Simulasi Aliran Fluida pada Sistem Termoelektrik
Generator
dengan Menggunakan
Software
Solidworks
Agus Salim, Muhammad Hasan Albana, S.Pd., M.T.
Batam Polytechnics
Mechanical Engineering Study Program
Jl. Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia
1
E-mail: agussalim.hy@gmail.com
Abstrak
Sistem pendingin pada mesin berfungsi untuk menjaga temperatur yang dihasilkan oleh pembakaran pada mesin agar dapat bekerja secara efisien dan mencegah terjadinya overheat yang dapat menyebabkan kerusakan pada mesin. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui fenomena aliran fluida pada lower hose radiator standard dan yang telah di modifikasi. Pada TEG terdapat 2 pipa yang berbahan stainless steel yang disambungkan dengan upper hose dan lower hose yang dilapisi base berbentuk kotak untuk menempatkan 3 buah termoelektrik generator TEG yang berjenis thermocouple yang memanfaatkan panas dan dingin air radiator, yang akan diubah menjadi tenaga listrik. Penelitian ini dilakukan secara simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Solidworks 2013. Jenis fluida yang dipilih yaitu air dengan kecepatan aliran yaitu 0.8 m/detik. Hasil dari penelitian ini bahwa penggunaan lower hose radiator juga menyebabkan penurunan tekanan pada bagian bawah fluida (downstream) menuju bagian atas fluida (upstream) sebesar 3 kPa. Pada lower hose radiator modifikasi juga memiliki tekanan yang paling rendah ketimbang lower hose standart yaitu sekitar 99 kPa, yang mana pada lower hose radiator standart memliki tekanan paling rendah sekitar 101 kPa. Untuk perubahan suhu, pada lower hose radiator standart maupun modifikasi memiliki nilai yang sama yaitu suhu masih tetap dan tidak mengalami perubahan.
Kata kunci:, lower hose radiator, simulasi, aliran fluida, air
Abstract
The cooling system on the engine serves to maintain the temperature produced by combustion on the engine so that it can work efficiently and prevent overheating, which can cause damage to the engine. This study aims to determine the phenomenon of fluid flow in standard and modified lower hose radiators. In TEG there are two pipes made from stainless steel which are connected to a box-shaped base hose and lower hose to place three thermoelectric thermo-type TEG generators that utilize hot and cold radiator water, which will be converted into electric power. This research was carried out in a simulation using Solidworks 2013 software. The selected fluid type is water with a flow velocity of 0.8 m / sec. The results of this study that the use of lower radiator hose also causes a decrease in the pressure at the bottom of the fluid (downstream) towards the top of the fluid (upstream) of 3 kPa. The modified radiator lower hose also has the lowest pressure compared to the standard lower hose, which is around 99 kPa, which is the standard lower hose radiator has the lowest pressure of around 101 kPa. For temperature changes, the standard radiator and modification of the lower hose have the same value. Namely, the temperature is still constant and has not changed.
Keywords : lower hose radiator, simulation, fluid flow, water
1
Pendahuluan
Sistem pendingin pada mesin berfungsi untuk menjaga temperatur yang dihasilkan oleh pembakaran pada
mesin agar dapat bekerja secara efisien dan mencegah terjadinya over heat yang dapat menyebabkan kerusakan pada mesin [1]. Radiator merupakan salah satu sistem pendingin yang menggunakan air radiator
(cooling water) sebagai perantara pendigin pada mesin. Radiator memiliki komponen yang bernama Upper hose radiator dan Lower hose radiator. Upper hose
radiator dan Lower hose radiator merupakan komponen penting pada system pendingin mesin pembakaran dalam (internal combustion engine)
seperti mesin bensin (gasoline machine) dan mesin diesel (diesel engine). Upper hose berfungsi untuk menyalurkan air radiator (cooling water) yang bersirkulasi pada water jacket mesin menuju radiator dengan suhu yang tinggi, lower hose berfungsi untuk menyalurkan air yang telah didinginkan radiator kembali menuju mesin. Air radiator (cooling water)
akan bersirkulasi pada water jacket mesin untuk menyerap panas yang dihasilkan oleh pembakaran mesin sehingga menyebabkan temperatur air radiator
(cooling water) juga ikut meninggi [2]. Melalui katup thermostat, air radiator (cooling water) yang memliki temperatur yang tinggi tersebut akan dialirkan kembali ke radiator melalui upper hose radiator. Proses ini akan terus menerus berlanjut apabila mesin dalam kondisi -hidup.
