SIMULASI PELELEHAN DAN PEMBEKUAN PADA PHASE CHANGE MATERIAL DI DALAM PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN METODE PERHITUNGAN KOMPUTASI DINAMIK

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. 090401026

Diketahui / 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

i  

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.

ii  

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

iii   

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.

iii   

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 .

v 

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

vi   

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

vii   

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

viii

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

ix

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

x

xi

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

xii

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

xiii

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