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 2014

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

Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0923 200012 1003

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 Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0923 200012 1003 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN

KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA NO: 2111 / TS /2013

25 Oktober 2013 Metode pada simulasi

Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

Pembimbing setiap Asistensi 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi 3.

CATATAN: 1. Kartu ini harus diperlihatkan Kepada Dosen

12 Maret 2014 ACC seminar Diketahui / Disahkan: Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik – USU

12 Maret 2014 Perbaikan sistem penulisan

5 Februari 2014 Perbaiki hasil analisa data 10 19 Februari 2014 Lanjut BAB V dan lengkapi

22 Januari 2014 Asistensi BAB IV

15 Desember 2013 Asistensi BAB III

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

20 September 2013 Asistensi BAB II

2 September 2013 Asistensi BAB I

20 Agustus 2013 Diagram alir penelitian

18 Agustus 2013 Penyelesaian proposal skripsi

19 Juli 2013 Spesifikasi tugas skripsi

Tanda Tangan Dosen Pemb.

N.I.M : 090401026 No Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan

Bila kegiatan Asistensi telah selesai NIP.196412241992111001

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.

6. Seluruh teman – teman stambuk 2009 , khusunya Indro, Wahyu, Rizal,

Rahim, Zulvia, Algris, Fauzi, Budiman, Ary Santony, Ramadhan, Febrial, Harri, Nazar, Rian, Zuhdi, Habib dan semua teman – teman stambuk 09 yang telah memberikan ilmu, motivasi dan dorongan 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 09 0401 026

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 pembekuan mulai terjadi sekitar jam 19.00 WIB. Kata kunci : solar water heater, phase change material, CFD

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 while to start the solidification process occurred at around 19:00 pm . Keywords : solar water heater , phase change materials , CFD

iii

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................... i ABSTRAK ................................................................................................. iii DAFTAR ISI .............................................................................................. v DAFTAR GAMBAR ................................................................................. viii DAFTAR TABEL ..................................................................................... xi DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1

1.1 Latar belakang ...........................................................................

1 1.2 Tujuan penelitian .......................................................................

2 1.3 Batasan masalah ........................................................................

3 1.4 Manfaat penulisan ....................................................................

3 1.5 Metode pengumpulan data ........................................................

3 1.6 Sistematika penulisan ................................................................

3 2.1 Matahari ....................................................................................

5 2.2 Solar water heater ......................................................................

8 2.2.1 Sejarah solar water heater ..................................................

8 2.2.2 Komponen solar water heater ............................................

10 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 2.5.1 Penggunaan CFD ...............................................................

38 v

2.5.2 Manfaat CFD .....................................................................

39 2.5.3 Metode diskritisasi CFD ....................................................

39 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...............................................

41 3.1 Waktu dan Tempat ....................................................................

41 3.2 Bahan dan alat ..........................................................................

41 3.2.1 Bahan .................................................................................

41 3.2.2 Alat ....................................................................................

41 3.3 Variabel riset .............................................................................

42 3.4 Prosedur simulasi .....................................................................

42 3.5 Keterangan diagram alir ............................................................

44 3.5.1 Studi literature ...................................................................

44 3.5.2 Pengumpulan data..............................................................

44 3.5.3 Pemodelan .........................................................................

44 3.5.4 Output report .....................................................................

59 3.5.5 Validasi simulasi................................................................

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

LAMPIRAN 2 LANGKAH PENGERJAAN PEMODELAN KOLEKTOR

SURYA

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

KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 12.0

vii

viii

21 Gambar 2.15 Pergerakan bumi terhadap matahari ..................................

46 Gambar 3.4 Cara meng-import fille solidwork ke gambit ....................

45 Gambar 3.3 Geometri pemodelan dalam bentuk garis ..........................

43 Gambar 3.2. Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan dan Simulasi Menggunakan Program CFD ...........................................

37 Gambar 3.1. Diagram Alir Pengerjaan Penelitian..................................

34 Gambar 2.22 Perpindahan energi massa dan panas pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ..........................

33 Gambar 2.21 Aliran momentum pada elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ...........................................................

32 Gambar 2.20 ... Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida dalam bentuk dua dimensi ......................................

28 Gambar 2.19 Wujud fisik stearic acid .....................................................

25 Gambar 2. 18 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas ................

22 Gambar 2.17 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ..............................

22 Gambar 2.16 Hubungan matahari dan bumi ...........................................

19 Gambar 2.14 Proses perpindahan panas konveksi ..................................

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Matahari ............................................................................

