SIMULASI PELELEHAN DAN PEMBEKUAN PADA PHASE
CHANGE MATERIAL DI DALAM PEMANAS AIR TENAGA
SURYA DENGAN MENGGUNAKAN METODE PERHITUNGAN
KOMPUTASI DINAMIK
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
TRI SEPTIAN MARSAH NIM. 090401026
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
SIMULASI PELELEHAN DAN PEMBEKUAN PADA PHASE
CHANGE MATERIAL DI DALAM PEMANAS AIR TENAGA SURYA
DENGAN MENGGUNAKAN METODE PERHITUNGAN
KOMPUTASI DINAMIK
TRI SEPTIAN MARSAH
NIM. 090401026Diketahui / Disahkan : Disetujui
Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing
Fakultas Teknik - USU
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2120 / TS / 2013
FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : 19 Juli 2013
MEDAN PARAF :
TUGAS SARJANA
NAMA : TRI SEPTIAN MARSAH
NIM : 090401026
MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
SPESIFIKASI : LAKUKAN SIMULASI PELELEHAN DAN
PEMBEKUAN PADA PHASE CHANGE MATERIAL DI DALAM KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA UNTUK MENGETAHUI PROSES PELELEHAN DAN PEMBEKUAN PADA PHASE CHANGE MATERIAL DI DALAM KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA SECARA BERTAHAP DAN SEBAGAI GAMBARAN AWAL DALAM PERANCANGAN KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA YANG SEBENARNYA
DIBERIKAN TANGGAL : 19 Juli 2013 SELESAI TANGGAL :
MEDAN, 19 Juli 2013
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
Sub. Program studi : Konversi Energi
Bidang Tugas : Computational Fluid Dynamic(CFD)
Judul Tugas : Simulasi pelelehan dan pembekuan pada phase change material di dalam pemanas air tenaga surya menggunakan computational fluid dynamic
Diberikan Tanggal : Juli 2013 Selesai Tgl : Maret 2014
Dosen Pembimbing : Tulus Burhanuddin Sitorus,ST.MT Nama Mahasiswa : Tri Septian Marsah N.I.M : 090401026
No Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan
Dosen Pemb. 1 19 Juli 2013 Spesifikasi tugas skripsi
2 18 Agustus 2013 Penyelesaian proposal skripsi 3 20 Agustus 2013 Diagram alir penelitian 4 2 September 2013 Asistensi BAB I 5 20 September 2013 Asistensi BAB II 6 25 Oktober 2013 Metode pada simulasi 7 15 Desember 2013 Asistensi BAB III 8 22 Januari 2014 Asistensi BAB IV
9 5 Februari 2014 Perbaiki hasil analisa data 10 19 Februari 2014 Lanjut BAB V dan lengkapi 11 12 Maret 2014 Perbaikan sistem penulisan 12 Maret 2014 ACC seminar
Diketahui / Disahkan:
Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik – USU
CATATAN:
1. Kartu ini harus diperlihatkan Kepada Dosen Pembimbing setiap Asistensi
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik mungkin.
Skripsi ini berjudul “SIMULASI PELELEHAN DAN PEMBEKUAN
PADA PHASE CHANGE MATERIAL DI DALAM PEMANAS AIR
BERTENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN METODE PERHITUNGAN KOMPUTASI DINAMIK”. Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata-1(S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang penulis lakukan dapat terlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada :
1. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayangnya yang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi ini dapat berjalan dengan baik.
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku dosen pembimbing penulis yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada penulis
3. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing, membantu dan mengajari penulis selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini.
kepada penulis .
7. Abang dan adik di teknik mesin yang telah memberikan semangat dan motivasi kepada penulis.
8. Seluruh pihak yang banyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini .
Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi penulis – penulis khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun dari pembaca .
Medan , Maret 2014
ABSTRAK
Solar water heater merupakan pemanas air dengan memanfaatkan tenaga surya sebagai sumber energi penghasil panasnya. Solar water heater yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan sistem penyimpan panas sementara yaitu dengan menggunakan phase change material. Hal ini dilakukan supaya pemanas air dapat digunakan hingga malam hari.
Banyak faktor – faktor yang mempengaruhi efisiensi solar water heater
yaitu pengaturan jarak antara kaca pertama dan kedua, pengaturan jarak kaca kedua dan plat absorber, ketebalan kaca, dan properties material yang digunakan. Oleh karena biaya pabrikasi yang mahal maka perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan komputer. Penelitian ini berfokus pada proses pelelehan dan pembekuan pada phase change material yang disinari matahari mulai dari pagi hingga malam hari. Pemanas air yang disimulasikan dalam bentuk 2D dengan ukuran dimensi 1025 x 160 mm sedangkan data radiasi matahari yang digunakan pada tanggal 28 september 2013. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa phase change material mulai meleleh sekitar pukul 13.00 WIB sedangkan untuk proses pembekuan mulai terjadi sekitar jam 19.00 WIB.
ABSTRACT
Solar water heater is a water heater by utilizing solar energy as a heat -producing energy sources . Solar water heater used in this study using temporary heat storage system by using phase change materials . with the result that the water heater can be used until the evening.
Many factors that affect the efficiency of the solar water heater is the spacing between the first and second glass , spacing and second glass plate absorber , the thickness of the glass and the materials used to properties . Because of very high cost to build the water heater so as the solution it can be simulated with the computer. This study focuses on the process of melting and solidification of the phase change material is irradiated to the sun from morning till night . The water heater is simulated in 2D with dimensions 1025 x 160 mm , while the data of solar radiation that is used on september 28th , 2013. From the simulation results showed that the phase change material starts to melt at around 13:00 pm while to start the solidification process occurred at around 19:00 pm .
