Analisa Komponen Evaporator Mesin Pendingin Adsorpsi Dengan Menggunakan Simulasi 3D Chapter III IV
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
Objek penelitian yang dipakai adalah komponen evaporator pada alat
pendingin adsorpsi yang terletak di lantai IV Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara. Evaporator dicelupkan kedalam air sebanyak 6 Liter
dan di buat dengan stainless steel bertebal 1mm, evaporator terdiri dari 2 bagian,
yaitu methanol liquid dengan volume 5 Liter dibagian bawah dan methanol
vapour dibagian atas, dengan tujuan untuk membentuk batas antara methanol
liquid dan vapour sehingga dapat di lihat perubahan fasa yang terjadi.
Universitas Sumatera Utara
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
Laptop yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
- 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
Software ini digunakan untuk melakukan proses mesh dan
menganalisis temperatur, tekanan serta volume fasa dari metanol pada
komponen evaporator ini. Software ini juga dapat digunakan untuk
menganalisa aliran fluida dan perpindahan panas yang terjadi pada
komponen evaporator
Universitas Sumatera Utara
3.4.Diagram Alir Simulasi
Secara garis besar, pelaksanaan simulasi ini dilaksanakan berurutan dan
sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.
Mulai
Identifikasi masalah dan menetapkan
tujuan penelitian
Studi awal :
Studi Litelatur
Pengumpulan Data :
-
Data Evaporator
Data Temperatur
Pengolahan Data :
Komputasi Data
Tidak
Bandingkan
dengan hasil
pengujian
Ya
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi
Universitas Sumatera Utara
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 adsorpsidesorpsi 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
Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu
melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing, menentukan kondisi batas,
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 3.4 Skema Pengujian Mesin Pendingin Adsorpsi.
Universitas Sumatera Utara
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
Volume air
Effisiensi teoritis metanol
Volume metanol
Universitas Sumatera Utara
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.
4.1 Desain 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 4.1 Dimensi Evaporator (dalam mm)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.2 Tampak 3D Evaporator pada Software Ansys 15.0
4.2 Kondisi 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.
Gambar 4.3 Model 3D Mesh Evaporator pada Software Ansys 15.0
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisa 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 :
4.3.1.1 Analisa 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 4.4 Kontur fasa methanol liquid awal
Universitas Sumatera Utara
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)
Kontur fasa memiliki nilai antara 0 dan 1, dan warna merah menandakan fasa
methanol cair dan warna biru diatas menandakan fasa methanol gas. Maka dapat
dilihat bahwa fasa metanol cair mengecil dari dari dasar sampai atas evaporator
menyaakan bahwa metanol cair mengalami prosess penguapan. Nilai rata-rata
volume frasa metanol cair adalah sebanyak 0,883.
Universitas Sumatera Utara
4.3.1.2 Analisa 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
mba
r
4.8
Ga
mba
r
4.7
Kon
tur
Suh
u
Air
pad
a
men
it ke-30
Gambar 4.9
Gambar 4.8 Kontur Suhu pada menit ke-30 (Potongan)
Dapat dilihat dari gambar 4.7 bahwa air mengalami prosess pendinginan
dari segala sisi, suhu awal air normal 299,32 K menurun hingga rata-rata 292,9 K
dan dari gambar 4.8 dapat dilihat bahwa air mengalami prosess pendinginan lebih
pada sisi bawah evaporator dikarenakan adanya lekukan yang membuat luas
permukaan yang lebih besar sehingga mempercepat prosess pendinginan.
Universitas Sumatera Utara
4.3.1.3 Analisa 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 4.9 Kontur Tekanan pada menit ke-30
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 4.12 Plot hasil tekanan pada tengah-tengah methanol-vapour
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 4.13 merupakan perbandingan temperatur hasil simulasi dengan
temperatur hasil pengujian dengan Thermocouple Cole Palmer pada channel 6
selama 30 menit percobaan dimulai dari jam 17.30 sampai jam 18.00 WIB.
