 30 28 34.5 12.40 28 35 30 14.20 34 37 43 11.05 30 27 35.5 12.45 27 35 29.5 14.25 34 37 43.5 11.10 31 26 35.5 12.50 27 33 30.5 14.30 34 38 43 11.15 31 26 36.5 12.55 28 33 31.5 14.35 34 39 43.5 11.20 31 28 35.5 13.00 29 32 34.5 14.40 34 40 43 11.25 31 29 35 13.05 30 32 35.5 14.45 34 40 42.5 11.30 30 30 35 13.10 32 32 39 14.50 33 40 43.5 11.35 31 28 36 13.15 32 32 39.5 14.55 33 41 41.5 11.40 31 28 36.5 13.20 32 33 39 14.55 33 41 42.5 11.45 32 29 36.5 13.25 32 34 37.5 15.00 33 40 43.5 11.50 32 30 36.5 13.30 30 35 34.5 15.05 33 40 42.5 11.55 32 31 35 13.35 31 35 34.5 15.10 33 40 40.5 12.00 32 32 35 13.40 31 34 34 15.15 32 40 37.5 12.05 31 32 35 13.45 31 34 37 15.20 31 41 36 12.10 31 32 34.5 13.50 31 34 39 15.25 31 40 36.5 12.15 31 33 33.5 13.55 32 34 41.5 15.30 31 40 37 12.20 31 33 34.5 14.00 33 35 41 15.35 31 41 40.5 12.25 29 36 31.5 14.05 32 36 41 15.40 31 40 41
Data Hasil Perhitungan dari Persamaan Radiasi Teoritis
Data radiasi Teoritis
18 April 2018
Waktu
9 10 11 12 13 14 15 16 17
ω -51,43 -36,43 -21,43 -6,43 8,57 23,57 38,57 53,57 68,57
Cos θz 0,62 0,80 0,92 0,99 0,98 0,91 0,78 0,59 0,37
τb 0,52 0,58 0,61 0,62 0,62 0,61 0,57 0,51 0,38
Gb
(W/m2) 438,30 627,26 762,74 830,93 825,62 747,27 603,11 408,21 191,11 Gd
(W/m2) 99,76 109,41 115,04 117,61 117,41 114,43 108,31 97,93 79,51 Gtotal
(W/m2) 538,06 736,67 877,77 948,54 943,03 861,71 711,42 506,14 270,61
LAMPIRAN 3
TABEL SIFAT MATERIAL