KOMBINASI ISOLASI PADA STORAGE TANK SEBAGAI PENYIMPAN PANAS APLIKASI
PADA SOLAR WATER HEATER
Kurnia Devi Ariswanda1, Arrad Ghani Safitra2
1,2 Program Studi D4 Sistem Pembangkit Energi Departemen Teknik Mekanika dan Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
e-mail :1kdeviariswanda@gmail.com,2arradgs@pens.ac.id
ABSTRACT
Solar water heater is a new renewable energy that produces heat energy for everyday use. In solar water heater required a heat storage device called a storage tank. One of the innovations to reduce heat loss in storage tanks by providing a combination of isolation. The purpose of this study is to retain heat from water in storage tanks at specific time intervals and increase tank effectiveness in the presence of a combination of isolation. In this study, the storage tank consists of two layers of barrier material and two layers of insulation using materials from sand, soil, bricks, and pool-rocks with variations of pool rocks-sand, sand-pool rocks, pool rocks-bricks, bricks-pool rocks, pool rocks-soil, and soil-pool rocks.. The experimental data is collected when the water temperature conditions reach 45 ° C to 35 ° C. Data taken in this research is temperature change of each layer of storage tank, water entry temperature, and time needed to get heat loss in every hour. The analysis used transient heat transfer and thermal resistance method to determine the heat loss and effectiveness of storage tanks in each variation. From this research, the highest effectivity on soil-pool rocks 68% with total heat loss 2968,98 Watt from distributed energy 9322,12 Watt. As for the lowest effectiveness on the bricks-pool rocks variation of 45% with a total heat loss of 6013,84 Watt of distributed energy 10996,83 Watt.
Keywords : effectiveness, heat loss, isolation combination, storage tank INTISARI
Solar water heater merupakan energi baru terbarukan yang menghasilkan energi panas untuk pemakaian sehari-hari. Pada solar water heater diperlukan alat penyimpan panas disebut dengan storage tank. Salah satu inovasi untuk mengurangi heat loss pada storage tank dengan pemberian kombinasi isolasi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempertahankan panas dari air yang berada dalam storage tank pada interval waktu tertentu serta meningkatkan efektifitas tangki dengan adanya kombinasi isolasi. Pada penelitian ini, storage tank terdiri dari dua lapis material pembatas dan dua lapis isolasi yang menggunakan bahan dari pasir, tanah, dan batu bata dengan variasi pasir-tanah, tanah-pasir, pasir-batu bata, batu bata-pasir, tanah-batu bata, batu bata-tanah, batu kolam-pasir, pasir-batu kolam, batu kolam-tanah, tanah-batu kolam, batu kolam-batu bata, dan batu bata-batu kolam. Pengambilan data eksperimen dilakukan ketika kondisi temperatur air mencapai 45°C hingga 35°C. Data yang diambil pada penelitian ini adalah perubahan temperatur setiap lapisan storage tank, temperatur masuk air, serta waktu yang dibutuhkan hingga didapatkan heat loss pada setiap jam. Analisa menggunakan metode transient perpindahan panas dan resistansi termal untuk menentukan besar heat loss dan efektivitas dari storage tank pada tiap variasi. Dari penelitian ini didapatkan efektivitas tertinggi pada variasi tanah-batu kolam sebesar 68% dengan total heat loss 2968,98 Watt dari energi terdistribusi 9322,12 Watt. Sedangkan untuk efektivitas terendah pada variasi batu bata-batu kolam sebesar 45% dengan total heat loss 6013,84 Watt dari energi terdistribusi 10996,83 Watt.
Kata kunci : efektivitas, heat loss, kombinasi isolasi, storage tank
1. PENDAHULUAN
Energi panas adalah energi yang dihasilkan dari partikel-partikel yang menghasilkan temperatur tinggi dan energi panas tersebut dapat dimanfaatkan pada kondisi temperatur yang tinggi. Menanggapi hal yang demikian, apabila energi panas dibiarkan pada kondisi terbuka, maka akan banyak energi yang terbuang. Oleh karena itu diperlukan adanya alat penyimpan panas agar energi panas tersebut tidak terbuang atau heat loss. Alat
yang digunakan adalah tangki penyimpan panas atau yang disebut dengan storage tank. Untuk mengatasi heat
loss tersebut, beberapa hal yang dapat digunakan untuk mempertahankan panas yang tersimpan tersebut salah
satunya dengan desain dari storage tank. Adanya modifikasi pada desain storage tank salah satunya berupa isolasi tank. Solusi tersebut bertujuan untuk mengurangi heat loss serta mendapatkan performa storage tank yang lebih baik.