Universitas Sumatera Utara
4.5 Perhitungan 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
T in = 34,2816 oC , T out = 32,1824 oC dan �∞ = 29,533 oC
Maka,
�� = (��� + ���� )/2
�� = (34,2816 + 32,1824)/2
�� = 33,23 oC
P
Sifat fisik udara pada temperatur film, adalah :
�� = (�� + �∞ )/2
�� = (33,232 + 29,533)/2
�� = 31,38 oC
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/s, dan
Pr = 0,727
Nilai � dihitung dengan rumus , � = 1/(�� + 273) 1/K. Maka,
� = 1/(31,38265 + 273) = 3,285e-03 1/K
Mencari nilai Rayleigh: Karena pada kondensor terdapat pipa vertikal dan
horizontal serta pelat horizontal (fin) maka dilakukan perhitungan terhadap
keseluruhan:
Universitas Sumatera Utara
-
�� � =
�� � =
��(�� − �∞ )�3
��
�2
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�0,43
� 0,727812858
(1,621� −5 )2
�� � = 2,113 � 107
-
�� �
Untuk pipa vertikal:
Untuk pipa horizontal:
�� �
��(�� − �∞ )�3
=
��
�2
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�(0,0254)3
� 0,727812858
=
(1,621� −5 )2
�� � = 5,41 � 103
-
Untuk fin kondensor :
�� = 2 [ (p x l) + (p x t) + (l x t) ]
�� = 2 [(0,4 x 0,1) + (0,4 x 0,001) + (0,1 x 0,001)]
�� = 0,081 m2
P = 4 (p+l+t) = 4 x (0,4+0,1+0,001) = 2,004 m
�� � =
�� � =
�
��(�� − �∞ )( � )3
�2
�
��
0,081
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�(2,004 )3
� 0,727812858
(1,621� −5 )2
�� � = 2,802 � 104
Mencari nilai Nusslet serta daya aliran konveksi
-
Untuk pipa vertical
1
�� � = {0,825 +
0,387��� � 6
[1 + (
9
0,492 16
��
8
27
}2
) ]
Universitas Sumatera Utara
1
�� � = {0,825 +
0,387�(2,113�107 )6
0,492
9
16
8
27
}2
[1 + (0,7278 ) ]
�� � = 38,802
Maka,
�
ℎ = � �� � =
0,02598
0,4
�
�38,8029 = 2,5204 � 2 �
� = ��� = 3,14 x 1,905x10−2 x0,4 = 0,024 �2
����� = ℎ�(�� − �∞ )
�
Q conv = 2,50204 � 2 � � 0,024 �2 � (32,232 − 29,533)
�̇���� �������� = 0,223 Watt
-
Untuk pipa Horizontal
1
�� � = {0,6 +
0,387��� � 6
[1 + (
9
0,559 16 8
��
}2
)27 ]
1
�� � = {0,6 +
�
0,492
9
16
8
27
}2
[1 + (0,7278 ) ]
�� � = 3,797
Maka,
ℎ = � �� � =
0,387�(5,41�103 )6
0,02598
0,4
�
�3,7975 = 3,8845 � 2 �
� = ��� = 3,14 x 2,54x10−2 x0,4 = 0,0319 �2
����� = ℎ�(�� − �∞ )
�
Q conv = 3,8845 � 2 � � 0,0319 �2 � (32,232 − 29,533)
�̇���� ℎ ��������� = 0,458 Watt
-
Untuk fin kondensor
Universitas Sumatera Utara
1
�� � = 0,54 � �� � 6
1
�� � = 0,54 � (21802,9609)6
�� � = 2,854
Maka,
ℎ=
���
��
�� � =
0,02598 � 2,004
0,081
�
�2,8541 = 0,549672 � 2 �
�� = 2 [ (p x l) + (p x t) + (l x t) ]
�� = 2 [(0,4 x 0,1) + (0,4 x 0,001) + (0,1 x 0,001)]
�� = 0,081 m2
P = 4 (p+l+t) = 4 x (0,4+0,1+0,001) = 2,004 m
�
����� = ℎ�(�� − �∞ )
Q conv = 3,8845 � 2 � 0,0319 �2 � (32,232 − 29,533)
�
����� ��� = 0,549 Watt
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 ���������
�̇���� ����� = 5�0,223 + 2� 0,4583 + 17� 0,5496
+ 17
� ����� ���
����� ����� = 18.476 ����
Kondensor digunakan untuk mengkondensasikan uap methanol menjadi liquid
kemudian diturunkan kedalam evaporator. Maka
�̇���� ����� � ����� = ���� ℎ���� � ℎ� ��� ℎ����
Universitas Sumatera Utara
�
�
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 oC, ���� adalah total resistansi konveksi dari udara serta resistansi konduksi
dari insulasi, yaitu :
� ���� = ���� + ����� + ���������� + ��������� + ����� + �������� + ������
Data dari design insulasi evaporator diperoleh :
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1 Data insulasi evaporator
Ketebalan,
Konduktivitas
Convective
Luas
∆� (�)
Themal, k
Thermal
Material, A
(W/m.oC)
Resistance, h
Air
-
-
(W/�� ℃)
(�� )
50
0,2906
Iron
1x10-3
80
-
0,2906
Sterofoam
20 x10-3
0.036
-
0,5031
Rockwool
-3
50 x10
0.03
-
0,93415
Busa
15 x10-3
0.14
-
1,07284
Triplek
12 x10-3
0.12
-
1,15011
Udara
-
-
10
1,15011
Material
Resistansi total nya adalah :
� ���� = ���� + ����� + ���������� + ��������� + ����� + �������� + ������
� ����
1
1�10−3
20�10−3
50�10−3
=
+
+
+
50(0,2906) 80(0,2906) 0,036(0,5031) 0,03(0,93415)
+
15�10−3
12�10−3
1
+
+
0,14(1,07284) 0,12(1,15011) 10(1,15011)
� ���� = 2,55116
℃
�
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan adalah :
�̇∞−� =
�̇∞−� =
�∞ − ��� ℎ�� ���
����
24,4666 ℃ − 9.82℃
℃
2,55116 �
�̇∞−� = 5,7511 ����
Universitas Sumatera Utara
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
��
�
� 4180
