BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Analisa evaporator dilakukan secara simulasi 3D dengan menggunakan software ansys 15.0. Analisa simulasi evaporator dilakukan dengan menggunakan data-data seperti panas (heat source) yang berasal dari air dengan temperatur awal sebesar 299,32 K dan asumsi-asumsi seperti tekanan dibawah satu atm yaitu tekanan vakum sebesar 12,6 kPa yang diberikan pada evaporator. Analisa dilakukan untuk memperhatikan parameter perubahan fasa (volume fraction) cair menjadi uap, penyebaran temperatur yang terjadi pada evaporator. Hasil analisa yang didapat dibandingkan dengan hasil pengujian.
3.1 Objek Penelitian
Gambar 3.1 3D Modeling Evaporator dengan software 3D CAD.
3.2 Waktu dan Tempat
Simulasi evaporator berlokasi di Laboratorium Pusat Riset Sustainable Energi Gedung J20 Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Waktu melakukan simulasi berlangsung selama 3 bulan dimulai dari tangal 27 Juni 2016.
3.3 Alat dan Bahan
Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis evaporator adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut :
3.3.1. Perangkat keras (Hardware)
Dalam hal ini perangkat keras yang digunakan adalah laptop yang digunakan untuk melakukan simulasi fluent pada evaporator.
a. Laptop
- Processor: Intel Core i5 - System: Windows 8 64 – bit - RAM: 4 GB - CPU : 3,40 GHz
Gambar 3.2 Laptop
3.3.2. Perangkat lunak (Software)
Perankat lunak (software) yang digunakan untuk melakukan simulasi fluent pada evaporator ada 2 jenis yaitu :
a. Software Berbasis 3D CAD.
Software ini berfungsi untuk mendesain komponen-komponen evaporator, bagian metanol cair dan metanol uap dan kemudian digabungkan dengan cara assembly.
b. Software ansys 15.0
3.4.Diagram Alir Simulasi
Secara garis besar, pelaksanaan simulasi ini dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Mulai
Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian
Studi awal :
Studi Litelatur
Pengumpulan Data :
- Data Evaporator - Data Temperatur
Pengolahan Data :
Komputasi Data
Bandingkan dengan hasil
pengujian
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Ya
Keterangan diagram alir pada gambar 3.3 dijelaskan sebagai berikut :
3.4.1. Studi Literatur
Penulisan melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan-bahan penulisan seperti buku-buku, jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis pengerjaan penelitian dan simulasi.
3.4.2. Eksperimen dan Pengumpulan Data
Pada tahap ini dilakukan eksperimen berdasarkan cara yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Eksperimen yang dilakukan merupakan prinsip adsorpsi-desorpsi dimana absorben dipanaskan menggunakan energi surya pada siang hari, kemudian pada malam hari dengan memanfaatkan konveksi alamiah dan membuka katup pemisah absorbat dengan absorben dibuka mengakibatkan arbsorbat menguap dan diserap oleh absorben (proses ini disebut proses adsorbsi). Kemudian pada siang hari ditutuplah valve yang tadi dibuka dan kemudian membuka katup yang menghubungkan reactor ke kondensor dan ke tempat asal absorbat untuk terjadi prosess desorpsi. Kemudian data yang diperlukan dari hasil eksperimen dicatat, kemudian data-data ini akan dimasukan dan kemudian dibandingkan hasilnya dengan proses simulasi program ansys 15.0.
3.4.3. Simulasi Secara CFD
menginput data-data yang dibutuhkan seperti tekanan awal dan temperatur pemanas, selanjutnya silanjutkan dengan simulasi.
3.4.4. Analisa Data
Hasil simulasi dicatat dan dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti data temperatur yang ditampilkan berupa grafik dan menghitung ralat.
3.4.5. Penarikan Kesimpulan
Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya.
3.5 Skema Pengujian
Prinsip kerja skema pengujian, yaitu :
1. Termokopel digunakan untuk mengukur besarnya perubahan temperatur air yang terjadi dalam pengujian dan mengirimkan data tersebut ke termokopel Cole-Palmer.
2. Termokopel Cole-Palmer akan mencatat temperatur setiap 5 detik dan data tersebut akan dikirim ke laptop dengan USB.
3. Data perubahan temperatur kemudian ditampilkan di laptop untuk selanjutnya dapat digunakan untuk keperluan analisis.
Data-data praktek yang dijadikan input pada program ansys 15.0 serta output yang diinginkan dari simulasi tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1 dibawah.
