Salam hangat, Dr. Yudan Whulanza, S.T., M.Sc. Ketua Panitia Pelaksana ISBN

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIII (SNTTM XIII) Depok, 15 – 16 Oktober 2014

Sekali lagi, Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia dipercaya menjadi tuan rumah untuk perhelatan tahunan terbesar Badan Kerjasama Seluruh Teknik Mesin (BKSTM) yaitu Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) XIII. Dalam penyelenggaraanya, SNTTM telah berhasil menjadi satu kegiatan tahunan diskusi para akademisi di Indonesia yang kemudian juga menyediakan tempat penajaman mahasiswa teknik mesin Indonesia melalui kegiatan Lomba Nasional Tahunan Rancang Bangun Mesin. SNTTM XIII yang diselenggarakan di Gedung Perpustakaan Universitas Indonesia pada 1516 Oktober 2014 memberikan nuansa baru dalam hal organisasi karya ilmiah. Untuk pertama kalinya, online submission diperkenalkan dalam pengumpulan, review dan keputusan penerimaan karya ilmiah tersebut. Ke depannya, platform ini akan diteruskan oleh panitia SNTTM di masa mendatang. Sehingga BKSTM akan memiliki database digital yang kaya dalam hal koleksi karya ilmiah dan juga sumber daya reviewer. Panitia SNTTM mendatang dapat mengerahkan reviewer dari berbagai universitas di Indonesia untuk mengkaji satu paper sehingga komunitas diskusi ilmiah dapat saling berkomuniasi tanpa sekat jarak. Penyelenggaraan kali ini menjaring 220 karya ilmiah yang berasal dari 36 institusi. Terdapat juga capaian dari SNTTM lalu yang berhasil diteruskan yaitu adanya sesi internasional dengan jumlah 41 karya ilmiah. Dari karya ilmiah yang ada dapat dikomposisikan menurut bidang sebagai berikut: 42% konversi energy; 24% mekanika teknik; 17% material; 14% manufaktur dan 4% terbagi rata antara teknologi perkapalan dan pendidikan teknik mesin. Kemudian dari sisi kualitas isi, kami mendorong kepada peserta SNTTM XIII untuk mengumpulkan karya ilmiah terbaiknya untuk dimuat di jurnal-jurnal dengan akreditasi internasional. Berbagai hal ini dimaksudkan untuk meningkatkan level penyelenggaraan SNTTM dan karya ilmiah teknik mesin di tingkat lebih tinggi. Beberapa karya penelitian terpilih akan diterbitkan dalam Jurnal Teknik Mesin Indonesia (JTMI). Salam hangat,

Dr. Yudan Whulanza, S.T., M.Sc. Ketua Panitia Pelaksana

ISBN 978 602 98412 3 7

iii


Panitia Pengarah

: Prof. Dr. Ir. Harinaldi, M.Eng Prof. Ir. Yulianto Sulistyo Nugroho, M.Sc, Ph.D Dr. Ir. Warjito, M.Eng

Panitia Pelaksana Ketua Umum

: Dr. Yudan Whulanza, S.T., M.Sc.

Koord. Seminar dan Editorial : Dr. Sugeng Supriadi, S.T., M.S.Eng Koord. Lomba RBM

: Dr. Ir. Gatot Prayogo, M.Eng

Kesekretariatan

: Muhammad Agung Santoso, S.T., M.T. Fadhil, S.T.

Kebendaharaan

: Jos Istiyanto, S.T., M.T., Ph.D

Koord. Acara

: Dr. Engkos A. Kosasih Mohamad Taufiqurrakhman, S.T.

Sie. Sponsorship

: Prof. Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M.Eng Firman Ady Nugroho, ST., MT.

Sie. Akomodasi & Fasilitas

: Gunawan, S.T., M.T. Syarifudin

Sie. Konsumsi

: Kartina, Amd Maryani

Sie. Publikasi

: Dr. Ario Sunar Baskoro, S.T., M.T., M.Eng Nurul Palaq, Amd Heri Sulistyo Budhi, S.T.

Sie. Perlengkapan

: David Hansaulin Yasin

ISBN 978 602 98412 3 7

iv


1.

Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara

23.

Jos Istiyanto, ST.,MT.,PhD.

2.

Prof. Dr.Ir. Adi Suryosatyo, MEng.

24.

Mohammad Adhitya, ST.,MSc.

3.

Ir. Agung Subagio, Dipl.Ing.

25.

Muhammad Baqi, ST.,MT.

4.

Dr. Agus Pamitran, ST., MEng.

26.

Muhammad Agung Santoso, ST.,MT.