Sistem pendingin ternyata dapat menimbulkan efek negatif terhadap efisiensi mesin dalam menghasilkan tenaga dari bahan bakar [3]. Sekitar 61.9% energy dari bahan bakar terbuang karena faktor lain seperti gesekan dan cooling water, hanya 10.4% energy dari bahan bakar yang dapat diubah menjadi tenaga dan 27.7% terbuang melalui saluran buang (exhaust manifold) [4]. Sekitar 30% energi dari bahan bakar motor bensin (gasoline engine) diserap oleh air radiator (cooling water) sedangkan bahan bakar yang dapat digunakan sebagai tenaga hanya 25% [5]. Terdapat berbagai cara atau teknologi untuk dapat memanfaatkan energi yang terbuang, panasnya air radiator dapat dijadikan suatu energi. Salah satu cara untuk memanfaatkan energi listrik yang dihasilkan oleh air radiator yaitu dengan menggunakan Pembangkit termoelektrik (TEG). TEG merupakan pembangkit listrik yang berlandasar dari efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821. Gambaran konsep dari efek Seebeck yaitu apabila dua buah logam semi konduktor yang tersambung pada lingkungan yang memiliki dua temperatur yang berbeda, maka pada material tersebut akan dialiri arus listrik atau gaya gerak listrik [6].
Thermoelectric generator (TEG) akan ditempatkan diantara upper hose radiator dan lower hose radiator untuk dapat memanfaatkan sumber panas dari upper hose radiator dan dingin pada lower hose radiator. Tempat tersebut merupakan tempat yang strategis untuk mendapatkan sumber tenaga panas dan dingin air radiator (cooling water) agar energi yang berpotensi untuk menghasilkan sebuah energy tidak terbuang sia-sia. Agar TEG dapat ditempatkan dengan baik, butuh modifikasi pada upper hose radiator dan lower hose radiator tersebut. Modifikasi dilakukan dengan
membuat alat penukar kalor dual flow dengan meletakkan thermoelectric sebagai pembangkit listrik pada sisi tengah antara base penyangga pipa upper hose dan lower hose sebagai mana yang terlihat pada Gambar 1. Dan dapat dilihat pula pada Gambar 2 merupakan pemasangan (assembly) sekaligus konsep pada TEG yang akan memanfaatkan panas dan dingin air radiator untuk dikonversikan menjadi tenaga listrik dan pada Gambar 3 terlihat pula bagaimana penempatan pemasangan TEG pada mesin yang mana pada upper hose radiator dan lower hose radiator telah dimodifikasi.
Gambar 1: Modifikasi TEG upper hose dan lower hose radiator
Gambar 2: Bentuk assembly TEG dan selang radiator
Gambar 3: Pemasangan modifikasi upper hose dan lower hose
radiator
Alat penukar kalor dual flow ini terdiri dari base berbahan aluminium, pipa stainless steel, dan 3 buah
pada TEG terbuat dari aluminium agar dapat menyerap panas dengan optimal [3]. Hasil penelitian pada alat ini dimana menggunakan thermoelectric sebanyak 3 buah dan menghasilkan tegangan, kuat arus, dan daya. Tegangan tertinggi yang dihasilkan yaitu sebesar 0.0506 V dan kuat arus tertinggi yang dihasilkan sebesar 0.89 A dengan perbedaan suhu maksimal sebesar 0.9 °C. Daya tertinggi dari hasil tegangan dan kuat arus adalah 41.998 mwatt [7].
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perbedaan tekanan yang telah di distribusikan oleh aliran air radiator (cooling water) terhadap lower hose radiator standart dan modifikasi dan untuk mengetahui seberapa besar perubahan suhu yang dialami oleh aliran fluida pada lower hose standart dan lower hose
modifikasi. Penelitian ini berlandaskan teori fluida dinamis dan tekanan.