Maka dari itu, peneliti melakukan studi eksperimen mengenai pengaruh isolasi terhadap storage tank. Beberapa variasi akan dibuat untuk membandingkan performa yang dihasilkan antar jenis material yang digunakan pada storage tank. Modifikasi yang diberikan pada storage tank yakni dengan pemberian kombinasi isolasi sebanyak 2 lapisan. Pemberian 2 lapisan tersebut merupakan kondisi ideal pada storage tank dalam menyimpan panas. Material isolasi yang digunakan juga mempengaruhi performa dari storage tank. Material isolasi yang tergolong baik apabila digunakan adalah jenis material yang ramah lingkungan. Golongan material yang ramah lingkungan adalah material yang dapat mencegah adanya efek rumah kaca dan merupakan natural
resources. Pada jurnal A Review on Insulation Materials for Energy Conservation in Buildings (L. Aditya,et
al.2017) ditunjukkan adanya penggolongan dari material isolasi yang menunjukkan bahwa material organik merupakan jenis material isolasi yang mempunyai tahanan termal yang rendah dan tergolong renewable
materials.
Jenis material organik merupakan jenis yang biasanya digunakan sebagai material pada bangunan yang mampu menahan panas yang muncul dari geothermal, mampu menahan panas dari sinar matahari , serta material yang bertahan lama di dalam air. Apabila material tersebut diterapkan pada aplikasi storage tank, akan dapat menambah efektivitas dari tangki tersebut.
Dengan adanya pemberian kombinasi dengan beberapa lapisan isolasi yang menggunakan bahan material organik diharapkan meningkatkan kerja dari storage tank serta panas yang tersimpan dalam fluida akan lebih lama.
2. METODE PENELITIAN 2.1 Alat Penelitian
Storage tank merupakan komponen pengunci untuk penyimpanan energi yang dapat dimanfaatkan
dalam bentuk energi lain. Desain dari storage tank merupakan salah satu cara untuk dapat meningkatkan kemampuan dari storage tank dalam mempertahakan energi panas tersimpan.
Isolasi termal yang baik merupakan kunci penentuan storage tank dalam menyimpan energi panas. Properti isolasi termal dapat diketahui dari nilai konduktifitas termal, nilai lamda (λ) atau faktor k, dan massa jenis dari sebuah isolasi termal juga berpengaruh terhadap performa properti isolasi termal tersebut. Beberapa lapis isolasi yang digunakan dapat menambah efektivitas dari tahanan termal tersebut apabila dikombinasikan. Penggunaan multi-layers yang digunakan dalam menyimpan energi panas dapat memperpanjang waktu
temperature tinggi dari suatu fluida saat setelah usai pemanasan, dan dari hasil penelitian tersebut menunjukkan efektivitas terhadap waktu yang meningkat 30-40%.
Gambar 1. Desain Tangki
Storage tank merupakan bagian dari close-loop system pada solar water system. Storage tank berfungsi
untuk menyimpan air panas hasil pertukaran panas dari heat exchanger yang kemudian akan dimanfaatkan untuk kepentingan lain. Perancangan yang digunakan dalam storage tank menggunakan tangki berkapasitas 50 liter. Desain storage tank ini menggunakan isolasi kombinasi 2 lapis dengan adanya lapisan pembatas atau casing
dalam dan bagian terluar dari storage tank yakni casing luar.