DAFTAR ISI
2.2.3 Jenis-jenis solar water heater ... 12
2.2.4 Jenis-jenis kolektor surya ... 15
2.3 Tinjauan perpindahan panas ... 19
2.3.1 Konduksi ... 20
2.3.2 Konveksi ... 20
2.3.3 Radiasi ... 21
2.3.4 Konveksi natural ... 28
2.4 Phase change material (PCM) ... 29
2.4.1 Karakteristik dan klasifikasi ... 29
2.4.2 Stearic acid ... 31
2.5 Computational fluid dynamics (CFD) ... 32
2.5.2 Manfaat CFD ... 39
2.5.3 Metode diskritisasi CFD ... 39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 41
3.1 Waktu dan Tempat ... 41
3.5.5 Validasi simulasi... 59
3.5.6 Analisa data ... 59
3.5.7 Kesimpulan dan saran ... 59
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 60
4.1 Analisa perpindahan panas pada kolektor ... 60
4.2 Validasi terhadap eksperimen ... 66
4.3 Analisis radiasi teoritis ... 70
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 74
5.1 Kesimpulan ... 74
5.2 Saran ... 74
DAFTAR PUSTAKA ... xii
LAMPIRAN 1 DATA RADIASI MATAHARI PADA TANGGAL 28 SEPTEMBER 2013
LAMPIRAN 3 LANGKAH PENGERJAAN SIMULASI CFD PADA PROSES PELELEHAN DAN PEMBEKUAN PCM DI DALAM ALAT KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA LAMPIRAN 4 DATA NUMERIK HASIL SIMULASI PADA BAGIAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Matahari ... 5
Gambar 2.2 Struktur Matahari ... 6
Gambar 2.3 Ilustrasi model pemanas air Clarence ... 9
Gambar 2.4 Model dan konsep Bailey yang masih digunakan hingga sekarang ... 10
Gambar 2.5 Skema solar water heater ... 11
Gambar 2.6 Direct circulation system... 13
Gambar 2.7 Indirect circulation system (ICS) ... 14
Gambar 2.8 Passive system ... 15
Gambar 2.9 Klasifikasi kolektor plat datar ... 16
Gambar 2.10 Skema matahari pada jarak R dari kosentrator ... 17
Gambar 2.11 Klasifikasi kolektor konsentrator ... 17
Gambar 2.12 kolektor tabung vakum ... 18
Gambar 2. 13 Klasifikasi kolektor tabung vakum ... 19
Gambar 2.14 Proses perpindahan panas konveksi ... 21
Gambar 2.15 Pergerakan bumi terhadap matahari ... 22
Gambar 2.16 Hubungan matahari dan bumi ... 22
Gambar 2.17 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ... 25
Gambar 2. 18 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas ... 28
Gambar 2.19 Wujud fisik stearic acid ... 32
Gambar 2.20 ... Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ... 33
Gambar 2.21 Aliran momentum pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ... 34
Gambar 2.22 Perpindahan energi massa dan panas pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ... 37
Gambar 3.1. Diagram Alir Pengerjaan Penelitian... 43
Gambar 3.2. Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan dan Simulasi Menggunakan Program CFD ... 45
Gambar 3.3 Geometri pemodelan dalam bentuk garis ... 46
Gambar 3.5 Geometri garis yang telah diubah menjadi surface
dua dimensi ... 47
Gambar 3.6 Garis geometri yang telah dimesh ... 48
Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibentuk pada Gambit ... 49
Gambar 3.8 Kondisi batas pada garis geometri ... 50
Gambar 3.14 Model simulasi yang digunakan ... 53
Gambar 3.15 Kotak dialog multiphase model ... 53
Gambar 3.16 mengaktikan energy equation ... 54
Gambar 3.17 Model aliran yang digunakan pada kasus simulasi ... 54
Gambar 3.18 pemilihan model radiation pada kotak dialog radiation model ... 55
Gambar 3.19 model solidification and melting ... 55
Gambar 3.20 Kotak dialog create/edit materials ... 56
Gambar 3.21 Pemilihan phase material pada kotak dialog phase ... 56
Gambar 3.22 penentuan jenis boundary conditions ... 57
Gambar 3.23 menentukan model yang digunakan pada heat flux ... 57
Gambar 3.24 pengaturan patch pada variabel volume fraction ... 58
Gambar 3.25 proses iterasi ... 58
Gambar 4.1 Gambar potongan kolektor Solar Water Heater (SWH) ... 60
Gambar 4.2 Grafik radiasi matahari pada tanggal 28 september 2013 . 61 Gambar 4.3 Distribusi temperatur radiasi pada kolektor dengan dipanasi dibawah sinar matahari selama 8 jam. ... 63
Gambar 4.4 Distribusi melelehnya PCM pada kolektor dengan dipanasi dibawah sinar matahari selama 8 jam. ... 64
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi kolektor berdasarkan konsentrasi... 19
Table 2.2 Urutan hari berdasarkan bulan ... 23
Tabel 2.3 Faktor Koreksi Iklim ... 27
Table 2.4 Beberapa jenis PCM ... 30
Tabel 4.1 Propertis material stearic acid ... 63
DAFTAR SIMBOL
θ Sudut dari matahari o
Laju perpindahan panas konduksi W
k Nilai konduksi benda W/moC
A Luas penampang m2
T1 Temperatur awal oC
T2 Temperatur akhir oC
Δx Ketebalan dinding benda m
Perpindahan panas konveksi W
h Koefisien konveksi W/m2.oC
As Luas permukaan perpindahan panas m2
Ts Temperatur permukaan oC
T∞ Temperatur lingkungan oC
Gon Radiasi yang diterima atmosfer bumi W/m2
Gsc Radiasi rata-rata yang diterima atmosfer W/m2
B Konstanta hari -
n Tanggal ke-I -
ma Air mass -
ST Jam matahari -
STD Waktu lokal -
Lst Standar meridian untuk waktu local o
Lloc Derajat bujur untuk daerah yang dihitung o
E Faktor persamaan waktu menit
δ Sudut deklinasi rad
θz sudut zenith o
ω Sudut jam matahari o
Fraksi radiasi matahari -
a Ketinggian dari permukaan bumi km
ro,r1,rk faktor koreksi akibat iklim -
Gbeam Radiasi yang di transmisikan dari atmosfer W/m2
Gdiffuse Radiasi yang dipantulkan kesegala arah W/m2
Gtotal Radiasi total W/m2
Kerapatan massa jenis kg/m3
u Kecepatan terhadap sumbu x m/s
v Kecepatan terhadapa sumbu y m/s
F gaya yang terjadi N
P Tekanan N/m2
Estream Energi total W
h entalphi
ke energi kinetik kg.m2/s2
pe energi potensial kg.m2/s2
Cp Panas spesifik J/kg.oC
ABSTRAK
Solar water heater merupakan pemanas air dengan memanfaatkan tenaga surya sebagai sumber energi penghasil panasnya. Solar water heater yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan sistem penyimpan panas sementara yaitu dengan menggunakan phase change material. Hal ini dilakukan supaya pemanas air dapat digunakan hingga malam hari.
Banyak faktor – faktor yang mempengaruhi efisiensi solar water heater
yaitu pengaturan jarak antara kaca pertama dan kedua, pengaturan jarak kaca kedua dan plat absorber, ketebalan kaca, dan properties material yang digunakan. Oleh karena biaya pabrikasi yang mahal maka perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan komputer. Penelitian ini berfokus pada proses pelelehan dan pembekuan pada phase change material yang disinari matahari mulai dari pagi hingga malam hari. Pemanas air yang disimulasikan dalam bentuk 2D dengan ukuran dimensi 1025 x 160 mm sedangkan data radiasi matahari yang digunakan pada tanggal 28 september 2013. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa phase change material mulai meleleh sekitar pukul 13.00 WIB sedangkan untuk proses pembekuan mulai terjadi sekitar jam 19.00 WIB.
ABSTRACT
Solar water heater is a water heater by utilizing solar energy as a heat -producing energy sources . Solar water heater used in this study using temporary heat storage system by using phase change materials . with the result that the water heater can be used until the evening.
Many factors that affect the efficiency of the solar water heater is the spacing between the first and second glass , spacing and second glass plate absorber , the thickness of the glass and the materials used to properties . Because of very high cost to build the water heater so as the solution it can be simulated with the computer. This study focuses on the process of melting and solidification of the phase change material is irradiated to the sun from morning till night . The water heater is simulated in 2D with dimensions 1025 x 160 mm , while the data of solar radiation that is used on september 28th , 2013. From the simulation results showed that the phase change material starts to melt at around 13:00 pm while to start the solidification process occurred at around 19:00 pm .
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Solar water heater merupakan alat pemanas air yang memanfaatkan panasnya sinar matahari. Pemanas air bertenaga surya pertama ini tercatat sudah digunakan sebelum tahun 1900. Alat pertama ini terdiri dari tangki bercat hitam yang dipasang di atas atap. Pada tahun 1920, kota Florida dan California Selatan menggunakan pelat kolektor panas yang menangkap panas dari sinar matahari[11].
Selain di negara Amerika, ternyata solar water heater juga banyak digunakan oleh bangsa lain di Mediterania terutama oleh Israel. Pada tahun 1950 terjadi krisis bahan bakar di Israel sehingga pemerintah mengeluarkan larangan memanaskan air dari antara jam 22.00-06.00 waktu setempat. Levi Yissar, seorang pembuat prototipe pemanas air pertama di Israel, Membuat sebuah prototype yang dapat memanaskan air dengan menngunakan panas sinar matahari. Awalnya Levi membuatnya hanya untuk rumah pribadinya saja, namun banyak kerabat yang ingin memilikinya akhirnya beliau membua secara massal. Namun hanya 20% penduduk yang menggunakan alat ini hingga tahun 1967. Tetapi saat terjadi krisis energi, pemerintahan Israel mengeluarkan peraturan yang mengharuskan setiap rumah baru untuk menggunakan solar water heater. Dari peraturan ini pun pemerintahan Israel dapat menghemat setidaknya 2 juta barel minyak pertahunnya[11].