� (26,32 − 9,82)
3
�
�� ℃
���� = 413820 �
Dari penelitian didapat volume methanol yang menguap adalah 1,02 L, sehingga
kalor yang diserap oleh methanol dapat dihitung dengan cara :
Universitas Sumatera Utara
���������� = ���� ℎ����
������
������� ��� = 1,02 � � 0,79
� ℎ� ��� ℎ����
��
��
� 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
����� ������ =
612,6
1067,301
����������� = 57,397 %
Effisiensi yang didapat dari penelitian didapatkan sebesar
�����������
�
=
���������
����������
Universitas Sumatera Utara
�����������
�����������
�
�
=
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
KESIMPULAN DAN SARAN
Universitas Sumatera Utara
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%.
5.2 SARAN
Adapun saran yang diberikan untuk penelitian selanjutnya adalah :
1.
Untuk mendapatkan hasil analisa yang lebih akurat, ukuran meshing dapat
Universitas Sumatera Utara
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.
DAFTAR PUSTAKA
[1].
Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM). 2010. Pemanfaatan Energi
Surya di Indonesia. Ditjen LPE-ESDM.
Universitas Sumatera Utara
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
Objek penelitian yang dipakai adalah komponen evaporator pada alat
pendingin adsorpsi yang terletak di lantai IV Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara. Evaporator dicelupkan kedalam air sebanyak 6 Liter
dan di buat dengan stainless steel bertebal 1mm, evaporator terdiri dari 2 bagian,
yaitu methanol liquid dengan volume 5 Liter dibagian bawah dan methanol
vapour dibagian atas, dengan tujuan untuk membentuk batas antara methanol
liquid dan vapour sehingga dapat di lihat perubahan fasa yang terjadi.
Universitas Sumatera Utara
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
Laptop yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
- 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
Software ini digunakan untuk melakukan proses mesh dan
menganalisis temperatur, tekanan serta volume fasa dari metanol pada
komponen evaporator ini. Software ini juga dapat digunakan untuk
menganalisa aliran fluida dan perpindahan panas yang terjadi pada
komponen evaporator
Universitas Sumatera Utara
3.4.Diagram Alir Simulasi
Secara garis besar, pelaksanaan simulasi ini dilaksanakan berurutan dan
sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.
Mulai
Identifikasi masalah dan menetapkan
tujuan penelitian
Studi awal :
Studi Litelatur
Pengumpulan Data :
-
Data Evaporator
Data Temperatur
Pengolahan Data :
Komputasi Data
Tidak
Bandingkan
dengan hasil
pengujian
Ya
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi
Universitas Sumatera Utara
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 adsorpsidesorpsi 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
Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu
melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing, menentukan kondisi batas,
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 3.4 Skema Pengujian Mesin Pendingin Adsorpsi.
Universitas Sumatera Utara
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
Volume air
Effisiensi teoritis metanol
Volume metanol
Universitas Sumatera Utara
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.
4.1 Desain 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 4.1 Dimensi Evaporator (dalam mm)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.2 Tampak 3D Evaporator pada Software Ansys 15.0
4.2 Kondisi 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.
Gambar 4.3 Model 3D Mesh Evaporator pada Software Ansys 15.0
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisa 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 :
4.3.1.1 Analisa 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 4.4 Kontur fasa methanol liquid awal
Universitas Sumatera Utara
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)
Kontur fasa memiliki nilai antara 0 dan 1, dan warna merah menandakan fasa
methanol cair dan warna biru diatas menandakan fasa methanol gas. Maka dapat
dilihat bahwa fasa metanol cair mengecil dari dari dasar sampai atas evaporator
menyaakan bahwa metanol cair mengalami prosess penguapan. Nilai rata-rata
volume frasa metanol cair adalah sebanyak 0,883.
