Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PIPA LURUS DAN PIPA PUNTIR PADA SOLAR KOLEKTOR TIPE PLAT DATAR MENGGUNAKAN SIMULASI CFD 1)
Thoharudin, 2)Arif Setyo Nugroho, 3)Edy Suryono
1),2),3)
Jurusan Teknik Mesin Akademi Teknologi Warga, Surakarta Email:
[email protected]
Abstrak Pemanas dengan energi surya dapat menghemat daya pemanasan hingga 70% dalam skala domestik sehingga penelitian tentang energi surya menarik untuk dikembangkan. Salah satu pemanfaatan energi surya sebagai pemanas adalah dengan menggunakan solar kolektor tipe plat datar. Paper ini membahas tentang pemodelan CFD dengan membandingkan solar kolektor tipe plat datar dengan konfigurasi pipa lurus dan konfigurasib pipa puntir. Dari hasil penelitian ini didapatkan bahwa dengan konfigurasi pipa puntir solar kolektor tipe plat datar memiliki perpindahan panas lebih baik dari konfigurasi pipa lurus. Akan tetapi dengan lebih tingginya perpindahan panas tersebut terjadi rugi tekanan yang lebih besar dari pada solar kolektor tipe plat datar dengan konfigurasi pipa lurus. Kata kunci: solar kolektor, perepindahan panas, pipa puntir, CFD. Abstract Heating by using solar energy power can save up to 70% in the domestic scale so the research on solar energy is attractive to develop. One of the utilizations of solar energy is to heat the fluid by using flat plate solar collector. This paper discusses the CFD modeling to compare the type of flat plate solar collector with a straight pipe andtwisted pipe configurations. The results of this study found that the configuration of twisted pipe in flat plate solar collector has a better heat transfer than the straight pipe configuration. However, the twisted pipe has a greater pressure loss than the straight pipe flat plate solar collector configuration.Water mass flow rate also influence in temperature deference. The lower water mass flow rate the grather water temperatur deference. Keywords: Solar Collector, heat transfer, twisted pipe, CFD.
I.
Pendahuluan 1. Latar belakang
Energi yang bersumber dari sinar matahari merupakan energi yang paling murah dan ramah terhadap lingkungan. Karena energi matahari memiliki kelebihan tersebut maka banyak dikembangkan teknologi untuk mengkonversi energi matahari menjadi bentuk lain sehingga dapat dimanfaatkan sesui dengan kebutuhan. Salah satu pemanfaatan energi matahari adalah sebagai pemanas air. Teknologi yang banyak dikembangkan untuk pemanfaatan energi matahari sebagai pemanas air adalah dengan teknologi kolektor surya tipe plat datar. Berbagai macam penelitian yang dilakukan untuk meningkatkan efektivitas perpindahan panas kolektor surya, baik dengan meningkatkan turbulensi ataupun dengan meningkatkan luasan perpindahan panas. Pemanas air energi surya dapat menghemat biaya pemanasan hingga 70% (6). Dengan peningkatan luasan perpindahan panas, dengan menambahkan fin eksternal tentu akan memerlukan tempat yang lebih untuk menempatkan kolektor surya plat datar dan tentu menambah biaya pembuatan. Dengan penambahan internal fin pada pipa akan menambah luasan permukaan perpindahan panas dan tentu dengan kenaikan peningkatan biaya penbuatan kolektor surya tersebut. Penelitian yang dilakukan oleh Badescu(2) tentang internal fin kolektor surya tipe plat datar, dengan menggunakan fin yang tipis dapat meninggkatkan perpindahan panas dengan biaya yang rendah karena kebutuhan material untuk pembuatan fin yang lebih rendah dari biasanya. Alternatif lain yang lebih menarik adalah dengan peningkatan turbulensi aliran pada pipa kolektor. Koefisien perpindahan panas konveksi akan meningkat dengan meningkatnya Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida dalam pipa(4). Ada beberapa cara untuk meningkatkan turbulensi dalam aliran. Cara yang menarik untuk peningkatan turbulensi aliran yaitu dengan penambahan twisted tapes dan wire coil(5).Selain itu,
JURNAL TEKNIKA ATW
42
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
peningkatan perpindahan panas dengan geometri pipa spiral yang diteliti oleh Yanuar, dkk(8) juga dapat meningkatkan perpindahan panas. Dengan penambahan twisted tapes wire coil, dan penggunaan pipa spiral tentu akan memperbesar penurunan tekanan pada aliran pipa. Hal ini sangat menarik untuk dipelajari mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada aliran pipa dengan konfigurasi twisted tapes,wire coil, pipa spiral sebagai kolektor surya tipe plat datar. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas solar kolektor tipe plat datar dengan konfigurasi pipa lurus dengan pipa puntir yang dialiri air sebagai fluida kerja pemanasan. Selain itu, pada penelitian ini juga dilakukan variasi laju aliran massa air yang mengalir pada pipa puntir sehingga dapat diketahui beda temperatur air masuk dan keluarnya. 2. Kajian Pustaka Tan, dkk (7) melakukan penelitian secara numerik mengenai perpindahan panas pada pipapuntir berbentuk oval. penelitian tersebut bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari geometri heat exchanger yang meliputi panjang pipa dan unjuk kerja shell dengan aspek rasio A/B yang berbeda. Hasil dari penelitian tersebut bahwa Nusselt number dan faktor gesekan meningkat dengan semakin besarnya panjang pipa dan aspek rasio A/B. Perpindahan panas menyeluruh pada pipa oval tersebut juga meningkat dengan meningkatnya aspek rasio A/B.