Seperti yang diketahui mandi atau berendam dalam air hangat memberi manfaat yang banyak untuk kesehatan tubuh maupun jiwa. Dr Bruce E. Becker, Direktur Medis dari St Luke Rehabilitasi Institute, telah meneliti manfaat air hangat bahwa mandi atau berendam dengan air hangat dapat membantu meningkatkan kesehatan jantung. Hal ini karena ketika sedang berendam atau mandi air hangat, memberikan tekanan pada tubuh yang akan menstimulasikan kerja pada jantung manusia[10].
Umumnya diperhotelan terutama yang berada di Indonesia masih menggunakan energi listrik atau bahan bakar fosil untuk memanaskan air. Untuk mengurangi kebutuhan energi tersebut, dikembangkan berbagai energi alternative diantaranya yaitu energi yang dapat diperbarui (renewable energi). Salah satu energi terbarukan tersebut adalah energi surya, hal ini dikarenakan letak geografis Indonesia yang terletak disekitar garis khatulistiwa. Potensi energi matahari di Indonesia khususnya kota Medan sangatlah besar.
Sementara, penelitian dalam pengembangan solar water heater biasanya memerlukan waktu yang sangat lama dan memerlukan biaya yang sangat besar. Untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan dalam pengembangan dan mengurangi biaya pengembangan diperlukan teknologi simulasi. Program CFD
(Computational Fluid Dynamics) merupakan salah satu teknologi simulasi yang digunakan dalam penelitian pengembangan dan menganalisis permasalahan yang ada pada solar water heater.
1.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukan penelitian skripsi ini adalah:
1. Membandingkan hasil penelitian dan analisa numerik Fluent terhadap perpindahan panas pada alat Solar Water Heater (SWH).
2. Untuk mengetahui proses melelehnya wax yang ada pada kolektor saat charge dengan menggunakan software fluent/ansys.
1.3 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada: 1. Model yang digunakan dalam bentuk dua dimensi (2D)
2. Kondisi simulasi yang dilakukan adalah transient dan adiabatik 3. Radiasi matahari dipengaruhi oleh kondisi cuaca.
4. Hanya mensimulasikan perubahan phasa PCM pada kolektor.
1.4 Manfaat Penulisan
Manfaat penulisan skripsi ini adalah:
1. Menganalisa dengan menggunakan software dapat menghemat biaya dan waktu penelitian.
2. Sebagai acuan untuk penelitian selanjutnya untuk memodifikasi alat Solar Water Heater.
3. Memberikan sumbangan pemikiran dalam perkembangan teknologi tentang energi terbarukan dan software.
1.5 Metode Pengumpulan Data
Adapun metode pengumpulan data pada skripsi ini antara lain: 1. Melakukan pengumpulan bahan dari buku-buku referensi 2. Melakukan pengujian simulasi menggunakan perangkat lunak 3. Melakukan diskusi dengan sesama tim tugas akhir
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran secara menyeluruh, sistematika penulisan skripsi ini adalah:
BAB I PENDAHULUAN
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan teori-teori yang mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi yaitu mengenai penjelasan luas tentang matahari, sejarah, komponen dan jenis – jenis solar water heater, jenis – jenis kolektor surya, pengertian phase change material (PCM).
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini membahas mengenai metode pelaksanaan penelitian, tempat, bahan dan alat serta prosedur simulasi yang digunakan dalam penelitian.
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Pada bab ini membahas mengenai data yang diperoleh dari hasil simulasi dan perbandingan data pengujian dengan analisa numerik hasil simulasi.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Matahari
Matahari merupakan salah satu bintang yang berada di tata surya dan menjadi pusatnya. Matahari dikategorikan sebagai bintang karena matahari mampu menghasilkan energi cahaya sendiri. Jika dilihat di bumi, cahaya matahari lebih terang dibandingkan cahaya bintang lainnya. Hal ini dikarenakan jarak matahari dan bumi jauh lebih dekat dibandingkan jarak bintang yang lain terhadapa bumi. Sehingga cahaya matahari lebih banyak dipancarkan ke bumi dibandingkan bintang yang lainnya. Hal ini yang menyebabkan pada waktu siang hari kita tidak dapat melihat bintang lain kecuali matahari.
Gambar 2.1 Matahari (http://en.wikipedia.org/wiki/Sun)
Matahari diprediksi terbentuk sekitar 4,6 miliar tahun lalu akibat peluruhan gravitasi suatu wilayah di dalam sebuah awan molekul besar. Sebagian besar materi mengumpul ditengah sedangkan sisanya menyebar seperti cakram yang akhirnya menjadi tata surya. Materi yang berada di pusat semakin panas dan padat, dan akhirnya terjadi proses fusi termonuklir pada intinya. Pakar astronomi menduga bahwa hampir semua bintang terbentuk dengan proses yang serupa. Para pakar astronomi juga menyimpulkan bahwa matahari memiliki struktur yang terdiri dari beberapa bagian penting yang dapat dilihat pada gambar 2.2. berikut dijelaskan beberapa bagian penting pada matahari tersebut, yaitu:
Gambar 2.2 Struktur Matahari(http://commons.wikimedia .org/wiki/File:Sun_diagram.svg)
A. Inti Matahari
Sementara itu, energi panas di dalam inti menyebabkan pergerakan elektron dan proton sangat cepat dan bertabrakan satu dengan yang lain menyebabkan reaksi fusi nuklir. Inti Matahari adalah tempat berlangsungnya reaksi fusi nuklir helium menjadi hidrogen. Energi hasil reaksi termonuklir di inti berupa sinar gamma dan neutrino memberi tenaga sangat besar sekaligus menghasilkan seluruh energi panas dan cahaya yang diterima di Bumi. Energi tersebut dibawa keluar dari Matahari melalui radiasi.
B. Zona Radiatif
Zona radiatif adalah daerah yang menyelubungi inti Matahari. Kepadatan pada zona radiatif adalah sekitar 20 g/cm3 dengan suhu dari bagian dalam ke luar antara 7 juta hingga 2 juta derajat Celcius. Suhu dan densitas zona radiatif masih cukup tinggi, namun tidak memungkinkan terjadinya reaksi fusi nuklir. Energi yang ditranferkan dari inti, dalam bentuk radiasi yang berkumpul di daerah ini sebelum diteruskan ke bagian matahari yang lebih luar[18].
C. Zona konvektif
Zona konvektif merupakan lapisan terluar matahari. Pada zona ini suhunya lebih rendah daripada di zona radiatif dan atom yang lebih berat tidak sepenuhnya terionisasi sehingga perpindahan panas radiatif menjadi kurang efektif. Suhu zona konvektif sekitar 2 juta0C. Energi dari inti Matahari membutuhkan waktu 170.000 tahun untuk mencapai zona konvektif. Saat berada di zona konvektif, pergerakan atom akan terjadi secara konveksi di area ini yang tersusun atas sel-sel gas raksasa yang terus bersirkulasi[18].
D. Fotosfer
Fotosfer atau permukaan Matahari meliputi wilayah setebal 500 kilometer dengan suhu sekitar 5.500oC atau 9932oF. Sebagian besar radiasi Matahari yang dilepaskan keluar berasal dari fotosfer. Energi tersebut diobservasi sebagai sinar Matahari di Bumi dan membutuhkan sekitar 8 menit untuk mencapai ke muka bumi[18].