Tabel 3.1 Input dan Output Simulasi
Input Output
Temperatur air awal Temperatur air akhir Tekanan sistem Tekanan akhir sistem Dimensi Evaporator Volume frasa metanol
BAB IV
HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan mengenai hasil simulasi analisa tiga dimensi pada evaporator. Analisa yang dilakukan pada evaporator meliputi analisa fasa (volume fraction), penyebaran temperatur yang terjadi pada evaporator yang akan ditampilkan dalam bentuk kontur, disertai dengan grafik kenaikan temperatur hasil simulasi.
4.1Desain 3D Evaporator
Evaporator didesain dengan Software CAD tiga dimensi (3D). Desain tersebut dibuat berdasarkan data dari hasil perancangan evaporator. Evaporator terbuat dari bahan stainless steel dengan tebal 1 mm, disambungkan dengan 3 buah pipa ¾ inch stainless steel. Pipa pertama (dari kiri kekanan) dihubungkan langsung ke absorber sebagai saluran adsorpsi sedangkan pipa ketiga dihubungkan ke kondensor sebagai saluran desorpsi. Sedangkan pipa yang di tengah untuk pengisian metanol setelah proses assembling selesai. Kemudian di import ke dalam ansys geometry dan mengubah material bahan. Seperti bagian fluida kerja bahannya adalah fluida.
Gambar 4.2 Tampak 3D Evaporator pada Software Ansys 15.0
4.2Kondisi Batas dan Meshing pada Software Ansys 15.0
Kondisi batas yang digunakan pada evaporator adalah sisi pembatas antara methanol dengan air dibatasi dengan bahan stainless-steel untuk membatasi pergerakan cairan dan aliran uap pada evaporator. Salah satu dari ketiga pipa stainless-steel diberi batasan berupa outflow untuk aliran keluaran uap dari evaporator. Sedangkan sisanya diberi batasan wall.
Setelah kondisi batas diberikan, pengaturan mesh pada evaporator di atur sesuai dengan kondisi awal. Meshing pada evaporator ini menghasilkan 65.618 titik dan 280.924 bagian, secara jelas dapat dilihat pada gambar 4.3.
4.3Analisa pada Software Ansys 15.0
Setelah desain selesai dan kondisi batas diberikan pada Geometry Software Ansys 15.0, analisa evaporator dilanjutkan dengan memasukkan data-data awal perhitungan, baik sifat material maupun kondisi awal dari system untuk selanjutnya dikalkulasi dan dianalisa.
Simulasi pada Software Ansys 15.0 dilakukan selama stengah jam, dimulai pada jam 17.30 WIB disaat terjadinya prosess adsorbsi. Dengan asumsi-asumsi seperti panas berasal dari air dengan temperatur awal sebesar 377.32 K, ketebalan dinding stainless-steel 0.001 m, tekanan dibawah 1 atm yaitu tekanan vakum sebesar 12,6 kPa yang diperoleh dari pengukur tekanan vakum hasil penelitian, suhu awal sistem 298 K, gravitasi sebesar 9.81 m/s2.
4.3.1 Hasil Analisa pada Software Ansys 15.0
Setelah data diinput, analisa evaporator diiterasi dengan flow time sebesar 1800s atau stengah jam, hasil analisa yang didapat sesuai dengan hasil penelitian. Hasil analisa perubahan fasa (volume fraction) cair menjadi uap, temperatur, dan aliran fluida pada evaporator yang disertai parameter yang dicapai akan ditampilkan pada gambar di bawah :
4.3.1.1Analisa Kontur Fasa
Dari hasil analisa kontur, dapat diperhatikan bahwa pada gambar 4.5 dan 4.6, terjadi perubahan fasa methanol liquid menjadi methanol vapour.
Gambar 4.5 Hasil Analisa Kontur Fasa Methanol Liquid pada menit ke-30
Gambar 4.6 Hasil Analisa Kontur Fasa Methanol Liquid pada menit ke-30 (Potongan)
4.3.1.2Analisa Kontur Temperatur
Dari hasil analisa kontur, dapat dilihat bahwa methanol mengalami penguapan pada suhu 292K pada tekanan 12 kPa. Air yang merupakan sumber panas mengalami pendinginan dari suhu awal 299.32K hingga mencapai suhu sekitar suhu penguapan methanol yaitu 292K.
Ga
Gambar 4.8 Kontur Suhu pada menit ke-30 (Potongan)
4.3.1.3Analisa Kontur Tekanan
Simulasi dimulai dengan memasukan nilai tekanan awal sebesar
12,6 kPa pada sistem. Dari gambar 4.10 dan 4.11 dibawah dapat dilihat bahwa sistem mengalami penurunan tekanan hingga mencapai tekanan 11,78 kPa selama prosess desorpsi berlangsung.