Gambar 1. Pipa puntir oval Bhuiya, dkk (3) melakukan penelitian tentang alat penukar kalor berupa pipa dengan tiga puntiran plat berada dalam pipa. Plat yang dimasukkan dalam pipa tersebut memiliki empat perbedaan rasio puntir (y=1,92, 2,88, 4,81, 6,79) dengan Reynolds number berkisar antara 7200 hingga 50.200 dalam kondisi heat fluks yang seragam. Hasil pada penelitian tersebut menyebutkan bahwa Nusslet number, faktor gesekan, dan efektivitas perpindahan panas meningkat dengan penurunan rasio puntir. hal ini memperlihatkan bahwa dengan adanya plat puntir yang dimasukkan dalam pipa berpengaruh terhadap peningkatan perpindahan panas.Nusselt number dan faktor gesekan pada pipa yang dimasukkan plat puntir meningkat hingga 3,85 dan 4,5 kali pipa tanpa plat puntir dalam pipa.
Gambar 2. Plat puntir dimasukkan ke dalam pipa sebagai alat penukar panas
JURNAL TEKNIKA ATW
43
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
II. Bahan dan Metoda A. Bahan Pada solar kolektor tipe plat datar terdapat bagian antara lain kover yang biasa terbuat dari material yang tembus cahaya, pipa, absorber yang memiliki daya serap panas yang tinggi, dan insulasi yang digunakan untuk mencegah agar panas tidak keluar dari sistem. Bagian-bagian solar kolektor tipe plat datar terlihat pada gambar 1.
Gambar 3. Solar kolektor tipe plat datar Dalam paper ini, penelitian dilakukan untuk membandingkan karakteristik perpindahan panas pada solar kolektor tipe plat datar dengan konfigurasi pipa lurus dan pipa puntir dengan pemodelan CFD.Pemodelan dilakukan dengan geometri 3 dimensi pipa tunggal dengan software FLUENT. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi konfigurasi pengujian solar kolektor tipe plat datar. Tabel. Properti material dan geometri solar kolektor tipe plat datar Data Satuan Tembaga Massa jenis kg/m3 Kapastitas panas J/kg K Konduktivitas termal W/m K Kaca Massa jenis kg/m3 Kalor jenis J/kg K Konduktivitas termal W/m K Insulasi Massa jenis kg/m3 Kalor jenis J/kg K Konduktivitas termal W/m K Geometri solar kolektor pipa lurus Panjang mm Lebar mm Tebal insulasi mm Spasi kaca mm Diameter pipa mm Perimeter mm Jumlah pipa Geometri solar kolektor pipa puntir Panjang mm
Nilai 8978 381 387,6 2500 750 1,4 700 2310 0,173 1000 67 7 7 7 22 1 1000
JURNAL TEKNIKA ATW
44
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
Data Lebar Tebal insulasi Spasi kaca Radius 1 Radius 2 Perimeter Jumlah puntiran Jumlah pipa
Satuan mm mm mm mm mm mm
Nilai 67 7 7 2,5 4,5 22 9 1
Gambar 4. Model solar kolektor tipe plat datar pipa lurus
Gambar 5. Model solar kolektor tipe plat datar pipa puntir
B. Metoda Solar kolektor tipe plat datar diujikan di Solo, Jawa Tengah dengan latitude -7,5502o dan longitude 110,7883o pada tanggal 10 April pukul 13.00 WIB. Terhitung iradiasi matahari pada kondisi tersebut sebesar 932,541 W/m2. Fluida yang dialirkan dalam pipa berupa air dengan laju aliran massa sebesar 23,08 g/menit pada temperatur lingkungan. Fluida dalam kaca berupa udara, pemodelan dilakukan dengan asumsi kondisi tunak(steady state). Tebal kaca dan pipa masing-masing sebesar 2 mm dan 0,5 mm dengan dinding pipa terbuat dari tembaga.