Universitas Sumatera Utara
4.3.1.2 Analisa 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
mba
r
4.8
Ga
mba
r
4.7
Kon
tur
Suh
u
Air
pad
a
men
it ke-30
Gambar 4.9
Gambar 4.8 Kontur Suhu pada menit ke-30 (Potongan)
Dapat dilihat dari gambar 4.7 bahwa air mengalami prosess pendinginan
dari segala sisi, suhu awal air normal 299,32 K menurun hingga rata-rata 292,9 K
dan dari gambar 4.8 dapat dilihat bahwa air mengalami prosess pendinginan lebih
pada sisi bawah evaporator dikarenakan adanya lekukan yang membuat luas
permukaan yang lebih besar sehingga mempercepat prosess pendinginan.
Universitas Sumatera Utara
4.3.1.3 Analisa 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 4.9 Kontur Tekanan pada menit ke-30
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 4.12 Plot hasil tekanan pada tengah-tengah methanol-vapour
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 4.13 merupakan perbandingan temperatur hasil simulasi dengan
temperatur hasil pengujian dengan Thermocouple Cole Palmer pada channel 6
selama 30 menit percobaan dimulai dari jam 17.30 sampai jam 18.00 WIB.
Universitas Sumatera Utara
4.5 Perhitungan 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
T in = 34,2816 oC , T out = 32,1824 oC dan �∞ = 29,533 oC
Maka,
�� = (��� + ���� )/2
�� = (34,2816 + 32,1824)/2
�� = 33,23 oC
P
Sifat fisik udara pada temperatur film, adalah :
�� = (�� + �∞ )/2
�� = (33,232 + 29,533)/2
�� = 31,38 oC
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/s, dan
Pr = 0,727
Nilai � dihitung dengan rumus , � = 1/(�� + 273) 1/K. Maka,
� = 1/(31,38265 + 273) = 3,285e-03 1/K
Mencari nilai Rayleigh: Karena pada kondensor terdapat pipa vertikal dan
horizontal serta pelat horizontal (fin) maka dilakukan perhitungan terhadap
keseluruhan:
Universitas Sumatera Utara
-
�� � =
�� � =
��(�� − �∞ )�3
��
�2
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�0,43
� 0,727812858
(1,621� −5 )2
�� � = 2,113 � 107
-
�� �
Untuk pipa vertikal:
Untuk pipa horizontal:
�� �
��(�� − �∞ )�3
=
��
�2
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�(0,0254)3
� 0,727812858
=
(1,621� −5 )2
�� � = 5,41 � 103
-
Untuk fin kondensor :
�� = 2 [ (p x l) + (p x t) + (l x t) ]
�� = 2 [(0,4 x 0,1) + (0,4 x 0,001) + (0,1 x 0,001)]
�� = 0,081 m2
P = 4 (p+l+t) = 4 x (0,4+0,1+0,001) = 2,004 m
�� � =
�� � =
�
��(�� − �∞ )( � )3
�2
�
��
0,081
9,8�0,003285 (32,232 − 29,533)�(2,004 )3
� 0,727812858
(1,621� −5 )2
�� � = 2,802 � 104
Mencari nilai Nusslet serta daya aliran konveksi
-
Untuk pipa vertical
1
�� � = {0,825 +
0,387��� � 6
[1 + (
9
0,492 16
��
8
27
}2
) ]
Universitas Sumatera Utara
1
�� � = {0,825 +
0,387�(2,113�107 )6
0,492
9
16
8
27
}2
[1 + (0,7278 ) ]
�� � = 38,802
Maka,
�
ℎ = � �� � =
0,02598
0,4
�
�38,8029 = 2,5204 � 2 �
� = ��� = 3,14 x 1,905x10−2 x0,4 = 0,024 �2
����� = ℎ�(�� − �∞ )
�
Q conv = 2,50204 � 2 � � 0,024 �2 � (32,232 − 29,533)
�̇���� �������� = 0,223 Watt
-
Untuk pipa Horizontal
1
�� � = {0,6 +
0,387��� � 6
[1 + (
9
0,559 16 8
��
}2
)27 ]
1
�� � = {0,6 +
�
0,492
9
16
8
27
}2
[1 + (0,7278 ) ]
�� � = 3,797
Maka,
ℎ = � �� � =
0,387�(5,41�103 )6
0,02598
0,4
�
�3,7975 = 3,8845 � 2 �
� = ��� = 3,14 x 2,54x10−2 x0,4 = 0,0319 �2
����� = ℎ�(�� − �∞ )