E. Kromosfer
akan semakin meningkat seiring ketinggiannya, sekitar mencapai 20.000oC di dekat puncaknya. Warna dari kromosfer biasanya tidak terlihat karena tertutup cahaya yang begitu terang yang dihasilkan fotosfer. Kromosfer hanya dapat dilihat pada saat terjadi gerhana matahari total. Pada saat itu. Kromosfer tampak seperti gelang atau cincin yang berwarna merah[18].
F. Korona
Korona merupakan lapisan terluar dari Matahari. Lapisan ini berwarna putih, namun hanya dapat dilihat saat terjadi gerhana karena cahaya yang dipancarkan tidak sekuat bagian Matahari yang lebih dalam. Saat gerhana total terjadi, korona terlihat membentuk mahkota cahaya berwarna putih di sekeliling Matahari. Lapisan korona memiliki suhu yang lebih tinggi dari bagian dalam Matahari dengan rata-rata 2 juta derajat Fahrenheit, namun di beberapa bagian bisa mencapai suhu 5 juta derajat Fahrenheit[18].
G. Bintik matahari
Bintik Matahari adalah granula-granula cembung kecil yang ditemukan di bagian fotosfer Matahari dengan jumlah yang tak terhitung. Bintik Matahari tercipta saat garis medan magnet Matahari menembus bagian fotosfer. Ukuran bintik Matahari dapat lebih besar daripada Bumi. Bintik Matahari memiliki daerah yang gelap bernama umbra, yang dikelilingi oleh daerah yang lebih terang disebut penumbra.
Warna bintik Matahari terlihat lebih gelap karena suhunya yang jauh lebih rendah dari fotosfer. Suhu di daerah umbra adalah sekitar 2.200 °C sedangkan di daerah penumbra adalah 3.500 °C[18].
H. Lidah api (prominensa)
Prominensa adalah salah satu ciri khas Matahari, berupa bagian Matahari menyerupai lidah api yang sangat besar dan terang yang mencuat keluar dari bagian permukaan serta seringkali berbentuk loop (putaran.
Pergerakan semburan korona tersebut terjadi pada kecepatan yang sangat tinggi, yaitu antara 20 ribu m/s hingga 3,2 juta km/s. Pergerakan tersebut juga menyebabkan peningkatan suhu hingga puluhan juta derajat dalam waktu singkat[18].
2.2. Solar Water Heater
2.2.1. Sejarah Solar Water Heater
Gambar 2.3 Ilustrasi model pemanas air Clarence (http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating)
Pada tahun 1895, Clarence menjual hak eksklusif manufaktur sistem pemanas airnya kepada dua pengusaha dari Pasadena, California. Kemudian kedua pengusaha tersebut menemukan bahwa di California bagian selatan seperti Los Angeles dan San Diego memiliki iklim yang lebih cerah dan merupakan pasar yang lebih menjanjikan [21].
Gambar 2.4 Model dan konsep Bailey yang masih digunakan hingga sekarang (http://smartwaterheaters.com/work/sanken-solarex-flatium-solar-water-heater)
Sekitar tahun 1941, semua produsen solar water heater dihentikan saat perang dunia II berlangsung. Hal ini disebabkan komponen utama pada pemanas air yaitu tembaga, sangat diperlukan untuk penggunaan militer saat itu sehingga perusahaan-perusahaan dalam bidang manufaktur menghentikan produksi solar water heater. Ketika perang dunia II usai, perusahan kembali memproduksi pemanas air tetapi pemanas air bertenaga surya ini jadi kurang diminati. Hal ini dikarenakan turunnya harga listrik pada saat itu dan terciptanya pemanas air dengan bertenaga listrik sehingga pemanas air listrik lebih banyak digemari[21]. 2.2.2. Komponen Solar Water Heater
Solar water heater memiliki beberapa komponen utama dalam proses pemanasan air. Berikut beberapa hal yang perlu kita ketahui mengenai komponen utama serta prinsip kerja pada solar water heater yaitu sebagai berikut :
1. Kolektor panas
Gambar 2.5 Skema solar water heater (http://electrical-engineering-portal.com/how-solar-collectors-works#)
Kolektor panas pada umumnya memiliki beberapa bagian utama, yaitu :
a. Cover, fungsinya menerima sinar radiasi matahari serta untuk mengurangi rugi panas secara konveksi dari lingkungan.
b. Absorber, fungsinya untuk menyerap panas dari radiasi sinar matahari c. Kanal, fungsinya sebagai saluran transmisi fluida.
d. Isolator, fungsinya meminalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber. e. Frame, fungsinya sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor 2. Tangki penyimpanan
Tangki penyimpanan merupakan tempat untuk menyimpan air yang akan dipanaskan. Tangki akan dihubungkan dengan kolektor panas melalui kanal untuk mengalirkan air supaya air menjadi cukup panas untuk dipergunakan. Biasanya untuk mencegah terjadinya heat loss pada tangki, tangki penyimpanan dilapisi dengan lapisan isolasi sehingga dapat meminimalisir kehilangan panas yang terjadi.
2.2.3 Jenis-Jenis Solar Water Heater
Berdasarkan sistem inlet dan outlet pada pemanas air, solar water heater dibagi menjadi 2 jenis, yaitu :
1. Sistem Aktif
karena output yang dihasilkan lebih stabil. Sistem aktif ini juga dibagi menjadi dua jenis yaitu [26] :
a. Direct Circulation System (Sistem Sirkulasi Langsung)
direct circulation system (lihat gambar 2.6) merupakan sebuah sistem yang mempunyai sirkulasi air langsung melalui kolektor. Sistem ini mengedarkan air yang dapat digunakan untuk kebutuhan rumah tangga melalui kolektor yang dipanaskan dengan menggunakan energi matahari. Air yang telah dipanaskan tadi kemudian disimpan kedalam tangki untuk dipergunakan nanti. Dengan kata lain, air yang dipanaskan oleh kolektor akan sama dengan air yang keluar dari keran Anda ketika digunakan [26].
Gambar 2.6 Direct circulation system (http://en.wikipedia .org/wiki/Solar_water_heating)
b. Indirect Circulation System (Sistem Sirkulasi Tidak Langsung)
dipergunakan. Dengan sistem ini, outlet yang dihasilkan akan lebih stabil karena dioperasikan dengan tekanan air (Pressure) [26].
Gambar 2.7 Indirect circulation system (ICS) (http://en.wikip edia.org/wiki/Solar_water_heating)
2. Sistem Pasif
Gambar 2.8 Passive system
(http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating)
2.2.4. Jenis – Jenis Kolektor Surya
Berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimiliki, kolektor surya diklasifikasikan menjadi 3 bagian, yaitu [10]:
a. Kolektor datar (nonfocusing collector)
Gambar 2.9 Klasifikasi kolektor plat datar [10]
b. Kolektor focus (focus collector)
Kolektor ini memanfaatkan permukaan parabola berbentuk reflektif untuk mencerminkan dan mengkonsentrasikan energi matahari ke titik fokus di mana absorber berada. Untuk bekerja secara efektif, reflektor harus melacak matahari. Kolektor ini dapat mencapai suhu yang sangat tinggi karena sumber daya surya difus terkonsentrasi di daerah kecil. Daerah rasio konsentrasi pada kolektor fokus ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut ini [10]:
... (2.1)
Dimana :
C = rasio konsentrasi Aa = daerah aperture (m2) Ar = daerah absorber (m2)
R = jarak dari matahari ke kolektor (m) r = radius matahari (m)
θ = sudut pada matahari (o)
Gambar 2.10. Skema matahari pada jarak R dari kosentrator [10]
Konsentrator surya dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis yaitu pelacakan (tracking) dan jenis non-pelacakan (non-tracking). Jenis konsentrator dapat dilihat pada Gambar. 2.11 [10].