Gambar 4.10 Kontur Tekanan pada menit ke-30 (Potongan)
Gambar 4.12 dan 4.13 dibawah menunjukan hasil monitor tekanan pada tengah-tengah methanol-liquid dan pada tengah-tengah methanol-vapour.
Gambar 4.11 Plot hasil tekanan pada tengah-tengah methanol-liquid
4.4 Grafik Perbandingan Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi
Pada subbab ini akan dipaparkan grafik temperatur hasil eksperimen per 10 detik selama setengah jam dari jam 17.30 dibandingkan dengan simulasi dengan Ansys. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya hasil pengukuran temperatur diukur dengan menggunakan Thermocouple Cole Palmer dengan posisi seperti pada Gambar 3.3, Channel 6 diposisiskan untuk mengukur suhu air.
Pada Gambar 4.13 dibawah ditunjukan bahwa suhu air pada awal simulasi bersuhu 299.32K dan menurun dengan tajam pada menit-menit pertama dan setelah itu turun secara perlahan sampai mencapai suhu 292.79 K pada detik ke 1800. Data pada lampiran 3, menunjukkan hasil dan perbandingan hasil simulasi
dengan data eksperimen yang diukur dengan menggunakan Thermocouple Cole Palmer.
Gambar 4.13 Grafik Simulasi vs Analisa
4.5Perhitungan Teoritis Kondensor dan Evaporator
4.5.1 Kondensor
Data temperatur rata-rata yang dimiliki oleh inlet dan outlet kondensor serta temperatur lingkungan dari 3 hari percobaan penelitian didapat
Tin = 34,2816 oC , Tout = 32,1824 oC dan �∞ = 29,533 oC
Maka, �� = (��� + ����)/2
�� = (34,2816 + 32,1824)/2
�� = 33,23 P o
C
Sifat fisik udara pada temperatur film, adalah :
�� = (��+ �∞)/2
�� = (33,232 + 29,533)/2
�� = 31,38oC
Nilai k, �, dan Pr didapat dari interpolasi data antara suhu 30 oC dengan suhu 35 o
C, didapat :
k = 0.0259 W/mK, � = 1,621e-05 m2 Pr = 0,727
/s, dan
Nilai � dihitung dengan rumus , � = 1/(��+ 273) 1/K. Maka,
� = 1/(31,38265 + 273) = 3,285e-03 1/K
- Untuk pipa vertikal:
- Untuk pipa horizontal:
��� =
Mencari nilai Nusslet serta daya aliran konveksi - Untuk pipa vertical
��� = {0,825 +
- Untuk pipa Horizontal
��� = {0,6 +
��� = 0,54 ����
Pada kondensor terdapat 5 pipa vertikal dan 2 pipa horizontal serta 17 sirip/fin kondensor, sehingga diperoleh ����� total adalah total dari ����� vertikal, ����� horizontal dan ����� fin.
�̇��������� = 5�������������� + 2������ℎ��������� + 17 ���������
�̇��������� = 5�0,223 + 2� 0,4583 + 17� 0,5496
���������� = 18.476 ����
Kondensor digunakan untuk mengkondensasikan uap methanol menjadi liquid kemudian diturunkan kedalam evaporator. Maka
18,476�
� � 10 � 3600 �= ���� ℎ���� � 1100000 � �� ���� ℎ���� = 0,545� −03 ��
4.5.2 Evaporator
Evaporator dilapisi dengan kotak insulasi. Fungsi utama kotak insulasi ini adalah untuk menghambat laju perpindahan panas dari lingkungan ke dalam sistem.