Q = A . v
atauQ = 𝐕 𝒕( 1 ) Keterangan : Q : debit (𝐦𝟑/s) V : volume fluida ( 𝐦𝟑) T : waktu ( s ) A : Luas penampang ( 𝐦𝟐) v : kecepatan ( m/s )
p = 𝑭 𝑨
( 2 ) Keterangan : p : tekanan (𝐍/𝐦𝟐) F : gaya ( 𝐍 ) A : Luas penampang ( 𝐦𝟐)
2
Metodologi Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan secara simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Solidworks 2013. Jenis material untuk selang radiator yaitu EPDM (Ethylene Propylene Diolefin Monomer) yang merupakan salah satu jenis karet (rubber) yang mana material EPDM ini banyak digunakan sebagai material selang radiator mobil. Dari Gambar 4 menunjukkan bentuk lower hose
modifikasi dan lower hose standart. Gambar 5 menunjukkan sketsa peletakan lower hose radiator modifikasi pada mesin. Pada penelitian ini kecepatan aliran cooling water diatur pada 0,8 m/detik. Kecepatan sebesar 0,8 m/s distandartkan melalui pengujian engine motor bakar yang telah dilakukan oleh A. Clifford et al [8]. Jenis fluida yang digunakan pada penelitian ini yaitu air. Kecepatan putar mesin di atur pada kecepatan konstan (idle). Panjang total dari lower hose modifikasi adalah 2070 mm.
Gambar 4 : Konstruksi lower hose radiator yang akan disimulasikan, (a) modifikasi (b) standar
Gambar 5 : Sketsa Peletakan Lower Hose Radiator Modifikasi
3
Analisa Data dan Pembahasan
Perbandingan dari hasil simulasi aliran fluida dapat dilihat pada gambar 6. Gambar 6 memperlihatkan sekilas dari distribusi tekanan yang dihasilkan oleh aliran fluida pada lower hose radiator standart (a) danlower hose radiator modifikasi (b). Pada gambar 6, memperlihatkan perbedaan tekanan yang dialami oleh
lower hose radiator standart dan modifikasi cukup signifikan karena bentuk lower hose modifikasi jauh berbeda. Akan tetapi distribusi tekanan hamper memiliki persamaan yaitu ketika tekanan fluida semakin berkurang seiring menjauhnya fluida dari tempat dimana air radiator (cooling water) pertama kali mengalir dari radiator (downstream) menuju
mesin (upstream).
(a)
(b)
Gambar 6 : Perbandingan hasil simulasi tekanan yang dihasilkan oleh fluida pada, lower hose modifikasi (a) lower hose
standart (b)
Gambar 7 memperlihatkan bahwa tekanan pada bagian bawah (downstream) selang memiliki tekanan 103 kPa dan pada bagian atas (upstream) memliki 101 kPa. Penurunan tekanan yang dialami oleh fluida yaitu sekitar 2 kPa. Gambar 8 memperlihatkan dengan jelas grafik tekanan yang mengalir dari inlet menuju outlet
dimana tekanan tertinggi sekitar 103789 Pa dan tekanan terendah sekitar 101347 Pa.
(a)
Gambar 7 : Distribusi tekanan fluida pada lower hose radiator standart
(b)
Gambar 8 : Grafik distribusi tekanan fluida pada lower hose
radiator standart
Gambar 9 memperlihatkan bahwa tekanan yang terletak pada bagian bawah pipa (downstream) atau awal mula aliran fluida masuk (inlet) kedalam selang sebesar 104 kPa dan tekanan bagian atas pipa
(upstream) atau (outlet) memiliki tekanan sekitar 101 kPa. Tekanan tertinggi berada pada bagian tikungan bawah yaitu sekitar 104381 Pa. Semakin menjauhnya dari sumber air masuk (inlet) tekanan yang dihasilkan oleh fluida mengalami penurunan tekanan, tekanan fluida kembali naik mengikuti permukaan selang yang bentuknya dari menanjak menjadi menurun kembali dan menyebabkan tekanan naik sekitar 2 kPa. Tekanan terendah berada pada bagian dimana termoelektrik diletakkan yaitu sekita 98653 Pa. Pada daerah ujung pipa bawah (downstream) menuju ujung pipa atas
(upstream) mengalami penurunan tekanan hingga 3 kPa. Gambar 10 memperlihatkan dengan jelas grafik tekanan yang mengalir pada lower hose modifikasi.
(a)
Gambar 9 : Distribusi tekanan fluida pada lower hose radiator
101000 101500 102000 102500 103000 103500 104000 0 0.5 1 Pr e ss ur e (Pa ) Length (m)
modifikasi
(b)
Gambar 10: Grafik pada distribusi tekanan fluida pada lower hose radiator modifikasi
Debit aliran yang mengalir pada selang radiator yaitu sebesar 0.064 m³/s dan keluar sebesar 0.064 m³/s pula selama tidak ada kebocoran pada selang.