Gambar 2.11. Klasifikasi kolektor konsentrator [10]
c. Kolektor tabung vakum (evacuated tube collector)
Kolektor evacuated tube (lihat gambar 2.12) ini biasanya terbuat dari baris paralel tabung kaca transparan. Setiap tabung terdiri dari tabung kaca bagian bagian luar dan tabung penyerap logam yang melekat pada sirip. Sirip ditutupi dengan lapisan yang menyerap energi matahari dengan baik, tapi memiliki kemampuan menghambat kehilangan panas radiasi. Udara dihilangkan menjadi vakum dengan tujuan supaya sistem tidak kehilangan panas konduktif dan konvektif.
Gambar 2.12 kolektor tabung vakum (http://electrical-engineering-portal.com/how-solar-collectors-works#)
Gambar 2.13. Klasifikasi kolektor tabung vakum [10]
Berdasarkan tingkat konsentrasi pada sebuah kolektor dapat di bagi menjadi 3 bagian ditampilkan pada tabel 2.1.
Tabel 2.1. Klasifikasi kolektor berdasarkan konsentrasi [10]
Kategori Contoh Kisaran
temperatur Efisiensi %
Tidak ada konsentrasi
Plat datar Hingga 75oC
30 – 50 %
Tabung vakum Hingga 200oC
Konsentrasi medium Parabola-silinder (dua dimensi) 150 – 500 oC 50 – 70 %
Konsentrasi tinggi Parabola (tiga dimensi) 1500oC lebih 60 – 75 %
2.3. Tinjauan Perpindahan Panas
2.3.1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas dari partikel bersuhu tinggi ke partikel bersuhu rendah sebagai hasil dari interaksi antara partikel tersebut. Konduksi dapat terjadi pada benda padat, cair dan gas. Pada konduksi, perpindahan terjadi akibat interaksi antar partikel tanpa diikuti perpindahan partikelnya [1].
Secara matematis, laju perpindahan panas konduksi dapat dirumuskan dengan persaman berikut :
... (2.2)
Gambar 2.14 Proses perpindahan panas konveksi [4]
Secara matematis, perpindahan panas konveksi pada permukaan benda dapat dirumuskan sebagai berikut:
... (2.3)
Dimana :
h = koefisien konveksi (W/m2.oC)
As = Luas permukaan perpindahan panas (m2) Ts = Temperatur permukaan benda (oC) T∞ = Temperatur lingkungan (oC)
= Perpindahan panas konveksi (W) 2.3.3. Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium (ini yang menyebabkan mengapa perpindahan panas radiasi sangat penting pada ruang vakum), disamping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperatur benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi [3].
lintasan berbentuk elips dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m [3].
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.
Gambar 2.15 Pergerakan bumi terhadap matahari (www.enotes.com)
Persamaan daya radiasi pada atmosfer (Gon) yang diajukan oleh Spencer tahun 1971 adalah:
(2.4) ...
Dimana, Gsc = Radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (W/m2). Dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut [3].
... (2.5)
Tabel 2.2 Urutan hari berdasarkan bulan [3]
Bulan N
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :
Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.
4. To
tal Radiation
Adalah penjumlahan nilai beam radiation dan diffuse radiation.
5. Irr
adiance (W/m2)
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi [3].
6. Irradiation atau Radian Exposure (J/m2)
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.
7. So
lar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Hubungannya adalah[3]:
... (2.7) Dimana:
Lst = standart meridian untuk waktu lokal (o)
Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur timur,digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4
E = faktor persamaan waktu
Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.
(2.8) ...
Dimana,
B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu
Gambar 2.17 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari [3]
Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -150 dan pukul 14.00, ω = 300.
Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi yaitu [3]:
(2.9) Dimana :
C1 = 0,006918
C2 = -0,399912
C3 = 0,070257
C4 = -0,006758
C5 = 0,000907
C6 = -0,002679
N = hari ke
= sudut deklinasi (rad)
B = konstanta hari
Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis
zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.
... (2.10) Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang 15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o [3].
Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi adalah:
... (2.12)
Dimana :
ao = ro (0,4237 – 0,0082 (6 – a)2)
a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6,5 – a)2)
K = rk(0,2711 + 0,01858 (2,5 – a)2)
a = ketinggian dari permukaan laut (km)
ro,r1,rk = faktor koreksi akibat iklim Tabel 2.3 Faktor Koreksi Iklim [3]
Iklim Ro R1 Rk
Tropical 0,95 0,98 1,02
Midatude summer 0,97 0,99 1,02
Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01
Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam :
... (2.13)
Dimana :
Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m2) Τb = fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi Θz = sudut zenith
Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosfer ke permukaan bumi (W/m2)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
diffuse adalah [3]:
... (2.14)
Dimana :
Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) Τb = fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi Θz = sudut zenith
Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse adalah sebagai berikut.
... (2.15)
2.3.4. Konveksi Natural
apabila fluida tidak mengalami suatu gaya dari luar yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas lihat gambar 2.18. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan (body forces).
Gambar 2.18 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas [15]
Aliran fluida berdasarkan kecepatan dan bentuk aliran terbagi atas 2, yaitu: 1. Aliran laminar
Aliran laminar dapat juga disebut dengan stream-line. Aliran ini terjadi pada arus berkecepatan kecil sehingga partikel zat bergerak hampir sejajar serta berbentuk lengkungan kontinu yang mengikuti bentuk dinding yang dialiri.
2. Aliran turbulen
Aliran turbulen ini dikategorikan aliran yang berkecepatan besar, partikel-partikel bergerak secara tidak beraturan atau bergelombang.
2.4 Panas Laten dan Panas Sensibel
2.4.1 Panas Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan panas antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran panas ini tidak merubah temperaturnya [24]. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut panas transformasi. Panas yang diperlukan untuk merubah fasa dari materi bermassa m adalah :
... (2.16) Dimana :
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = Massa zat (kg)
2.4.2 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut [24].
... (2.17) Dimana,
Qs = Kalor sensibel zat (J)
m = Massa zat (kg)
CP = kalor spesifik (J/kg K) ΔT = perubahan temperatur (K)
Gambar 2.19 Grafik fasa suatu materi
Jika materi padatan yang bersuhu di titik B tersebut masih diberikan kalor, maka suhu materi tersebut tidak mengalami kenaikan suhu hingga di titik C. Namun, padatan tersebut akan mencair sehingga menjadi cairan yang memiliki suhu yang sama pada titik B dan C. Kalor yang dibutuhkan dari titik B ke titik C inilah yang dinamakan dengan kalor laten.
2.5. Phase Change Material (PCM)
Phase-change material (PCM) adalah material yang memiliki panas fusi yang tinggi dan dapat meleleh dan membeku pada suhu tertentu. Material bersifat PCM ini mampu menyimpan dan melepaskan energi dengan besar tertentu. Penyerapan atau pelepasan panas terjadi saat perubahan phasa dari padat ke cair atau sebaliknya, dengan demikian material PCM diklasifikasikan sebagai bahan penyimpan panas laten.
Material yang digunakan sebagai PCM harus memiliki panas laten yang besar dan konduktivitas termal yang tinggi. PCM tersebut juga harus memiliki temperatur titik cair yang bekerja pada rentang temperatur yang diizinkan, reaksi kimia yang stabil, biaya rendah, tidak beracun, dan tidak menyebabkan korosi.
Persamaan yang digunakan untuk mengukur temperatur pada PCM terhadap perubahan waktu secara teori dapat dilihat pada persamaan 2.18 dan persamaan 2.19 sebagai berikut.
