• Tidak ada hasil yang ditemukan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Simulasi Pelelehan dan Pembekuan pada Phase Change Material di Dalam Pemanas Air Tenaga Surya dengan Menggunakan Metode Perhitungan Komputasi Dinamik

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2019

Membagikan "BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Simulasi Pelelehan dan Pembekuan pada Phase Change Material di Dalam Pemanas Air Tenaga Surya dengan Menggunakan Metode Perhitungan Komputasi Dinamik"

Copied!
38
0
0

Teks penuh

(1)

 

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)

(2)

 

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

(3)

 

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

(4)

 

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.

(5)

 

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

(6)

 

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].

(7)

 

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

(8)

 

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

(9)

 

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)

indirect circulation system (ICS) adalah sebuah sistem yang mempunyai

(10)

 

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

(11)

 

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)

(12)

 

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)

(13)

 

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)

(14)

 

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#)

(15)

 

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

(16)

 

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)

(17)

 

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].

(18)

 

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) ...

(19)

 

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 :

1. Ai

r Mass (ma)

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai ma=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700 [3].

(20)

 

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:

(21)

 

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

(22)

 

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

(23)

 

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

(24)

 

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

Konveksi natural terjadi karena fluida yang berubah densitasnya dikarenakan proses pemanasan sehingga fluida dapat bergerak naik. Radiator panas yang digunakan untuk memanaskan ruang merupakan suatu contoh peranti praktis yang memindahkan kalor dengan konveksi bebas. Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida gas maupun cair, terjadi karena gaya apung (bouyancy force) yang dialami apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor

(25)

 

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 :

(26)

 

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

(27)

 

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)

(28)

 

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].

(29)

 

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

(30)

 

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)

(31)

 

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

(32)

 

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

(33)

 

(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

(34)

 

(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 :

(35)

 

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]

(36)

 

(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) Disipasi fluida berperan penting dalam arus berkecepatan tinggi, terutama

(37)

 

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

(38)

 

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.

Gambar

Gambar 2.1 Matahari (http://en.wikipedia.org/wiki/Sun)
Gambar 2.2 Struktur Matahari(http://commons.wikimedia
Gambar 2.3 Ilustrasi model pemanas air Clarence
Gambar 2.4 Model dan konsep Bailey yang masih digunakan hingga sekarang
+7

Referensi

Dokumen terkait

derajat dismenore primer. Hasil data uji Chi-Square menyatakan terdapat hubungan antara tebal lipatan lemak bawah kulit dan dismenore primer pada siswi SMA Swasta

Perjalanan KA 170A didasarkan pada Malka nomor 340 tanggal 5 Maret 2007 yang merubah Gapeka (Grafik Perjalanan Kereta Api tanggal 17 Februari 2006) dengan perubahan persilangan

pemerintah Orde Baru dalam memaknai peristiwa G30S 1965 itu adalah, sekali lagi, menonjolkan peranan penting yang dimainkan oleh Letjen Soeharto – yang kemudian

Pembiayaan yang diberikan kepada nasabah dimana masing-masing pihak memberikan kontribusi dana dengan kesepakatan bahwa keuntungan dan resiko akan ditanggung

Wilayah NNG dibagi dalam tiga daerah administratif yaitu Nieuw Guinea Utara yang dikepalai seorang asisten residen yang berkedudukan di Manokwari, Nieuw Guinea Barat yang

Stock Split yang dilakukan perusahaan memiliki tujuan untuk meningkatkan transaksi yang terjadi bila dihubungkan dengan volume perdagangan karena dengan adanya

Semua instrumen yang digunakan untuk menjaring kemampuan para asisten praktikum (Lampiran A-C, E) dan hasil evaluasi belajar praktikan baik dari soal-soal yang sudah

Secara umum, seluruh kegiatan yang dilakukan penulis di Subbidang Pembinaan Profesi mendukung visi BSN, yaitu “Terwujudnya infrastruktur mutu nasional yang handal