18 Gambar 2. 13 Klasifikasi kolektor tabung vakum ...................................

17 Gambar 2.12 kolektor tabung vakum ......................................................

17 Gambar 2.11 Klasifikasi kolektor konsentrator ......................................

16 Gambar 2.10 Skema matahari pada jarak R dari kosentrator .................

15 Gambar 2.9 Klasifikasi kolektor plat datar ...........................................

14 Gambar 2.8 Passive system ...................................................................

13 Gambar 2.7 Indirect circulation system (ICS) .....................................

11 Gambar 2.6 Direct circulation system...................................................

10 Gambar 2.5 Skema solar water heater .................................................

9 Gambar 2.4 Model dan konsep Bailey yang masih digunakan hingga sekarang .................................................................

6 Gambar 2.3 Ilustrasi model pemanas air Clarence ...............................

5 Gambar 2.2 Struktur Matahari ..............................................................

54 Gambar 3.18 pemilihan model radiation pada kotak dialog Gambar 3.19 model solidification and melting .......................................

64 Gambar 4.5 Distribusi density PCM 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. ..............................

61 Gambar 4.3 Distribusi temperatur radiasi pada kolektor dengan dipanasi dibawah sinar matahari selama 8 jam. ..............................

60 Gambar 4.2 Grafik radiasi matahari pada tanggal 28 september 2013 .

58 Gambar 4.1 Gambar potongan kolektor Solar Water Heater (SWH) ...

58 Gambar 3.25 proses iterasi ......................................................................

57 Gambar 3.24 pengaturan patch pada variabel volume fraction ..............

57 Gambar 3.23 menentukan model yang digunakan pada heat flux ...........

56 Gambar 3.22 penentuan jenis boundary conditions ................................

56 Gambar 3.21 Pemilihan phase material pada kotak dialog phase ..........

55 Gambar 3.20 Kotak dialog create/edit materials ....................................

54 Gambar 3.17 Model aliran yang digunakan pada kasus simulasi ...........

Gambar 3.5 Geometri garis yang telah diubah menjadi surface dua dimensi .......................................................................

53 Gambar 3.16 mengaktikan energy equation ...........................................

53 Gambar 3.15 Kotak dialog multiphase model .........................................

52 Gambar 3.14 Model simulasi yang digunakan .......................................

52 Gambar 3.13 Mengaktifkan tipe time transient dan gravity ...................

51 Gambar 3.12 Mengubah skala pada geometri .........................................

51 Gambar 3.11 Langkah membuka file gambit yang telah di export .........

50 Gambar 3.10 Langkah meng-export file gambit .....................................

50 Gambar 3.9 Kondisi batas pada face geometri .....................................

49 Gambar 3.8 Kondisi batas pada garis geometri ...................................

48 Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibentuk pada Gambit ............

47 Gambar 3.6 Garis geometri yang telah dimesh .....................................

Grafik 4.6 Grafik perbandingan temperatur antara hasil dari analisa numerik dan dari eksperimen pada tanggal 28 september 2013 ......

66 x

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 Tabel 4.2 Perbandingan data temperatur hasil dari analisa numerik dan eksperimen pada tanggal 28 september 2013 ....................

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

C Rasio konsentrasi

2 A a Daerah aperture m

2 A Daerah absorber m r

R Jarak dari matahari ke kolektor m r Radius matahari m

Sudut dari matahari θ

Laju perpindahan panas konduksi W

k Nilai konduksi benda W/m C

2 A Luas penampang m o

1 Temperatur awal C o

2 Temperatur akhir C

Ketebalan dinding benda m Δx

Perpindahan panas konveksi W

2 o

h Koefisien konveksi W/m . C

2 A s Luas permukaan perpindahan panas m o

T s Temperatur permukaan C

T Temperatur lingkungan C

∞

2 G on Radiasi yang diterima atmosfer bumi W/m

2 G sc Radiasi rata-rata yang diterima atmosfer W/m

B Konstanta hari
n Tanggal ke-I m
a Air mass
ST Jam matahari
STD Waktu lokal

L st Standar meridian untuk waktu local

L loc Derajat bujur untuk daerah yang dihitung E Faktor persamaan waktu menit deklinasi rad δ Sudut

o z sudut zenith

Derajat lintang untuk daerah yang dihitunh φ xii o

jam matahari ω Sudut

Fraksi radiasi matahari a Ketinggian dari permukaan bumi km r
,r ,r faktor koreksi akibat iklim

o 1 k

2 G beam Radiasi yang di transmisikan dari atmosfer W/m

2 G diffuse Radiasi yang dipantulkan kesegala arah W/m

2 G Radiasi total W/m total

3 Kerapatan massa jenis kg/m

u Kecepatan terhadap sumbu x m/s v Kecepatan terhadapa sumbu y m/s F gaya yang terjadi N

2 P Tekanan N/m

E stream Energi total W h entalphi

ke energi kinetik kg.m /s

pe energi potensial kg.m /s

C p Panas spesifik J/kg. C Viskositas kg.m/s xiii

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