Gambar 4.14. Kotak Insulasi Evaporator
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan dapat kita hitung dengan cara :
�̇∞−� = ����� ����− ���ℎ����� ���
Dimana, �∞dari data HOBO didapat 24,4666 oC, ���ℎ����� dari pengujian didapat 9,82 o
� ���� = ���� + ����� +���������� +��������� +����� + �������� +������
C, ���� adalah total resistansi konveksi dari udara serta resistansi konduksi dari insulasi, yaitu :
Tabel 4.1 Data insulasi evaporator Material Ketebalan,
∆� (�)
Resistansi total nya adalah :
� ���� = ���� + ����� +���������� +��������� +����� + �������� +������
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan adalah :
Karena insulasi memliki 4 sisi, maka :
�∞−� = �̇∞−� �∆�� 4
�∞−� = 5,7511 � 3600 � 5,5 � 4
�∞−� = 454701,3321 �
Kalor sensibel yang diserap oleh permukaan stainless-steel evaporator dapat dihitung dengan cara :
������ =��� ∆�
Dimana massa plat evaporator adalah 2,3 kg. dan �� stainless-steel adalah 480
�
��� , Maka :
������ = 2,3 ��� 480���� � (26,32−9,82)�
������ = 18216 �
Kalor sensibel yang diperlukan oleh methanol untuk menurunkan suhunya hingga mencapai suhu terendah dihitung dengan rumus :
���� ℎ���� = ���� ℎ���� ����� ℎ���� ����� ℎ���� �∆�
���� ℎ���� = 5 �� 0,790��� � 2460���� � (24.5−9.82)
���� ℎ���� = 180564 �
Kalor yang diserap oleh methanol dari air dapat dihitung dengan rumus :
���� = ��������� ����� �∆�
���� = 6�� 1000���3 � 4180 �
��℃ � (26,32−9,82) ���� = 413820 �
���������� = ���� ℎ���� �������ℎ���� ℎ����
������� ��� = 1,02 �� 0,79��� � 1100����
���������� = 1,122 ��
Dari hukum kesetimbangan energi, dapat disimpulkan bahwa kalor yang diserap oleh methanol untuk menguap harus sama atau hampir sama besarnya dengan kalor yang diserap oleh air ditambah dengan kalor dari lingkungan, kalor yang dipakai methanol serta kalor yang terserap oleh dinding evaporator, sehingga dari kalor kalor yang telah kita hitung diatas dapat kita buat persamaan
���������� = �∞−� + ������ +���� + ���� ℎ����
1122 kJ = 454,701 kJ + 18,216 kJ + 413,82 kJ + 180,564 kJ 1,122 MJ ≅ 1,067 MJ
Laju perpindahan panas dari luar evaporator merupakan kerugian yang dialami oleh evaporator. Semakin bagus insulasi dibuat, semakin kecil kalor yang masuk dari luar evaporator maka semakin besar kalor yang diserap oleh methanol dari air sehingga membuat suhu air akan semakin rendah. Maka effisiensi evaporator dihitung dengan cara :
����������� =
(������ + ���� + ���� ℎ����)
����������
����������� =
18,216 + 413,82 + 180,564 1067,301
����� ������ =1067,301612,6
����������� = 57,397 %
Effisiensi yang didapat dari penelitian didapatkan sebesar
����������� � =
612,6 �� 1122 ��
����������� � = 54,598 %
Ralat effisiensi tersebut adalah :
��������������� =����������� − ����������� �
����������� �
��������������� =57,397−54,598
54,598
���������������= 5,21 %
Ralat tersebut didapatkan karena ralat dari alat pencatat data temperatur juga dikarenakan ralat dari perakitan alat yang tidak semuanya sama dengan asumsi kondisi alat pada saat perhitungan effisiensi melalui teori.
BAB V
5.1. KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang diperoleh dari dilakukannya penelitian ini adalah :
1. Suhu air terendah dari hasil simulasi 3D mengunakan software ansys 15.0 pada 30 menit pertama setelah dibukanya katup penghubung antara evaporator dengan kolektor dari jam 17:30 sore adalah sebesar 19,79 ℃ pada tekanan 12,66 kPa.
2. Dari hasil simulasi dengan menggunakan software ansys 15.0, bahwa pada evaporator terjadi perubahan fasa volume selama prosess desorpsi berlangsung, didapatkan nlai rata-rata fasa volume metanol cair adalah sebesar 0,883.
3. Effisiensi evaporator secara teoritis adalah sebesar 57,393 % dan memiliki ralat sebesar 5,21% terhadap effisiensi evaporator secara eksperimen sebesar 54.598%.
5.2SARAN
Adapun saran yang diberikan untuk penelitian selanjutnya adalah :
diperkecil dan diperhalus.
2. Agar pada penelitian selanjutnya menggunakan UDF pada saat menentukan temperatur penguapan methanol-liquid pada software ansys 15.0.
3. Untuk selanjutnya pada penelitian selanjutnya dilakukan simulasi terhadap satu sistem dari kolektor, kondensor, dan evaporator secara bersamaan. Agar hasil dari simulasi dapat lngsung dibandingkan dengan hasil eksperimen.
4. Agar pada saat akan melakukkan analisa simulasi CFD pastikan computer atau laptop memiliki spesifikasi yang tinggi dan dalam keadaan baik. 5. Pengambilan data pada penelitian disarankan menggunakan alat yang
memiliki ketelitian yang sedikit atau digital supaya memperkecil terjadinya ralat yang besar.