Untuk phasa solid
... (2.18)
Untuk phasa liquid
... (2.19)
Dimana :
Tpcm = Temperatur stearic acid (K)
Δt = Perubahan waktu (s) mpcm = Massa stearic acid (kg)
Tabs = Temperatur absorber (K)
T1 = Panas hilang melalui dinding kolektor (W) y = Kedalaman termokopel pada stearic acid (m)
sedangkan untuk persamaan kesetimbangan energi yang terjadi pada pcm dapat dilihat pada persamaan 2.20 sebagai berikut.
Untuk phasa solid
... (2.20)
Untuk phasa liquid
... (2.21)
Dimana :
= perubahan temperatur terhadap waktu (K/s)
Aabs = luas permukaan absorber (m2)
hpcm = koefisien konveksi stearic acid (W/m2K)
2.4.1. Karakteristik dan klasifikasi
Penyimpanan panas laten pada PCM dapat melalui phasa padat – padat, padat – cair, padat – gas serta pada saat phasa gas – cair. Biasanya perubahan phasa yang sering diamati pada PCM yaitu perubahan phasa padat – cair. Penyimpanan panas PCM pada saat phasa cair – gas sangat tidak efisien karena membutuhkan volume yang besar atau tekanan yang tinggi untuk menyimpan material dalam keadaan phasa gas. Tetapi dibalik kekurangan yang ada, panas yang diperoleh jauh lebih tinggi dibandingkan panas yang dihasilkan saat phasa padat – cair. Karena phasa gas sangat mudah menyerap panas dibandingkan pada saat phasa padat [25].
menyimpan 5 hingga 14 kali panas per satuan volume dibandingkan material air ataupun batu.
PCM diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu organik dan non organic [5]. PCM organik merupakan PCM dari golongan hidrokarbon, asam/ ester atau garam, alkohol, freon, dan polimer. Keuntungan penggunaan PCM organik adalah sifat fisik dan kimia yang stabil dan perilaku termal material yang baik. Kerugian penggunaan PCM ini adalah konduktivitas termal rendah, massa jenis rendah, titik lebur rendah, kelembaban tinggi, mudah terbakar, dan perubahan volume.
PCM non organik merupakan campuran unsur metal pembentuk garam. Keuntungan penggunaan PCM non organik adalah penyimpanan energi yang tinggi, konduktivitas termal tinggi, dan tidak mudah terbakar. Kerugian penggunaan PCM ini adalah mudah menyebabkan pengkaratan, pemisahan unsur ketika terjadi perubahan fasa, dan penurunan suhu yang drastis. Beberapa jenis serta propertis pada PCM dapat dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Beberapa jenis PCM [11][5]
Peoperties Mg(NO3).6H2O Stearic Acid Acetamide Acetanilide Erythritol
Melting temperatur (0C) 89 57 82 118,9 118,0
Laten heat of fusion (kJ/kg) 162,8 198.91 263 222 339,8
Density (kg/m3)
Solid 1636 960 1159 1010 1480
Liquid 1550 840 998 1020 1300
Spesific heat (kJ/kg.0C)
Solid 1,84 1,6 1,94 2,0 1,38
Liquid 2,51 2,3 1,94 2,0 2,76
Thermal conductivity
Liquid (W/m.0C) 0,490 0,172 0,5 0,5 0,326
Stearic acid (asam stearat) adalah asam lemak jenuh yang memiliki berbagai kegunaan seperti sebagai komposisi tambahan dalam makanan , komestik dan produk industri.
Asam stearat diekstrak dari berbagai jenis lemak hewani, lemak nabati dan beberapa jenis minyak lainnya. Senyawa ini juga banyak digunakan untuk mengubah konsistensi atau suhu leleh suatu produk, sebagai pelumas, dan untuk mencegah terjadinya oksidasi. Banyaknya kegunaan serta biaya pembuatan yang rendah membuat asam stearat menjadi bahan populer yang digunakan dalam berbagai produk. Salah satu penggunaan paling populer adalah pembuatan lilin. Asam ini digunakan untuk mengeraskan dan memperkuat lilin [17].
Asam stearat juga memiliki pengaruh pada titik leleh lilin sehingga meningkatkan daya tahan dan konsistensi nyala lilin. Asam ini juga digunakan dalam produksi sabun. Diduga, sabun mungkin ditemukan secara tidak sengaja oleh orang yang mencoba mengekstrak minyak dari lemak hewan. Proses yang mirip dengan pengekstrakan asam stearat dari lemak hewan. Sabun yang terbuat dari lemak hewan bersifat tidak mudah larut dalam air sehingga meninggalkan lapisan sisa di kulit setelah mandi.
Asam stearat berbentuk padatan pada temperatur ruang. Padatan tersebut berupa butiran seperti gula pasir yang berwarna putih seperti lilin. Asam stearat tidak larut dalam air. Asam stearat akan mencair pada suhu 69,5˚ C dan mendidih pada suhu 361 ° C. Massa jenis dari asam stearat adalah 0,847 g/cm3. Kalor jenis solid dan liquid masing-masing adalah 1763 J/kg.K dan 2359,42 J/kg.K . Asam stearat memiliki kalor lebur 198,9 kJ/kg [14].
Gambar 2.20 Wujud fisik stearic acid (http://www.tradekorea.com/sell-leads- detail/S00011642/stearic_acid.html#.Ux9pOEpyQ08)
hidrogen , dan 2 atom oksigen. Massa molekul atom relatif asam stearat adalah 284,5.
2.6. Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numeric untuk menyelesaikan dan menganalisa elemen-elemen yang akan disimulasikan. Pada proses ini, computer diminta untuk menyelesaikan perhitungan-perhitungan numeric dengan cepat dan akurat. Prinsip kerja pada CFD adalah model yang akan kita simulasikan berisi fluida akan dibagi menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software selanjutnya elemen diberi batasan domain dan boundry condition. Prinsip ini lah yang banyak digunakan pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi.
Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, konservasi energi, momentum, massa dan spesies. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar Fisika :
1. Hukum kekekalan massa (The conservation of mass)
Hukum ini dikenal juga sebagai hukum Lomonosov-Lavoisier yaitu suatu hukum yang menyatakan massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama. Secara sederhana adalah massa dapat berubah bentuk tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sedangkan dalam proses kimiawi, massa dari reaktan harus sama dengan massa produk [15].
Prinsip konservasi massa hanyalah sebuah pernyataan bahwa massa tidak dapat diciptakan ataupun dihancurkan dan semua massa harus diperhitungkan selama analisa. Dalam aliran steady, jumlah massa didalam volume nilainya konstan sehingga kekekalan massa dapat dinyatakan persamaan 2.22 sebagai berikut
Gambar 2.21. Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida dalam bentuk dua dimensi [15]
Dengan kata lain laju aliran massa sama dengan massa jenis suatu benda, kecepatan rata-rata dan luas penampang aliran. Jumlah fluida memasuki kontrol volume dari permukaan kiri adalah , sedangkan fluida yang keluar dari volume kontrol dapat dinyatakan persamaan 2.23 sebagai berikut
(2.23)
Dengan mengulang persamaan 2.23 untuk arah y dan mensubtitusikan hasilnya ke persamaan 2.22 maka kita memperoleh
(2.24)
Disederhanakan dan membagikan dengan (dx.dy.1) maka menjadi
(2.25)
Persamaan 2.25 inilah merupakan konservasi hubungan massa, juga dikenal sebagai persamaan kontinuitas, atau neraca massa untuk aliran dua dimensi yang beraliran steady dengan massa jenis yang konstan.