III. Hasil dan Pembahasan 3.1.Pengaruh Bentuk Pipa Perbandingan temperatur pada fluida kerja yang dipanaskan antara solar kolektor tipe plat datar konfigurasi pipa lurus dan pipa puntir dapat dilihat pada gambar6. Pada kedua pipa terlihat bahwa semakin panjang pipa maka semakin besar beda temperatur akibat pemanasan radiasi matahari. Selain itu, terlihat juga bahwa dengan konfigurasi pipa puntir memiliki beda temperatur lebih besar
JURNAL TEKNIKA ATW
45
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
dibandingkan dengan pipa lurus. Beda temperatur keluar pada pipa lurus sebesar 7,07 oC sedangkan pada pipa puntir sebesar 8,29oC. 9 Pipa lurus
Beda Temperatur (K)
8
Pipa puntir
7 6
5 4 3
2 1 0 0.0
0.2
0.4 0.6 Panjang pipa (m)
0.8
1.0
Gambar 6. Beda temperatur air sepanjang pipa Walaupun dengan laju aliran massa air yang sama sebesar 23,08 gram/menit panas yang diserap oleh solar kolektor tipe plat datar konfigurasi pipa puntir lebih tinggi dari konfigurasi pipa lurus. Lebih tingginya temperatur keluar konfigurasi pipa puntir tersebut karenaluas permukaan konfigurasi pipa puntirlebih besar dari pada konfigurasi pipa lurus.Selain itu, koefisien perpindahan panas konveksikonfigurasi pipa puntirlebih besar dari pada konfigurasi pipa lurus. Persamaan Dittus and Boelter yang mengkorelasikan antara Nusselt Number (Nu) dengan Bilangan Reynolds (Re) memiliki persamaan(1): ........................................................................................................... (1) Dimana n sebesar 0,4 untuk pemanasan dan 0,3 untuk pendinginan. Dari persamaan tersebut dapat dinyatakan bahwa dengan semakin besarnya Bilangan Reynolds (Re) maka semakin besar pula koefisien perpindahan panas konveksi yang berakibat meningkatnya perpindahan panas. Bilangan Reynolds (Re) merupakan bilangan tanpa satuan yang mengkorelasikan laju aliran terhadap karakteristik aliran.Dengan semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula Bilangan Reynolds aliran tersebut. ....................................................................................................................................... (2) Gambar 7 memperlihatkan distribusi kecepatan pada solar kolektor tipe plat datar dengan membadingkan pipa lurus dan pipa puntir. Terlihat bahwa aliran pada pipa puntir memiliki kecepatan aliran lebih tinggi dari pipa lurus. Dengan kecepatan yang lebih tinggi akan diperoleh Bilangan Reynolds (Re) yang lebih tinggi yang mengakibatkan turbulensi yang lebih tinggi pula. 0.9
Kecepatan (m/menit)
0.8 0.7
0.6 0.5 0.4
0.3 0.2
Pipa puntir
Pipa lurus
0.1
0 0.0
0.2
0.4 0.6 Panjang pipa (m)
0.8
1.0
JURNAL TEKNIKA ATW
46
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
Gambar 7. Distribusi kecepatan sepanjang pipa Gambar 8 merupakan ditribusi intensitas turbulensi sepanjang pipa solar kolektor.Dengan semakin besar turbulensi maka semakin besar perpindahan panas yang terjadi yang ditandai dengan Bilangan Reynolds (Re) yang lebih tinggi. 1.0
Intensitas Turbulensi (%)
0.9 Pipa lurus
0.8
Pipa puntir
0.7
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0.1 0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Jarak (m)
Gambar 8. Intensitas turbulensi Dibalik dari keuntungan memiliki perpindahan panas yang lebih baik dari konfigurasi pipa lurus, solar kolektor tipe plat datar konfigurasi pipa puntir memiliki kerugian dalam rugi tekanan (∆P) yang lebih tinggi.Distribusi rugi tekanan sepanjang pipa solar kolektor ditampilkan pada gambar 8. Terlihat baik pada konfigurasi pipa lurus maupun puntir bahwa semakin panjang pipa maka semakin besar pula rugi tekanan yang terjadi.Konfigurasi pipa puntir memiliki rugi tekanan sebesar 13,39 Pa pada saluran keluar air solar kolektor dimana rugi tekanan tersebutlebih tinggi dari konfigurasi pipa lurus sebesar 8,48 Pa. Perbedaan rugi tekanan tersebut disebabkan karena panjang lintasan konfigurasi pipa puntir lebih panjang dari pada pipa lurus.
