Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
ISSN 2338-1035
RANCANG BANGUN INKUBATOR BAYI DENGAN MENGGUNAKAN PHASE CHANGE MATERIAL SEBAGAI PEMANAS RUANG INKUBATOR BAYI Yosua Maha Kurnia Surbakti1, Himsar Ambarita2. Email:
[email protected] 1,2 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus Usu Medan 20155 Medan Indonesia Abstrak Di Indonesia belum semua daerah memiliki jaringan listrik. Bayi yang lahir prematur di daerah ini memiliki peluang hidup yang kecil. Solusi untuk mengurangi angka kematian bayi akibat lahir prematur di daerah yang tidak memiliki jaringan listrik adalah dengan menciptakan suatu alat baru, yaitu Inkubator Tenaga Surya. Fungsi heater pada inkubator ini digantikan oleh lilin (paraffin wax). Pengujian ini dilakukan pada pukul 08.00 – 15.00 WIB dengan tujuan lilin dapat menyimpan panas dalam sebuah kontainer yang tertutup rapat (tidak ada kebocoran cairan maupun uap) yang dipanaskan dengan cara dijemur di dalam solar box. Setelah pukul 15.00 WIB, maka kontainer tersebut dimasukkan ke dalam inkubator. Panas dari lilin yang tersimpan di dalam kontainer tersebut akan berpindah secara konveksi alamiah memanaskan ruangan inkubator. Paraffin wax merupakan bahan dari PCM (Phase Change Material) yang dipakai untuk menyimpan panas karena paraffin wax memiliki titik leleh sebesar 53 0C. Pada 0 penelitian proses charging temperatur paraffin wax dapat mencapai 57 C yang dimanfaatkan 0 0 untuk memanaskan ruang inkubator bayi diantara suhu 35 C sampai 37 C. Pada pengujian ini panas dapat bertahan selama 3 jam 20 menit. Efisiensi solar box di dapat 49,97 %. Sedangkan efisiensi Inkubator didapat sebesar 63,04 %. Kata kunci : listrik, inkubator bayi, lilin (paraffin wax), konveksi alamiah
1. Pendahuluan Kematian bayi banyak di sebabkan juga oleh bayi prematur. bayi premature tersebut akan sangat mudah mengalami kedinginan, sehingga dibutuhkan suatu perangkat pelindung tertentu yang dapat dikondisikan temperaturnya. Bayi dengan kelahiran kurang dari 2500 gram termasuk dalam kategori berat bayi lahir rendah (BBLR). Pada bayi dengan kelahiran yang tidak normal kurang mampu beradaptasi dengan temperatur lingkungan luar yang mudah berubah. Salah satu sistem instrumentasi kesehatan yang sangat penting bagi kesehatan terutama bagi bayi yang baru dilahirkan dengan kondisi BBLR adalah inkubator bayi. inkubator bayi yang merupakan sebuah wadah atau tempat khusus untuk bayi premature (bayi yang lahir tidak pada waktunya atau kurang dari 9 bulan) yang dapat bekerja secara otomatis untuk mempertahankan suhu bayi menjadi lebih stabil dengan pengaturan suhu ruang dan kelembaban yang ada didalam inkubator.
Energi radiasi dari matahari merupakan salah satu bentuk energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh listrik..Untuk memanfaatkan potensi energi radiasi matahari yang ada di Indonesia, diperlukan suatu inovasi teknologi yang dapat diperbaharui (renewable energy) seperti penggunaan energi matahari sebagai sumber panas pada ruang inkubator bayi. Yang kemudian akan dapat di pakai oleh daerah daerah terpencil yang belum memadai jaringan listriknya. 2. Landasan Teori 1. Perpindahan Panas Panas dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ketempat atau ke benda lain. Panas dapat berpindah dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin. 1.1 Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas suatu benda yang partikel-partikel
196
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
dalam benda tersebut menstransfer energi melalui tumbukan. Konduksi Panas hanya terjadi apabila terdapat perbedaan temperatur. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier ............................(1) Dimana, = Laju perpindahan panas (W) k= Konduktivitas Termal ( W / (m.K)) A= Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2) T2= Temperatur akhir (°C) T1= Temperatur awal (°C) L= Tebal plat (m) 1.2 Konveksi Perpindahan panas konveksi terjadi di antara permukaan benda dan suatu fluida. Perpindahan panas konveksi terdiri dari tiga jenis, yaitu konveksi paksa aliran dalam, aliran luar, dan alamiah. Apabila aliran fluida disebabkan oleh blower/fan maka disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton,yaitu sebagai berikut
ISSN 2338-1035