Tabel 1. Dimensi Ukuran No. Bagian Tangki Dimensi Ukuran
1. Main tank Diameter 42cm Tinggi 40cm Ketebalan 0,4cm D. hollow 0,44cm 2. Cas. Dalam Diameter 45cm Tinggi 41,5cm Ketebalan 0,4cm D. hollow 0,5cm 3. Cas. Luar Diameter 48cm Tinggi 43cm Ketebalan 0,4cm D. hollow 0,5cm 2.2 Sistem Pengujian
Pengujian pada storage tank dilakukan pada saat temperatur air mencapai 45°C dengan intensitas matahari tertinggi. Pengujian dilakukan ±4-6 jam dengan proses record data dengan data logger hingga temperatur air dalam storage tank mencapai temperatur 35°C.
Gambar 2. Sistem Storage Tank
Pada sistem storage tank, dimulai dari heat exchanger yang menukar dari pemanasan oli sebelumnya. Dari hasil pemanasan tersebut, air yang melewati heat exchanger akan masuk ke dalam storage tank yang berkapasitas 50 liter. Sebelum masuk ke dalam storage tank, terdapat 1 buah valve yang berfungsi sebagai sistem buka tutup air. Selain itu, juga terdapat 1 buah sensor temperatur yang berfungsi untuk mengukur temperatur air sebelum memasuki storage tank tersebut. Air yang masuk ke dalam storage tank tersebut akan diukur temperatur dengan menggunakan termistor sebanyak 12 buah. Termistor tersebut diletakkan pada setiap titik lapisan isolasi pada tangki. Selain itu, dibutuhkan pengukuran temperatur pada kondisi ambient dengan menggunakan sensor yang sama. Air yang keluar dari storage tank, akan dimasukkan ke dalam bak penampung atau tandon, yang mana sebelum masuk ke dalam bak penampung tersebut terdapat 1 buah valve sebagai sistem buka tutup air, dan juga 1 buah pompa yang akan memompakan air dari storage tank menuju ke bak penampung tersebut. Air yang sudah berada pada bak penampung, akan disirkulasikan kembali menuju ke heat exchanger dengan cara di pompa dan pada sirkulasi tersebut terdapat 1 buah valve sebagai sistem buka tutup air. Metode penelitian ditulis menggunakan font Times New Roman 10 pts dengan spasi tunggal. Bagian ini berisi prosedur dari penelitian, mulai dari desain penelitian, objek penelitian, bahan dan alat (instrument), waktu dan tempat pelaksanaan, sumber data atau metode pengumpulan data, variabel, prosedur kerja, dan metode analisa. Metode analisa data dapat berupa langkah-langkah analisis, algoritma, atau lainnya. Teori analisis dijelaskan pada bagian metode analisa ini. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan bahwa dengan adanya penambahan isolasi pada
storage tank dapat meningkatkan efektivitas tangki dalam menyimpan energi panas. Hal tersebut dapat dilihat
melalui hasil perhitungan dengan menggunakan analisis perpindahan panas transient, analisis resistansi termal, dan analisis energi terdisitribusi yang mana ketiga analisis tersebut saling berkaitan. Dan akan dijelaskan mengenai grafik perpindahan panas.
3.1 Analisis Perpindahan Panas Transient
Analisis perpindahan panas transient, menujukkan bahwa nilai heat loss pada Lumped Capacitance
Method, dapat diketahui untuk besar nilai penurunan temperatur terhadap waktu.
Nilai heat loss terbesar terdapat pada variasi batu bata – batu kolam sebesar 4671,13 Watt. Sedangkan heat loss terkecil terdapat pada variasi tanah – batu kolam sebesar 1762,82 Watt. Dengan menggunakan lumped capacitance method, nilai perpindahan panas konveksi ke lingkungan lebih kecil dari pada nilai perpindahan panas konduksi pada benda.
Gambar 3. Nilai Q Loss pada Analisis Perpindahan Panas Transient
Nilai heat loss dengan menggunakan analisis perpindahan panas transient juga mempengaruhi dalam penentuan variasi terbaik untuk meningkatkan efektivitas dari storage tank. Dengan lumped capacitance
method, digunakan dimensionless number untuk menganalisis penurunan temperatur setiap jam terhadap waktu
yakni Biot number (Bi) dan Fourier number (Fo). Akibat nilai konveksi yang lebih kecil dari pada nilai konduksi pada benda, nilai dari Biot number (Bi) sebesar <0,1. Sehingga panas yang berasal dari benda maupun material isolasi akan tertahan di permukaan dan mengakibatkan adanya perbedaan temperatur di dalam benda padat yang kecil. Perbedaan nilai dari biot number tersebut akan mengakibatkan perbedaan heat loss setiap variasi yang digunakan untuk mencapai nilai keseimbangan temperatur namun tetap sesuai dengan karakteristik material isolasi.