2. Hukum Kekekalan Momentum
(2.26)
Di mana massa elemen fluida dalam volume kontrol adalah
(2.27)
Dengan arus yang stabil dan dua dimensi maka dengan demikian , sehingga total diferensial dari u adalah
(2.28)
Kemudian percepatan elemen fluida dalam arah x menjadi
(2.29)
Gambar 2.22. Aliran momentum pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi [15]
Gaya yang bekerja pada permukaan dikarenakan tekanan dan efek viskositas . Dialiran dua dimensi, tegangan pada fluida setiap titik di permukaan imajiner dalam fluida dapat diselesaikan menjadi dua komponen : normal ke permukaan disebut tegangan normal dan satu lagi di sepanjang permukaan disebut tegangan geser . Tegangan normal ada kaitanya dengan gradien kecepatan Dan Yang jauh lebih kecil daripada Yaitu hubugannya dengan tegangan geser. Mengabaikan tekanan yang normal untuk kesederhanaan, gaya permukaan yang bekerja pada volume kontrol dalam arah x akan seperti yang ditunjukkan pada Gambar.2.22. Total gaya permukaan yang terjadi dalam arah x adalah sebagai berikut
(2.30)
Dimana nilai Dan disubtitusikan ke dalam Pers. 2.25, 2.26, 2.27, pada pers. 2.24 dan dibagi dengan (dx.dy.1) maka menjadi
(2.31)
Persamaan 2.31 merupakan hubungan untuk konservasi momentum dalam arah x, dan dikenal sebagai persamaan momentum sumbu x.
3. Hukum kekekalan energi
Hukum kekekalan energi adalah salah satu dari hukum kekekalan yang berhubungan dengan energi kinetic dan potensial. Hukum ini menyatakan bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain tetapi energi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan.
Keseimbangan energi untuk setiap sistem mengalami proses apapun dinyatakan dengan persamaan 2.32 sebagai berikut [15]:
(2.32)
persamaan 2.26 ini menyatakan bahwa perubahan kandungan energi dari sistem selama proses adalah sama dengan perbedaan antara input energi dan output energi . Selama proses aliran steady, total energi dari volume kontrol tetap konstan ( ), dan jumlah energi memasuki volume atur dalam segala bentuk harus sama dengan jumlah energi meninggalkannya . Sehingga persamaan energi untuk aliran steady adalah .
Dilihat bahwa energi dapat ditransfer oleh panas , usaha , dan massa. Energi keseimbangan untuk volume kontrol untuk aliran steady dapat ditulis secara eksplisit seperti persamaan 2.33 berikut
(2.33)
Energi total dari aliran fluida yang mengalir per satuan massa dapat dilihat pada persamaan 2.34
(2.34)
Dimana :
h = Entalpi ke = Energi kinetik pe = Energi potensial
Energi kinetik dan potensial biasanya relatif sangat kecil untuk entalpi , dan oleh karena itu energi kinetik dan potensial dapat diabaikan. Dan asumsikan kepadatan (ρ), panas spesifik (Cp), viskositas (µ), dan konduktivitas termal (k) adalah konstan. Kemudian energi dari fluida per satuan massa dapat dinyatakan sebagai Estream = h = Cp.T.
Energi merupakan besaran skalar, dan dengan demikian interaksi energi ke segala arah dapat dikombinasikan dalam satu persamaan. Laju aliran massa fluida masuk volume kontrol dari sebelah kiri sebesar ρu(dy.1), laju perpindahan energi ke kontrol volume massa dalam arah x seperti pada gambar. 2.23 adalah sebagai berikut
(2.35)
Gambar 2.23 Perpindahan energi massa dan panas pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi [15]
(2.36)
Energi pada konduksi panas ke elemen volume dalam arah x adalah
(2.37)
Dengan mengulangi persamaan 2.37 untuk arah y dan menambahkan hasil, maka energi perpindahan ke volume kontrol dengan konduksi panas menjadi
(2.38)
Kemudian persamaan energi untuk aliran dua dimensi beraliran steady dengan sifat konstan dan tegangan geser diabaikan yang diperoleh dengan mengganti Pers. 2.30 dan pers. 2.32 ke dalam pers. 2.27 menjadi
(2.39)
Yang menyatakan bahwa energi total konveksi oleh fluida dari volume kontrol adalah sama dengan energi total yang dipindahkan ke volume kontrol dengan cara panas konduksi. Ketika tegangan geser fluida tidak diabaikan, maka persamaa energi yang terjadi seperti persamaan 2.34 sebagai berikut.
(2.40)
Dimana fungsi disipasi fluida (Φ) adalah sebagai berikut
(2.41)
2.5.1. Penggunaan CFD
CFD dalam aplikasinya dipergunakan diberbagai bidang antara lain sebagai berikut :
1. Pada Bidang Teknik
- Mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.
- Mendesain aerodinamis kendaraan agar menghemat konsumsi bahan bakar - Mendesain performa pembakaran pada piston kendaraan
- Memaksimalkan hasil reaksi kimia pada proses kimiawi 2. Pada bidang Olahraga
- Menganalisa aerodinamis pada sepatu bola
- Menghitung kekuatan dan kecepatan pada tiap cara tendangan pada sepakbola 3. Pada bidang kedokteran
- Menganalisa peredaran udara pada pasien yang mengalami penyakit sinusitis 2.5.2. Manfaat CFD
Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yakni : 1. Insight-Pemahaman mendalam
Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk merangkak, merayap, dan menyelinap masuk secara virtual ke dalam alat/sistem yang akan dirancang tersebut.
2. Foresight-Prediksi menyeluruh
CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas).
3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya
Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai pasaran.
2.5.3. Metode Diskritisasi CFD
Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah [16]:
1. Finite Volume Method (FVM)
Metode ini adalah pendekatan yang umum digunakan dalam CFD, persamaan yang mengatur diselesaikan melalui volume kontrol diskrit. Metode volume terbatas menyusun kembali persamaan diferensial parsial yang mengatur (biasanya persamaan Navier-Stokes) dalam bentuk konservatif, dan kemudian discretize persamaan baru.
2. Finite Element Method (FEM)
digunakan dalam analisis struktural dari padatan, tetapi juga berlaku untuk cairan. Namun, formulasi FEM membutuhkan perawatan khusus untuk memastikan solusi konservatif. Perumusan FEM telah diadaptasi untuk digunakan dengan dinamika fluida yang mengatur persamaan. Meskipun fem harus hati-hati dirumuskan untuk menjadi konservatif, jauh lebih stabil dibandingkan dengan pendekatan volume terbatas.
3. Finite Difference Method (FDM)
memiliki sejarah penting dan sederhana untuk program. Hal ini hanya digunakan dalam beberapa kode khusus. Modern Kode beda hingga menggunakan sebuah batas tertanam untuk menangani geometri yang kompleks, membuat kode-kode yang sangat efisien dan akurat. Cara lain untuk menangani geometri termasuk penggunaan grid, dimana solusinya adalah interpolated di jaringan masing-masing.
41 `
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu Dan Tempat
Tempat penelitian adalah Laboratorium Teknik Pendingin, gedung Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin USU Lt. III. Waktu pelaksanaan penelitian adalah bulan September 2013 sampai dengan Januari 2014.