1.2.1 Konveksi Natural Pola konveksi natural pada permukaan horizontal dapat dibagi dua. Masingmasing dijelaskan pada bagian berikut. a. Permukaan atas yang panas atau permukan bawah yang dingin. Tr < Ts Ts
Ts
Tr > Ts
Gambar.1 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a) Persamaan bilangan Nu untuk kedua bagian gambar ini adalah sama. Hanya arah alirannya saja yang berbeda. Persamaan menghitung bilangan Nu dapat digunakan persamaan yang diajukan oleh Llyod dan Moran (1974): Untuk 10 4 < Ra L < 10 7 : Nu = 0,54 Ra L0, 25 .................... (5 ) Untuk 10 7 < Ra L < 10 9 : Nu = 0,15 Ra 1L 3 ................... (6)
b. Konveksi natural pada ruang tertutup yang dipanasi dari sisi bawah. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan diajukan oleh Holland dkk (1976) dengan RaL < 105, yaitu :
..................(2) Dimana, = Laju perpindahan panas (Watt) h= Koefisien konveksi ( W / m2. K ) A= Luas permukaan kolektor surya m2 Ts= Temperatur plat ( K ) Tf= Temperatur fluida ( K )
..(7) Dimana, NuL = Bilangan Nusselt RaL = Bilangan Rayleigh
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini ........................... (3) Dimana, h = koefisien konveksi ( W / m2. K ) Nu = Bilangan Nusselt k = konduktivitas termal (W/m.K) L = panjang plat (m) µ = viskositas (Ns/m2)
Gambar.2 tertutup
Konveksi natural pada ruang
197
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
Untuk bilangan Rayleigh sendiri dapat dihitung dari persamaan berikut ......................(8) Dimana, RaL = bilangan Rayleigh β =1/ Tr g = percepatan gravitasi (9,81 m/s2) Ts = temperatur permukaan plat (K) Tr = temperatur referensi (K) L = panjang karakteristik (Luas permukaan/ keliling permukaan ( m)) α = difusivitas thermal v = viskositas kinematik
1.3 Radiasi Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ia1ah perpindahan ka1or mela1ui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Perhitungan panas yang hilang pada kolektor surya tipe kotak ini adalah (Duffie dan Backman,1980): HH....(9) Dimana : , ( konstanta Stefan – Boltzmann) q = Panas radiasi yang hilang (J) A = Luas penampang (m²) Tp = Temperatur Plat (K) Tc = Temperatur kolektor (K) = Emisivitas plat = Emisivitas kolektor 2. Matahari Matahari adalah bintang terdekat dengan Bumi dengan jarak rata-rata 149.680.000 kilometer (93.026.724 mil). Matahari terdiri dari inti dan tiga lapisan kulit, masing-masing fotosfer, kromosfer dan korona. Untuk terus bersinar, matahari, yang terdiri dari gas panas menukar zat hidrogen dengan zat helium melalui reaksi fusi nuklir pada kadar 600 juta ton, dengan itu kehilangan empat juta ton massa setiap saat.Matahari dipercayai terbentuk pada 4,6 miliar tahun lalu. Kepadatan massa matahari adalah 1,41 berbanding massa air. Jumlah tenaga matahari yang sampai ke permukaan
ISSN 2338-1035
Bumi yang dikenali sebagai konstan surya menyamai 1.370 watt per meter persegi setiap saat. Setiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 1026 kalori. 3. Inkubator Inkubator bayi merupakan salah satu alat medis yang berfungsi untuk menjaga suhu sebuah ruangan supaya suhu tetap konstan/stabil. Pada modifikasi manualotomatis inkubator bayi, terdapat sebuah boks kontrol yang dibagi menjadi 2 bagian (bagian atas dan bagian bawah). Boks bagian atas digunakan untuk meletakkan sensor, display sensor, kontroler, rangkaian elektronik. Sedangkan pada boks bagian bawah dibagi menjadi 3 ruangan yang dibatasi dengan sekat, yang digunakan untuk meletakkan heater, tempat/wadah air dan kipas. Sensor yang digunakan adalah sensor suhu (PT100) dan sensor kelembaban, dimana sensor suhu PT100 dan sensor kelembaban diletakkan di dalam boks tidur bayi (di luar boks kontrol). 4. Phase Change Material (PCM) Phase Change material adalah materi yang mengalami perubahan fasa ketika menyerap dan melepaskan panas (kalor laten) dimana struktur atau susunan kimianya tidak mengalami perubahan. Perubahan fasa inilah yang menjadi alasan utama penggunaan PCM karena pada kondisi ini temperatur PCM konstan. Material yang digunakan sebagai PCM harus memiliki panas laten yang besar dan konduktifitas termal yang tinggi. PCM tersebut juga harus memiliki temperatur titik cair yang bekerja pada rentang temperatur yang diizinkan, reaksi kimia yang stabil, biaya rendah, tidak beracun, dan tidak menyebabkan korosi.