3.2.Pengaruh Laju Aliran Massa Gambar 9 memperlihatkan hubungan antara laju aliran massa air terhadap beda temperatur dan rugi tekanan. Secara umum terlihat bahwa dengan semakin besar laju aliran massa maka semakin rendah beda temperatur. Rendahnya beda temperatur tersebut disebabkan oleh besarnya kecepatan aliran sehingga waktu tinggal air dalam pipa menjadi rendah seperti terlihat pada gambar 11. Dengan rendahnya waktu tinggal air dalam pipa maka energi yang diserap air semakin rendah sehingga temperatur keluar air dari pipa menjadi rendah. 16
14
Beda Tekanan (Pa)
Pipa lurus
Pipa puntir
12
10 8
6 4
2 0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Jarak (m)
JURNAL TEKNIKA ATW
47
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
Gambar 9. Distribusi rugi tekanan sepanjang pipa Gambar 10memperlihatkan antara laju aliran masssa dengan beda temperatur dan rugi tekanan. Pada gambar tersebut terlihat bahwa dengan semakin besarnya laju aliran massa air maka semakin besar pula rugi tekanan. Hal ini sesuai dengan persamaan Darcy (persamaan 3) (Incropera dan DeWitt, 2001)yang mana rugi tekanan berbanding lurus dengan kecepatan sehingga dengan semakin besarnya kecepatan maka semakin besar pula rugi tekanan aliran dalam pipa. ∫
.......................................................................... (3)
40
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Beda Temperatur (oC)
35 30 25
20 15 10 5 0
0
5
10 15 20 25 Laju aliran massa (gram/menit)
Rugi Tekanan (Pa)
∫
30
0.9
14
0.8
12
0.7
10
0.6 0.5
8
0.4
6
0.3
4
0.2 2
0.1 0
Waktu tinggal (menit)
Kecepatan aliran rata-rata (m/menit)
Gambar 10. Pengaruh laju aliran air terhadap beda temperatur dan rugi tekanan pada flat plate solar collector tipe pipa puntir
0
0
5
10 15 20 25 Laju aliran massa (gram/menit)
30
Gambar 11.Pengaruh laju aliran air terhadap kecepatan aliran rata-rata dan waktu tinggal pada flat plate solar collector tipe pipa puntir
IV. Kesimpulan Perpindahan panas pada solar kolektor tipe plat datar dipengaruhi oleh panjang pipa dan geometri pipa. Dengan semakin panjang pipa maka beda temperatur antara saluran masuk dan keluar semakin tinggi. Pengaruh dari geometri pipa terletak pada luas permukaan perpindahan panas dan efek turbulensi aliran.Bentuk pipa yang memiliki luas permukaan besar dan alirannya memiliki turbulensi yang besar memiliki perpindahan panas yang lebih baik. Pada pipa puntir dengan intensitas turbulensi
JURNAL TEKNIKA ATW
48
Edisi XI/ATW/April/2014
ISSN 1693-6329
lebih tinggi memiliki beda temperatur antara masuk dan keluar sebesar 8,29oC sedangkan pada pipa lurus sebesar 7,07 oC.Dibalik keuntungan memiliki perpindahan panas yang lebih baik, pipa puntirmemiliki rugi tekanan yang lebih besar sebesar 13,39 Pa dari pada pipa lurus yang sebesar 8,48 Pa. Selain itu, laju aliran massa aliran air dalam pipa berpengaruh terhadap beda temperatur air yang dilewatkan dalam pipa. Semakin lambat laju aliran massa maka semakin besar beda temperatur air yang dialirkan dalam pipa.
Daftar Pustaka [1] [2] [3]
[4] [5] [6]
[7]
Al-kayiem, H. H. dan M. F. El-rahman (2011). "Ribbed Double Pipe Heat Exchanger: Analytical Analysis." Journal of Engineering Science and Technology 6 (1), 39 - 49 Badescu, V. (2006). "Optimum fin geometry in flat plate solar collector systems." Energy Conversion and Management 47, 2397–2413. Bhuiya, M.M.K, Chowdhury, M.S.U, et al. (2013). "Thermal Characteristics in A Heat Exchanger With Triple twisted Tape Insert." International Communication in Heat and Mass Transfer 48, 124-132. Incropera, F. P. and D. P. DeWitt (2001). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Michigan, John Willey and Sons. Martin, R. H., J. P. Pere-Garcia, et al. (2011). "Simulation of an enhanched flat-plate solar liquid collector with wire-coil insert device." Solar Energy 85, 455–469. Selmi, M., M. J. Al-Khawaja, et al. (2008). "Validation of CFD simulation for flat plate solar energy collector." Renewable Energy 33, 383–387. Tan, X., Zhu, D., et al. (2013). "3D Numerical Simulation on The Shell Side Heat Exchanger and Pressure Drop Performances of Twisted Oval Tube Heat Exchanger." International
Journal of Heat Transfer and Mass Transfer 65, 244-253. [8]
Yanuar, N. Putra, et al. (2011). "Flow and Convective Heat Transfer Characteristics of Spiral Pipe For Nanofluids " IJRRAS 7(3), 236-248.
JURNAL TEKNIKA ATW
49