3.2. Bahan Dan Alat 3.2.1. Bahan
Yang menjadi objek simulasi dalam penelitian ini adalah proses pelelehan
stearic acid (salah satu material PCM) yang berada didalam kolektor pemanas air kemudian dipanaskan dengan sinar matahari selama 24 jam. Adapun spesifikasi kolektor pemanas air tersebut adalah sebagai berikut :
1. Kaca kolektor
Kaca koletor berfungsi untuk menerima radiasi matahari dari matahari dan diteruskan masuk kedalam kolektor. Ukuran kaca yang digunakan pada kolektor 1025 x 435 mm dengan ketebalan sebesar 5 mm. Berikut propertis kaca yang digunakan pada kolektor, dapat dilihat pada tabel 3.1
Tabel 3.1 Propertis Kaca kolektor [22]
42
Wadah PCM berfungsi untuk meletakkan PCM yang akan digunakan. Ukuran wadah yang digunakan sebesar 960 x 395 x 65 mm dengan bahan stainless steel. Propertis untuk bahan stainless steel dapat dilihat pada tabel 3.2
Tabel 3.2 Propertis stainless steel [23]
B
3. Phase-change materials (PCM)
Phase‐change material (PCM) adalah material yang memiliki panas fusi yang tinggi dan dapat meleleh dan membeku pada suhu tertentu. Material bersifat PCM ini mampu menyimpan dan melepaskan energi dengan besar tertentu. Penyerapan atau pelepasan panas terjadi saat perubahan phasa dari padat ke cair atau sebaliknya, dengan demikian material PCM diklasifikasikan sebagai bahan penyimpan panas laten. Pada kasus ini, PCM yang digunakan adalah stearic acid sebanyak 18 kg. Propertis stearic acid dapat dilihat pada tabel 3.3 sebagai berikut. Tabel 3.3 Propertis stearic acid [11]
43 Padat Liquid Padat Liquid Padat Liquid Stearic
acid 57 198.91 960 840 1600 2300 0.3 0.172
Alasan pemilihan stearic acid sebagai PCM untuk disimulasikan adalah sebagai berikut :
Rangka berfungsi sebagai pembentuk struktur kolektor serta sebagai penahan beban kolektor. Rangka terbuat dari beberapa lapisan yaitu aluminium, rockwool, serta kayu. Pada kasus ini, simulasi dilakukan dalam keadaan adiabatik sehingga bahan bagian terdalam kolektor saja yang akan dimasukkan pada software Ansys Fluent. Berikut propertis material aluminium, dapat dilihat pada tabel 3.4.
Tabel 3.4 Propertis aluminium
44
Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak komputer. Ada beberapa perangkat lunak yang digunakan selama simulasi yaitu sebagai berikut :
1. SolidWorks 2010
Solidworks adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh Dassault Systemes digunakan untuk merancang part permesinan atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan tiga dimensi untuk merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan dua dimensi (drawing ) untuk gambar proses permesinan.
Untuk permodelan pada industri pengecoran logam dalam hal pembuatan pattern nya, program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator pattern untuk menerjemahkan gambar menjadi pattern/model casting pengecoran logam dan tentunya akan mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa mengakibatkan salah bentuk. Untuk industri permesinan selain dihasilkan gambar kerja untuk pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari solidworks ini bisa langsung diproses lagi dengan CAM program.Solidwork adalah software CAD yang menyediakan feature‐based, parametric solid modelling dan bergerak pada pemodelan tiga dimensi. Fungsi perangkat lunak ini yaitu pemodelan geometri kolektor
45 `
Gambit digunakan untuk membuat model geometri dan menggenerasikan mesh pada geometri yang akan disimulasikan, biasanya digunakan pada aplikasi Ansys Fluent. Tampilan model dapat berupa dua dimensi (2D) dan tiga dimensi (3D). Software gambit juga mampu menginput serta menyimpan data dalam bentuk iges, acis, mesh dan lain‐lain. Pada kasus ini, penggunaan gambit hanya pembentukan mesh dan pemberian kondisi batas pada geometri dan selanjutnya file akan disimpan dalam bentuk mesh.
3. Ansys Fluent 12.0.1
Fluent adalah metode penghitungan, memprediksi dan pendekatan aliran fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerisasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. Berikut beberapa contoh aliran fluida dalam kehidupan sehari-hari :
Bernafas, minum, pencernaan, mencuci, berenang merokok. Laundry pakaian dan mengeringkannya.
Pemanas ruangan, ventilasi ruangan, memadamkan api dengan air. Pembakaran bensin pada engine dan tentunya juga polusi.
Membuat sup, campuran minyak pada pembuatan plastik Pesawat, parasut, berselancar, berlayar
Menyolder, pembuatan besi atau baja, eleltrolisis air dll.
46 `
dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid.
Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an, awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat. Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi :
Aliran dan panas. Transfer massa.
Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan. Reaksi kimia seperti pembakaran.
Gerakan mekanis seperti piston dan fan. Tegangan dan tumpuan pada benda solid. Gelombang elektromagnet
3.3 Variabel Riset
Dalam proses simulasi ini, variabel bebas yang digunakan adalah intensitas cahaya yang diterima oleh kolektor dan temperatur yang bersentuhan dengan kaca kolektor, yang diperoleh dari pendataan hobo micro station smart sensor. Sedangkan variable terikatnya adalah temperatur pada tiap‐tiap bagian kolektor yaitu kaca pertama, kaca kedua, absorber dan pcm yang terjadi.
3.4. Prosedur Simulasi
47 `
Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Penelitian 3.5. Keterangan Diagram Alir
3.5.1. Studi Literatur
Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi mengenai materi yang berhubungan dengan proses melelehnya PCM pada kolektor pemanas air dan CFD (Computational Fluid Dynamics). Literatur-literatur tersebut didapatkan dari :
48 `
Perpindahan Panas
Termodinamika Teknik
2. Internet
Tutorial melting & solidification pada CFD
Tutorial heat flux pada CFD
Karakteristik stearic acid
3.5.2. Pengumpulan Data
Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data yang diperlukan, antara lain : spesifikasi kolektor pemanas air, dimensi kolektor, intensitas cahaya pada dinding kaca kolektor, temperatur pada beberapa titik pada kolektor. Data‐data ini nantinya akan digunakan sebagai data awal yang kemudian akan digunakan sebagai data masukan dalam proses simulasi program CFD.
3.5.3. Pemodelan
49 `
Mulai Pembuatan geometri di
solidworks
Pengecekan meshdi fluent
Mesh baik ?
Proses Iterasi numerik
Iterasi error?
Plot kontur temperatur, density, solidification/
melting, dll
Selesai Tidak
Tidak Ya
Ya
Pembuatan meshingdi gambit
Pendefinisian bidang batas pada geometri
Penentuan kondisi batas pada fluent
Gambar 3.2 Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan dan Simulasi Menggunakan Program CFD
50 `
FLUENT 12.0 memiliki kemampuan untuk mensimulasikan reaksi model tersebut. Berikut cara pembuatan pemodelan hingga menjalankan simulasi.
a. Pembuatan geometri
Pada tahap ini dilakukan pembuatan geometri pada kolektor dengan ukuran 1025 x 160 mm. Pembuatan geometri hanya menggunakan command line pada solidwork dan selanjutnya file disimpan dengan format step214 (.step). file dengan format inilah yang akan dibuka di Gambit 2.4.6.
Gambar 3.3 Geometri pemodelan dalam bentuk garis b. Pembentukan geometri
![Gambar 2.9 Klasifikasi kolektor plat datar [10]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/366619.34293/35.595.123.504.86.313/gambar-klasifikasi-kolektor-plat-datar.webp)
![Gambar 2.10. Skema matahari pada jarak R dari kosentrator [10]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/366619.34293/36.595.130.514.313.571/gambar-skema-matahari-pada-jarak-r-dari-kosentrator.webp)
![Tabel 2.1. Klasifikasi kolektor berdasarkan konsentrasi [10]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/366619.34293/38.595.127.504.83.307/tabel-klasifikasi-kolektor-berdasarkan-konsentrasi.webp)
![Gambar 2.18 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas [15]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/366619.34293/48.595.250.403.155.264/gambar-konveksi-natural-yang-terjadi-pada-telur-panas.webp)