198
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
ISSN 2338-1035
Tabel:1 Beberapa jenis PCM
Alat dan Bahan yang digunakan Penelitian ini akan menggunakan bahan-bahan untuk pengukuran dan beberapa alat produksi dan alat ukur. 1.laptop 2.Hobo Micro Station Data Longger 3. Alat ukur Temperatur/Termokepel (Agilent) 4.Inkubator Bayi 5.Kontainer 6.Sensor temperatur
5. Lilin Parafin (C25H52) Lilin Parafin, merupakan hidrokarbon jenuh dengan rantai terbuka dan merupakan senyawa alkana. Lilin parafin adalah campuran senyawa hidrokarbon alkana yang mengandung 2150 atom karbon. Ketika pemisahan residu minyak bumi, jumlah atom karbon pada lilin parafin berkisar 40-50 atom.Komposisi dari setiap anggota senyawa alkana tersebut menyesuaikan dengan rumus CnH2n+2, yang mana n adalah jumlah atom karbon dalam molekul. Lilin parafin adalah suatu campuran dari hidrokarbon yang dipenuhi massa molekular yang tinggi, diproduksi selama penyulingan dari minyak/petroleum. Lilin parafin, terbaru dari petroleum, memiliki nilai yang paling komersial. Adapun sifat fisiknya adalah : • Melting : 40˚C - 53˚C • Heat of fusion (hf) : 251 kJ/kg • Cp (solid) :1,92 kJ/kg.K • Cp (liquid) :3,26 kJ/kg.K • k (solid) :0,514W/m.K • k (liquid) :0,224W/m.K • ρ (density) : 830 kg/m³
Bahan Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : a. kayu b. kaca c. rockwool massa jenis 24 kg/m3 d. Polystyrene e. Plat besi f. Plat aluminium ketebalan 4 mm g. Besi hollow 3 cm h. Styrofoam massa jenis 27 kg/m3 i. Paraffin wax 20 kg
3. Metode Penelitian Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dan Pengerjaan Skripsi ini dilakukan dari Tanggal juli 2012 hingga Desember 2012. Adapun lokasi penelitian seperti pengujian dan pengambilan data dilakukan di laboratorium Teknik Pendingin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Misalkan pengujian dilakukan dari pukul 10.00 - 15.00 maka panas yang diterima absorber adalah :
4. Metode Perhitungan Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan paraffin wax (PCM) dari temperatur 25˚C ke 53˚C adalah : •
20kg→
Panas yang diterima absorber thermal storage :
Rancang Bangun Solar Box Dan Inkubator Bayi 1. Desain Solar Box Desain solar Box adalah tipe box bentuk persegi tanpa boosted mirror dan dengan mengunakan penutup yang
199
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
berlapiskan dua kaca.Berikut adalah penampang solar Box beserta ukurannya dalam satuan mm.
Gambar 3. Rancangan Solar box 1) Dinding yang terbuat dari kayu Meranti 2) Plat aluminium dengan tipe A380 3) Kaca tipe plat 4) Polystyrene sebagai isolasi 5) Rockwool sebagai isolasi
ISSN 2338-1035
Efisiensi Pada Solar Box Pada Perhitungan awal bab 3 telah dihitung Panas yang diterima absorber thermal storage :
Pengujian dilakukan dari pukul 10.00 15.00 maka panas yang diterima absorber adalah : Maka Efisiensi Solar Box Cooker : x 100% Efisiensi
=
6,777 − 3,39 6,777
= 49,97 %
Gambar 4. Penampang dalam solar box secara 2 Dimensi A1 (kayu) = p1 x l1 = 1 x 0,295 = 0,295 m² A2 (polystyrene) = p2 x l2 = 0,97 x 0,25 = 0,2425 m² A3 (rockwool) = p3 x l3 = 0,92 x 0,225 = 0,207 m² A4 (aluminium) = p4 x l4 = 0,84 x 0,185 = 0,1554 m² A5 (aluminium) = p5 x l5 = 0,835 x 0,835 = 0,6972 m² A6 (rockwool) = p6 x l6 = 0,84 x 0,84 = 0,7056 m² A7 (polystyrene) = p7 x l7 = 0,92 x 0,92 = 0,8464 m² A8 (kayu) = p8 x l8 = 0,97 x 0,97 = 0,9409 m² t1 = t8 = 0,015 m kkayu =0,19 W/m.K t2 = t7 = 0,025 m krockwool = 0,042 W/m.K t3 = t6 = 0,04 m kpolystyrene = 0,036 W/m.K t4 = t5 = 0,00025 m kkaca = 1,4 W/m.K kaluminium = 237 W/m.K
Kehilangan Panas Solar Box Maka seluruh total kehilangan panas pada solar box adalah :
2. Desain Inkubator Bayi Desain inkubator bayi terbagi atas 3 bagian yaitu bagian kubah inkubator bahannya dari acrylic, Kontainer yang terletak di dalam badan inkubator bahannya adalah aluminium, dan kaki inkubator terbuat dari besi hollow. a. Kubah Inkubator Kubah ini terletak di bagian atas Inkubator Bayi. Bahan Kubah ini adalah Acrylic.