3.2 Analisis Grafik Temperatur Transient
Dari perhitungan dengan menggunakan analisis transient, didapatkan nilai termperatur eksperimen yakni nilai temperatur yang terukur dengan sensor dan nilai temperatur teori yakni nilai temperatur yang didapatkan dari hasil perhitungan. Pada gambar 4, ditunjukkan grafik dari salah satu variasi yang menunjukkan perbandingan temperatur eksperimen dan temperatur teori.
Gambar 4. Temperatur transient variasi Tanah-Batu Kolam
Grafik perpindahan panas tersebut mempunyai trend yang sama yakni mengalami penurunan dan mencapai temperatur konstan pada waktu tertentu. Dari grafik yang telah ditunjukkan, temperatur berdasarkan data eksperimen dan perhitungan berbeda dan memiliki kecenderungan nilai temperatur eksperimen lebih tinggi. Hal ini dikarenakan oleh beberapa faktor baik dari sistem storage tank , maupun dari sistem solar water heater. Sebelum fluida masuk, kondisi di dalam tangki mencapai temperatur yang melebihi dari temperatur kamar atau temperatur ambient. Kondisi dalam tangki mengalami vacuum sehingga udara dalam tangki mengalami peningkatan yang berpengaruh terhadap fluida yang akan masuk sehingga temperatur yang terukur lebih tinggi. Selain itu, adanya pengaruh intensitas radiasi matahari yang menyebabkan tangki bagian luar menjadi panas. Dan panas tersebut akan terkonduksi masuk ke dalam. Sedangkan pada perhitungan teori dengan menggunakan analisis transient, pengkondisian dari tangki tidak terdapat pengaruh radiasi matahari. Pada tabel 2, akan ditunjukkan performa air pada saat dalam tangki dengan kondisi transient
Tabel 2. Performa Transient Air
No. Variasi Performa
1 Batu Kolam – Pasir 0,41
2 Pasir – Batu Kolam 0,37
3 Batu Kolam – Tanah 0,48
4 Tanah – Batu Kolam 0,61
5 Batu Kolam – Batu Bata 0,40
6 Batu Bata – Batu Kolam 0,35
Selain itu, setiap variasi mempunyai kecenderungan untuk mempertahankan panas pada waktu tertentu. Dan pada setiap variasi kombinasi isolasi, mempunyai waktu yang hampir sama dalam penurunan temperatur sebelum fluida dalam tangki mencapai temperatur konstan. Hal tersebut dinamakan sebagai discharge time.
Pengaruh kombinasi isolasi yang berdasarkan nilai konduktifitas juga dapat mempengaruhi discharge time. Semakin rendah nilai konduktifitas termal suatu material isolasi yang digunakan, maka semakin besar nilai discharge time. Namun, pada gambar 4.3 ditunjukkan ketidak-stabilan dari discharge time yang sesuai dengan nilai konduktifitas termal material isolasi. Ketidak-stabilan tersebut disebabkan selain karena adanya heat loss pada tangki, juga dapat disebabkan oleh intensitas radiasi matahari. Apabila intensitas radiasi matahari mencapai 800-900 W/m², maka nilai discharge time akan semakin besar. Tetapi jika intensitas matahari hanya mencapai angka 600-900 W/m², maka nilai discharge time akan semakin kecil.
3.3 Analisis Resistansi Termal
Dengan menggunakan analisis resistansi termal, menunjukkan besar energi yang terbuang atau heat loss merupakan parameter yang digunakan sebagai kemampuan tangki dalam menyimpan panas. Dengan menggunakan analisis resistansi termal, dapat diketahui besar rasio potensial energi panas yang terdistribusi keluar tangki dengan setiap kombinasi isolasi yang berbeda.
