SIMULASI ANALISA SUHU PENDINGIN DAN ALIRAN FLUIDA PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBERENERGI SURYA
SIMULASI ANALISA SUHU PENDINGIN DAN ALIRAN FLUIDA PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBERENERGI SURYA SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Dwyanto NIM 100401037 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015 Namo Sanghyang Adi Buddhaya, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “SIMULASI ANALISA SUHU PENDINGIN DAN ALIRAN FLUIDA
PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN
TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBERENERGI SURYA”.Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi oleh penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Bapak Tulus B. Sitorus, S.T,M.T. selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Dosen pembanding I Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Dosen pembanding II Bapak Dipl.-Ing.Samar,S.T.yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Kedua orang tua penulis, Sasputra dan Melinda yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis melaksanakan perkuliahan.
7. Rekan-rekan khususnya Hendri dan Wilsen, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
8. Teman-teman dalam kelompok J-Corporation yang secara terus menerus telah
Penulis menyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan,18Maret 2015 DWYANTO
ABSTRAK
Penggunaan mesinpendinginsaat ini membutuhkan refrigeranyang mengandungODP (Ozone Depleting Substance) yang dapat merusak ozon. Penggunaan termoelektrik di dalam kotak pendingin dapat dijadikan alternatif pengganti mesin pendingin yang menggunakan refrigeran. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan perangkat lunak Ansys Fluent dan Gambit yang bertujuan untuk menganalisis temperatur dan aliran udara di dalam kotak pendingin. Simulasi ini menggunakan parameter kecepatan, tekanan dan temperatur sebagai masukan (input) yang kemudian diolah oleh perangkat lunak ini sehingga menghasilkan keluaran (output) berupa temperatur, tekanan dan kecepatan di dalam kotak pendingin. Hasil dari simulasi ini diperoleh temperatur maksimal sebesar 310 K di sudut kotak pendingin dan temperatur minimal sebesar 296 K di ruang tengah kotak pendingin. Tekanan maksimal diperoleh sebesar 120,937 Pa di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier, sedangkan tekanan terendah diperoleh sebesar - 81,22 Pa yang berada di ruang tengah kotak pendingin. Untuk kecepatan tertinggi berada di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier sebesar 12 m/s, dan kecepatan terendah 0,5 m/s berada di sudut bawah kotak pendingin.
Kata kunci: Ansys, Fluent, Gambit, simulasi, temperatur, tekanan, kecepatan
ABSTRACT
Cooling engine’s usage needs refrigerant containing ODP (Ozone Depleting
Substance) that can damage the ozone. The use of thermoelectric inside the cooling
box can become an alternative to replace the cooling engine using refrigerant. This
research uses simulation method with Ansys Fluent and Gambit software as a
purpose to analise the temperature and fluid flow inside the cooling box. This
simulation uses velocity, pressure and temperature range as input, and then being
processed by this software with the result as output like temperature, pressure and
velocity inside the cooling box. The result of this simulation shows the maximum
temperature as 310 K at the corner of cooling box and the minimal temperature as
296 K at the center of cooling box. Maximum pressure shows 120,937 Pa as the
number around the cold air’s entrance from peltier, whereas the minimum
temperature is -81,22 Pa at the center of cooling box. For the maximum velocity, it
is shown as 12 m/s around the cold air’s entrance from peltier, and the minimum
temperature shows 0,5 m/s as the number at the corner of cooling box.Key words: Ansys, Fluent, Gambit, simulation, temperature, pressure, velocity
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................................. i
ABSTRAK ................................................................................................................. iii
ABSTRACT ................................................................................................................ iv
DAFTAR ISI............................................................................................................... v
DAFTAR TABEL .................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. viii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xi
DAFTAR NOTASI................................................................................................... xii
2.1.4 Peredam Panas (Heat Sink) ........................................................... ... 8
2.2.5Alasan Penggunaan Energi Surya pada Kotak Pendingin ............. 20
2.2.4Perhitungan Solar Cell ..................................................................... 19
2.2.3Fotovoltaik ......................................................................... ............. 18
2.2.2 Pengertian Energi Surya ................................................... ............. 18
2.2.1 Sejarah Energi Surya ....................................................................... 17
2.2 Energi Surya............................................................................................. 17
2.1.7 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik ............................ 14
2.1.6 Perpindahan Kalor .......................................................................... 11
2.1.5 Efek-Efek Pendingin Termoelektrik ................................................ 9
2.1.3 Efek Peltier.................................................................................... ... 8
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... ... 1
2.1.2 Prinsip Kerja Termoelektrik ......................................................... ... 6
2.1.1 Sejarah Pendingin Termoelektrik ................................................. ... 5
2.1 Pendingin Termoelektrik ....................................................................... ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... ... 5
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................ ... 3
1.4 Batasan Masalah .................................................................................... ... 3
1.3 Manfaat Analisa ..................................................................................... ... 2
1.2 Tujuan Analisa ....................................................................................... ... 2
1.1 LatarBelakang Masalah ......................................................................... ... 1
2.3 Computational Fluid Dynamics ............................................................. 21
BAB III METODOLOGIPENELITIAN ............................................................ 24
3.1 Objek Penelitian ....................................................................................... 24
3.2 Waktu dan Tempat ................................................................................... 25