�
Q conv = 3,8845 � 2 � � 0,0319 �2 � (32,232 − 29,533)
�̇���� ℎ ��������� = 0,458 Watt
-
Untuk fin kondensor
Universitas Sumatera Utara
1
�� � = 0,54 � �� � 6
1
�� � = 0,54 � (21802,9609)6
�� � = 2,854
Maka,
ℎ=
���
��
�� � =
0,02598 � 2,004
0,081
�
�2,8541 = 0,549672 � 2 �
�� = 2 [ (p x l) + (p x t) + (l x t) ]
�� = 2 [(0,4 x 0,1) + (0,4 x 0,001) + (0,1 x 0,001)]
�� = 0,081 m2
P = 4 (p+l+t) = 4 x (0,4+0,1+0,001) = 2,004 m
�
����� = ℎ�(�� − �∞ )
Q conv = 3,8845 � 2 � 0,0319 �2 � (32,232 − 29,533)
�
����� ��� = 0,549 Watt
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 ���������
�̇���� ����� = 5�0,223 + 2� 0,4583 + 17� 0,5496
+ 17
� ����� ���
����� ����� = 18.476 ����
Kondensor digunakan untuk mengkondensasikan uap methanol menjadi liquid
kemudian diturunkan kedalam evaporator. Maka
�̇���� ����� � ����� = ���� ℎ���� � ℎ� ��� ℎ����
Universitas Sumatera Utara
�
�
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 oC, ���� adalah total resistansi konveksi dari udara serta resistansi konduksi
dari insulasi, yaitu :
� ���� = ���� + ����� + ���������� + ��������� + ����� + �������� + ������
Data dari design insulasi evaporator diperoleh :
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1 Data insulasi evaporator
Ketebalan,
Konduktivitas
Convective
Luas
∆� (�)
Themal, k
Thermal
Material, A
(W/m.oC)
Resistance, h
Air
-
-
(W/�� ℃)
(�� )
50
0,2906
Iron
1x10-3
80
-
0,2906
Sterofoam
20 x10-3
0.036
-
0,5031
Rockwool
-3
50 x10
0.03
-
0,93415
Busa
15 x10-3
0.14
-
1,07284
Triplek
12 x10-3
0.12
-
1,15011
Udara
-
-
10
1,15011
Material
Resistansi total nya adalah :
� ���� = ���� + ����� + ���������� + ��������� + ����� + �������� + ������
� ����
1
1�10−3
20�10−3
50�10−3
=
+
+
+
50(0,2906) 80(0,2906) 0,036(0,5031) 0,03(0,93415)
+
15�10−3
12�10−3
1
+
+
0,14(1,07284) 0,12(1,15011) 10(1,15011)
� ���� = 2,55116
℃
�
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan adalah :
�̇∞−� =
�̇∞−� =
�∞ − ��� ℎ�� ���
����
24,4666 ℃ − 9.82℃
℃
2,55116 �
�̇∞−� = 5,7511 ����
Universitas Sumatera Utara
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
��
�
� 4180
� (26,32 − 9,82)
3
�
�� ℃
���� = 413820 �
Dari penelitian didapat volume methanol yang menguap adalah 1,02 L, sehingga
kalor yang diserap oleh methanol dapat dihitung dengan cara :
Universitas Sumatera Utara
���������� = ���� ℎ����
������
������� ��� = 1,02 � � 0,79
� ℎ� ��� ℎ����
��
��
� 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
����� ������ =
612,6
1067,301
����������� = 57,397 %
Effisiensi yang didapat dari penelitian didapatkan sebesar
�����������
�
=
���������
����������
Universitas Sumatera Utara
�����������
�����������
�
�
=
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
KESIMPULAN DAN SARAN
Universitas Sumatera Utara
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%.
5.2 SARAN
Adapun saran yang diberikan untuk penelitian selanjutnya adalah :
1.
Untuk mendapatkan hasil analisa yang lebih akurat, ukuran meshing dapat
Universitas Sumatera Utara
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.
DAFTAR PUSTAKA
[1].
Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM). 2010. Pemanfaatan Energi
Surya di Indonesia. Ditjen LPE-ESDM.
Universitas Sumatera Utara