Pada gambar 11 menunjukkan hasil dari simulasi perubahan temperature yang dialami oleh aliran fluida pada lower hose radiator standar. Temperatur terlihat tidak mengalami perubahan suhu pada gambar 10 yaitu konstan berada pada suhu sekitar 42.7℃. Gambar 12 memperlihatkan grafik pada perubahan suhu yang dialami oleh lower hose standart dengan lebih rinci. Terlihat grafik menurun, tetapi suhu lebih ke konstan.
(a)
Gambar 11: Perubahan suhu yang dialami oleh lower hose
radiator standart
(b)
Gambar 12: Grafik pada perubahan suhu yang dialami oleh
lower hose radiator standart
Gambar 13 menunjukkan hasil dari simulasi perubahan temperatur yang dialami oleh aliran fluida pada lower hose modifikasi. Terlihat hasil dari simulasi suhu berada pada angka yang sama, yaitu 42.7℃ tetapi warna dari hasil simulasi berbeda. Pada gambar 14 terlihat grafik yang menjelaskan perubahan suhu yang dialami oleh lower hose radiator modifikasi. Pada penelitian perubahan suhu ini, hasil yang didapatkan oleh lower hose standart ternyata sama dengan hasil perubahan suhu yang dialami oleh lower hose radiator modifikasi.
(a)
Gambar 13: Perubahan suhu yang dialami oleh lower hose
radiator modifikasi 98000 99000 100000 101000 102000 103000 104000 105000 0 1 2 Pr e ss ur e (Pa ) Length (m) 42.699997 42.699997 42.699998 42.699998 42.699999 42.699999 42.7 42.7 0 50 100 150 Te m p er at u re (Fl u id ) [ °C] Iterations
(b)
Gambar 14: Perubahan suhu yang dialami oleh lower hose radiator modifikasi
4
Kesimpulan
Pada penelitian ini menyimpulkan bahwa penggunaan
lower hose radiator modifikasi menyebabkan penurunan tekanan pada bagian bawah fluida
(downstream) menuju bagian atas fluida (upstream)
sebesar 3 kPa. Pada lower hose radiator modifikasi juga memiliki tekanan yang paling rendah ketimbang
lower hose standart yaitu sekitar 99 kPa, yang mana pada lower hose radiator standart memliki tekanan paling rendah sekitar 101 kPa. Untuk perubahan suhu, pada lower hose radiator standart maupun modifikasi memiliki nilai yang sama yaitu suhu masih tetap dan tidak mengalami perubahan.
5
Daftar Pustaka
[1] Surjadi, E. (2016). “Pengaruh Penggunaan Radiator Pada Sistem Pendingin Motor Diesel Stasioner Satu Silinder Terhadap Laju Kenaikan Suhu Air Pendingin”. AUTINDO Politeknik Indonusa Surakarta.
[2] Suratman, M., & Northop, R. (2001). “Service Auto Mobil Pengantar Praktis Teknik Otomotif.” Bandung: CV Pustaka Grafika.
[3] Albana, M. H., & Rukmana, B. (2018). “Simulasi Aliran Fluida Pendingin Pada Upper Hose Radiator Modifikasi”. Jurnal Integrasi , 28-31.
[4] Conklin, J. C., & Szybist, J. P. (2010). “A Highly Efficient Six-Stroke Internal Combustion Engine Cycle With Water Injection For In-Cylinder Exhaust Heat Recovery”. Energy (35) , 1658-1664.
[5] He, M., Zhang, X., Zeng, K., & Gao, K. (2011). “A Combined Thermodynamic Cycle Used For Waste Heat Recovery Of Internal Combustion Engine”. Energy (36) , 6821-6829.
[6] Min. G & D.M. Roe. (1994). “Handbook of Thermoelectric, Peltier devices as generator”, CRC Press LLC, Florida.
[7] Siregar, R. A. (2018). “Performa Alat Penukar Kalor Konstruksi Dual Flow Pada Sistem Radiator Mobil Untuk Menghasilkan Energi Listrik”. Politeknik Negeri Batam.
[8] Clifford, A., Riza, A., & Darmawan, S. (2014). Analisis Kinerja Coolant Pada Radiator. Poros Volume 12 Nomor 2 , 122-128. 42.699991 42.699992 42.699993 42.699994 42.699995 42.699996 42.699997 42.699998 42.699999 42.7 0 50 100 Te m p er at u re (Fl u id ) [ °C] Iterations