Gambar 5. Nilai Q Loss pada Analisis Resistansi Termal
Heat loss terkecil terdapat pada variasi kombinasi isolasi tanah – batu kolam sebesar 4,78 Watt.
Sedangkan heat loss terbesar terdapat pada variasi kombinasi isolasi batu bata – batu kolam sebesar 14,77 Watt. Energi panas yang mengalir melalui konstruksi tangki tergantung pada perbedaan temperatur yang melalui setiap lapisan dari tangki. Nilai konduktifitas dari material isolasi yang digunakan merupakan sifat dasar material dan perbedaan temperatur merupakan faktor eksternal. Parameter-parameter tersebut membentuk resistansi termal yang mana nilai tersebut berbanding terbalik dengan nilai konduktifitas. Hal tersebut berkaitan
dengan resistansi termal yang berhubungan dengan nilai konduktifitas termal setiap material isolasi. Semakin rendah nilai konduktifitas dari material isolasi, semakin kecil nilai energi panas yang keluar.
3.4 Analisis Energi Terdistribusi Storage Tank
Dengan mengetahui besar heat loss yang menggunakan analisis energi terdistribusi, akan dapat menentukan besar efektivitas dari storage tank pada setiap variasi kombinasi isolasi. Pada gambar 6, ditunjukkan besar efektivitas storage tank dari energi panas yang masuk dan energi panas yang terbuang dari penggabungan analisis resistansi termal dan analisis perpindahan panas transient.
Gambar 6. Efektivitas Storage Tank Setiap Variasi
Dari gambar diatas, didapatkan bahwa efektivitas tertinggi dari storage tank adalah pada variasi tanah – batu kolam sebesar 0,68. Dan efektivitas terendah terdapat pada variasi batu bata – batu kolam sebesar 0,45. Hal ini disebabkan pada sifat dasar dari suatu material isolasi berdasarkan nilai konduktifitas termal. Semakin rendah nilai konduktifitas termal, maka semakin sulit untuk energi panas keluar. Dengan peletakan material isolasi yang mempunyai nilai konduktifitas termal paling rendah pada lapisan pertama, secara otomatis akan lebih mampu menjaga fluida dalam tangki tetap panas. Dengan peletakan nilai konduktifitas termal terendah yakni tanah pada lapisan paling dalam akan mampu menahan panas keluar dari dalam tangki air, kemudian jenis material batu kolam diletakkan pada lapisan kedua dengan nilai konduktifitas termal yang lebih kecil dari pada pasir dan batu bata akan semakin meningkatkan efisiensi dari storage tank dalam menyimpan energi panas tersebut.
4. KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :
1. Variasi kombinasi isolasi yang mempunyai efektivitas tertinggi pada variasi tanah – batu kolam sebesar 0,68 2. Dengan karakteristik nilai konduktivitas termal pada material isolasi, akan dapat mempengaruhi efektivitas
storage tank
3. Penggunaan analisis perpindahan panas transient, analisis resistansi termal, dan analisis energi terdistribusi dapat menentukan nilai penurunan temperatur setiap jam untuk mendapatkan efektivitas storage tank
UCAPAN TERIMA KASIH
1. Orang tua yang penulis sayangi, Bapak dan Ibu penulis, Salsabila Gita Ananda, atas kasih sayang, dukungan, semangat dan doa yangselalu diberikan dengan sepenuh hati pada penulis dan saudara penulis yang telah mendukung penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini.
2. Bapak Dr. Zaenal Arief, S.T., M.T. selaku Direktur PENS.
3. Bapak Raden Sanggar Dewanto, S.T.,M.T.,Ph.D. selaku Kepala Departemen Teknik Mekanika dan Energi PENS.
4. Bapak Ir. Joke Pratilastiarso, ST.,MT. selaku Ketua Program Studi Diploma 4 Sistem Pembangkit Energi PENS yang tulus dan sabar dalam membimbing penulis hingga mencapai tahap ini.
5. Bapak Arrad Ghani Safitra, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang selalu menuntun dan membimbing, serta memberikan banyak masukan kepada penulis.