3.3 Peralatan yang Digunakan ....................................................................... 25
3.4 Diagram Alir Penelitian ........................................................................... 26
3.5 Skema Pengujian ...................................................................................... 27
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 28
4.1 Desain Pada Gambit 2.4.6 ........................................................................ 28
4.2 Kondisi Batas dan Meshing Pada Gambit 2.4.6 ...................................... 30
4.3 Analisa Kecepatan, Tekanan dan Temperatur ......................................... 32
4.3.1 Kotak Pendingin Tertutup …....................................................... ... 32
4.3.2 Kotak Pendingin Terbuka ............................................................... 36
4.4 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian dan Hasil Simulasi ...................... 38
4.5 Analisa Perhitungan Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin ...................... 42
4.6 Perbandingan Aliran Fluida Hasil Hipotesa dan Hasil Simulasi ............ 43
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 46
5.1 Kesimpulan .............................................................................................. 46
5.2 Saran ....................................................................................................... 47
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 48
LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Perbandingan Input Aliran Stedi dengan Aliran Unstedi Pada Kotak Pendingin 59
Gambar 2.1 Modul Pendingin Termoelektrik ...................................................................... 6Gambar 2.2 Arah Aliran Elektron Pada Modul Termoelektrik ............................................ 7Gambar 2.3 Proses Perpindahan Kalor Secara Konduksi ................................................. 12Gambar 2.4 Proses Perpindahan Kalor Secara Konveksi Pada Suatu Plat ....................... 14Gambar 2.5 Solar Furnace ................................................................................................. 18Gambar 2.6 Fotovoltaik (PV) ............................................................................................ 20Gambar 2.7 Aliran Laminar dan Turbulen ........................................................................ 23Gambar 3.1 Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Tertutup) ........................................... 25Gambar 3.2 Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Terbuka) ........................................... 26Gambar 3.3 Laptop ............................................................................................................ 26Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian ................................................................................. 27Gambar 3.5 Skema Pengujian Kotak Pendingin ............................................................... 28Gambar 4.1 Model 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 .............. 29Gambar 4.2 Model 2D Pandangan Atas Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 ................. 29Gambar 4.3 Model Mesh 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 .... 31Gambar 4.4 Model Mesh 2D Pandangan Atas Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 ....... 31Gambar 4.5 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Depan) .................................. 33Gambar 4.6 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Atas) ...................................... 33Gambar 4.7 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan) ...................................... 34Gambar 4.8 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Atas) ......................................... 34Gambar 4.9 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Depan) ................................. 35Gambar 4.10 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Atas) .................................... 35Gambar 4.11 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Depan) .................................. 36Gambar 4.12 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan) ...................................... 37Gambar 4.13 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Depan) ................................. 37Gambar 4.14 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi BawahAluminium) ................................................................................................... 39
Gambar 4.15 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi DepanAluminium) ................................................................................................... 40
Gambar 4.16 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi KiriAluminium) ................................................................................................... 41
Gambar 4.17 Aliran Udara Jenis Laminar .......................................................................... 43Gambar 4.19 Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin (Pandangan Atas) ............................... 44Gambar 4.20 Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin Hasil Hipotesa .................................... 44Lampiran 1 Cara Penggunaan Ansys Fluent dan Gambit .........................................61
= laju perpindahan panas yang dilepaskan pada permukaan panas elemen Peltier (Watt) = laju perpindahan panas yang diserap pada permukaan dingin elemenPeltier (Watt)
P in = daya input (Watt) = koefisien Seebeck (Volt/K) α = potential termoelektrik terinduksi (Volt) T = temperatur (K) = laju perpindahan panas akibat efek Seebeck (Watt) I = arus (Ampere) R = tahanan (Ohm) = laju perpindahan panas akibat efek konduksi (Watt) U = konduktivitas termal (Watt/K) T = temperatur permukaan panas (K) h T c = temperatur permukaan dingin(K) = koefisien Peltier (Volt) q = lajuperpindahanpanas (Watt) I = arus (Ampere) = koefisien Thomson(Volt/K) = perbedaan temperatur (K) = laju perpindahan kalor (Watt)
( ) 1 2 o
− = gradien suhukearahperpindahankalor ( C/m) o k = koefisientermalbahan (W/m.
C) o T s = suhu permukaan (
C) o T = suhufluida (
C) ∞ 2 o h = koefisienperpindahankalor konveksi (W/m .
C) q rad = laju perpindahan kalor radiasi (Watt) = emisivitas termal material
2
4 = konstanta Stefan-Boltzman (5,669 x 10-8 W/m .K ) σ K = konduktifitas termal dari 2 material (Watt/K)
2 A = luas permukaan elemen (cm )
L = panjang elemen ρ = tahanan listrik (Ohm cm) r = hubungan tahanan listrik (Ohm cm
2 ) I opt = arusoptimum (Ampere) α = kekuatan termoelektrik (V/K) Z = figure of merit(K -1 ) T m = temperatur rata-rata (K) v s = kecepatan fluida (m/s) μ = viskositas absolut fluida dinamis(kg/ms) ν = viskositaskinematikfluida(m
2 /s) ρ
= kerapatan (densitas) fluida (kg/m
3 ) P k = daya kipas (Watt) r = jari-jari baling kipas (cm) V = kecepatan udara (m/s) Re L = bilangan Reynold ∞
= kecepatan fluida (m/s)