Gambar 5 Kubah Inkubator Bayi
Qkehilanga npanas = Qdinding + Qalas + Qkaca + Qkontainer + Qradiasi Qkehilanga npanas = 8,88 + 7 ,98 + 0 ,171 + 1,89 + 169 , 45 Qkehilanga npanas = 188 ,3Watt
Jika pengujian kontainer berisi paraffin dilakukan dari pukul 10.00-15.00, maka panas yang hilang keseluruhan dari solar box adalah :
Qtotal = 188,3 × 5 × 3600 = 3,39 MJ
b. Kontainer Kontainer ini digunakan sebagai pemanas di ruang inkubator bayi. Kontainer ini berbahan aluminium di cat dengan warna hitam agar lebih baik dalam menyerap panas. Kontainer ini berisi PCM yaitu Lilin (paraffin).
200
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
ISSN 2338-1035
= 6,777 – 3,39 = 3,387 MJ Gambar 7 Kontainer
c. Kaki Inkubator Kaki inkubator ini terletak di bagian bawah Inkubator bayi bahannya dalah besi hollow. Bagian kaki inkubator di lapisi dengan plat besi sebagai tempat heater inkubator yaitu kontainer yang berisi PCM.
Gambar 6 Kaki Inkubator Bayi - Panas Hilang di dalam Inkubator Bayi
Maka Efisiensi Inkubator Bayi : x 100% Efisiensi
=
3,387 − 1,252 3,387
= 63,04 % Lama bertahan suhu ruang inkubator Lama bertahan suhu ruang inkubator parameternya adalah suhu pcm di dalam kontainer. Pengujian ini dilakukan setelah kontainer di panaskan yaitu pada pukul 15.00 WIB. Berdasarkan Pengujian ini suhu ruang bertahan selama pukul 15.00 sampai dengan 18.20 yaitu sekitar 3 jam 20 menit. Dapat dilihat dalam tabel di bawah ini waktu vs pcm dan suhu ruang inkubator :
Total dari kehilangan panas kontainer di dalam ruang inkubator adalah
Qtotalkehilanganpanas = Q LxT + Q PxT + Q sisiataskubah Qtotalkehilanganpanas = 16,4125 + 29,5 + 6,536 Qtotalkehilanganpanas = 52,45watt Maka Total Kehilangan Panas dari Inkubator Bayi adalah
= 69,558 Watt Jadi selama pengujian dari pukul 15.00 – 20.00 WIB Total kehilangan panas pada Inkubator bayi adalah
Efisiensi Pada Inkubator Bayi Pada Penggunaan Kontainer di Inkubator bayi digunakan panas yang masuk dari absorber yaitu :
201
Jurnal e-Dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012
Berikut adalah grafik waktu VS Tpcm1, Tpcm2, Tpcm3, Tpcm4 dan T ruang inkubator :
ISSN 2338-1035
[3] [4] [5]
[6] [7]
Ambarita, H. 2011. Energi Surya. Departemen Teknik Mesin Barrenechea, C., Cabezaa, L.F., Castell, A., de Graciaa, A., Fernández, A.I. 2010. Duffle A John.2006. Solar Engineering of Thermal Processes,Third Edition. John Wiley & Sons Inc. : New York Illyas, Jurniarni.1995. Pelatihan Inkubator Bayi. Erlangga:Jakarta. Incropera, Frank P., David P. Dewitt. 1985. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Second Edition”. John Wiley & Sons Inc. : New York
5. Kesimpulan Adapun kesimpulan yang dihasilkan dari penelitian ini adalah : 1. Lilin (paraffin wax) adalah salah satu jenis PCM yang dapat menyimpan panas dengan baik, karena memiliki kalor laten yang tinggi. 2. Lilin (paraffin wax) dengan kapasitas 20 kg dapat digunakan sebagai heater inkubator dan dapat bertahan hingga pemakaian 3 jam 20 menit. 3. Penggunaan inkubator ini dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil, dengan demikian dapat menghemat energi. 4. Efisiensi Solar Box sebagai tempat menjemur kontainer adalah 49,97 %. 5. Efisiensi Inkubator Bayi dengan menggunakan lilin (paraffin wax) sebagai PCM adalah 63,04 %. DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
Abhishek Saxenaa,, Varunb, S.P. G. Pandeyc, and Srivastavd.“Renewable Sustainable Energy Reviews”.India : Elsevier.Ltd Ambarita, Himsar.2011. “Perpindahan Panas Konveksi dan Pengantar Alat Penukar Kalor”. Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU.
202