6. Ibu Fifi Hesty Sholihah, S.ST., M.T., selaku koordinator tugas akhir, yang selalu ada, siap, dan sabar membimbing secara materil dan moril 23 mahasiswa angkatan 2014.
7. Bapak dan Ibu Dosen Penguji yang telah memberikan koreksi dan saran yang membangun.
8. Tim Tugas Akhir solar water heater, LOVE BIRD, yang setia menemani dan membimbing dari awal sampai akhir.
9. Ibnu Samsul Kurniawan, yang selalu memberikan dukungan baik fisik, moral, motivasi dari awal pengerjaan hingga akhir
10. Angkatan 2014 Sistem Pembangkit Energi yang selalu memberikan dorongan semangat, dan kebersamaan dalam proses pembelajaran dan pengerjaan Proyek Akhir selama ini. Semoga kita bisa sukses semua kelak, amin.
11. Progam Studi D4 Teknologi Pembangkitan Energi yang telah membuka wawasan saya tentang energi yang merupakan sumber dari keberlangsungan hidup dunia. Semoga Progam Studi D4 Sistem Pembangkitan Energi dapat membuktikan sebagai Progam Studi Politeknik yang benar benar kompeten dalam hal energi, khususnya pembangkit energi listrik.
12. Seluruh kalangan yang mendukung dan membantu penulis dalam mengerjakan Proyek Akhir yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
A.M. Bonanos, E.V. Votyakov. (2016). Sensitivity analysis for thermocline thermal storage tank design.
Renewable Energy, 99, 764-771
C. Suarez, F.J. Fino, F. Rosa, J. Guerra. (2015). Heat loss from thermal energy storage ventilated tank foundations, Solar Energy, 122, 783-794
D.A. Katherine, K. Michael. (2016). Experimental assesment of a phase change material storage tank. Applied
Thermal Engineering, 1-28
G. Ignacio, P. Carlos David, L. Oriol, T. Santiago, O. Assensi. (2016). Thermo-mechanical parametric analysis of packed-bed thermocline energy storage tanks. Applied Energy, 179, 1106-1122
G. Paola, G. Claudia, E. Luca, A. Francesco. (2016). Design criteria for improving insulation effectiveness of multilayer walls. International Journal of Heat and Mass Transfer, 103, 349-359
J. Yongfang, F. Quentin, N. Pierre, B. Fengwoi, W. Yan, W. Zhifeng. (2015). Design and optimization of solid thermal energy storage modules for solar thermal power plant applications. Applied Energy, 139, 30-42
L. Aditya, T.M.I. Mahlia, B. Rismanchi, H.M.Ng, M.H. Hasan, H.S.C. Metseelar, M. Oki, H.B. Aditiya. (2017). A review on insulation materials for energy conservation in buildings. Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 73, 1352-1365
M. Qianjun, Z. Liya, W. Hongjun, L. Xiaoyan. (2015). Design and calculation of a new storage tank for concentrating solar power plant. Energy Conversion and Management, 100, 414-418
M. Radu. (2016). Heat exchanger versus storage tank for hot tap water preparation in District Heating Systems.
Procedia Technology, 22, 720-725
S.M. Kemal, D. Hakan, A. Ozden. (2017). Modelling the optimum distribution of insulation material. Renewable
Energy, 113, 74-84
T. Richard, JR. Bynum. Insulation Hand Book. US : McGraw-Hill.Inc
T.C. Nast, D.J. Frank, J. Feller. (2014). Multilayer insulation considerations for large propellant tanks.
Cryogenics, 64, 105-111
W. Ming, L. Mingjia, X. Chao, H. Yaling, T. Wenquan. (2014). The impact of concrete structure on thermal performance of the dual-media thermocline thermal storage tank using concrete as the solid medium.
Applied Energy, 113, 1363-1371
W.B. Geyer. Handbook of Storage Tank Systems. New York : Marcel Dekker. Inc
Z. Lili, L. Tao, M. Xi, W. Yating, H. Chaoping, L. Enshen. (2017). Effect of the thermal insulation layer location on wall dynamic thermal response rate under the air-conditioning intermittent operation, Case Studies