5.

Dr. Ario Sunar Baskoro, ST., MT.,

27.

Dr. Ir. Imansyah Ibnu Hakim, MEng.

MEng.

28.

Dr. Ir. Marcus A. Talahatu, MT.

Prof. Dr. Ir. Bambang Suryawan, MT.

29.

Prof. Dr. Ir. M. Idrus Alhamid

30.

Dr. Ing. Ir. Nasruddin, MEng.

31.

Prof. Dr. -Ing. Nandy Setiadi Djaja

6. 7.

Ir. Bambang P. Prianto, MIKomp.

8.

Prof. Dr. Ir. Bambang Sugiarto, MEng.

Putra 32.

Prof. Dr.Ir. Raldi Artono Koestoer,

9.

Dr. Ir. Budihardjo, Dipl.Ing.

DEA.

10.

Prof. Dr. Ir. Budiarso, MEng.

33.

Ir. Rusdy Malin, MME.

11.

Prof. Dr. Ir. Danardono AS., DEA.

34.

Dr. Ir. Sunaryo

12.

Dr. Ir. Engkos A. Kosasih, MT.

35.

Dr. Sugeng Supriadi, ST.,MSEng.

13.

Firman Ady Nugroho, ST., MT.

36.

Ir. tris budiono M, MSi.

14.

Dr. Ir. Gatot Prayogo, MEng.

37.

Prof. Dr. Ir. Tresna P. Soemardi, SE,

15.

Dr. Ir. Gandjar Kiswanto, MEng.

16.

Gunawan, ST., MT.

38.

Prof. Dr. Ir. Yanuar, MSc.,MEng

17.

Gerry Liston Putra, ST., MT.

39.

Dr. Ir. Warjito, MEng.

18.

Ir. Hadi Tresno Wibowo, MT

40.

Dr. Ir. Wahyu Nirbito, MSME.

19.

Prof. Dr. Ir. Harinaldi, MEng.

41.

Yudan Whulanza, ST., MT., PhD.

20.

Dr. Ir. Hendri DS. Budiono, MEng.

42.

Prof. Dr. Ir. Yulianto Sulistyo

21.

Dr. Ir. Henky S. Nugroho, MT.

22.

Prof. Dr. Ir. I. Made Kartika D.,

MSi.

Nugroho, MS

Dipl.Ing.

ISBN 978 602 98412 3 7

v


COVER ................................................................................................................................................. i PENGANTAR ........................................................................................................................................ iii PANITIA ............................................................................................................................................... iv REVIEWER ........................................................................................................................................... v KEYNOTE SPEAKER .............................................................................................................................. vi DENAH LOKASI .................................................................................................................................... x JADWAL ACARA ................................................................................................................................... xiii DAFTAR ISI .......................................................................................................................................... xxvii APPLIED MECHANICS (AM) AM-01

Pengaruh Besaran Energi Inisiasi Bridge-Wire Detonator terhadap Karakteristik Perambatan Gelombang Detonasi dari Pembakaran Hidrogen-Oksigen (Danardono Agus Sumarsono, Jayan Sentanuhady, Mitra Wisnu Hargono,Yulianto Sulistyo Nugroho)

3

AM-04

Kesalahan Puncak Spektrum akibat Penggunaan Fungsi Window untuk Kasus Sinyal Sinusoidal Kontinu (Budi Heryadi, Zainal Abidin, Ignatius Pulung Nurprasetio)

12

AM-05

Evaluasi Performa Mobil Listrik Ezzy ITS I dan Ezzy ITS II pada Tour De Java (M. Nur Yuniarto, Indra Sidharta,Alief Wikarta)

18

AM-06

Pemodelan Dan Analisa Energi Yang Dihasilkan Mekanisme Vibration Energy Harvesting Dengan Eksitasi Getaran Engine (Wiwiek Hendrowati, Harus Laksana Guntur, Yunarko Triwinarno)

22

AM-08

Studi Karakteristik Dinamik Komposit Hybrid Serat Karbon dan Serat Gelas sebagai Bahan Komponen Mobil Listrik Nasional (Molina) UNS (Didik Djoko Susilo,Nur Hafid, Yon Afif Hidayat, D. Danardono)

30

AM-09

Kaji Eksperimental Penerapan Metode Ibrahim Time Domain Untuk Identifikasi Model Bangunan Dua Lantai Dengan Gangguan Pada Tumpuan (Mulyadi Bur, Meifal Rusli, Adriyan,Lovely Son)

34

AM-10

Analisis Getaran pada Model Rotor dengan Pendekatan Disk Tipis/Tebal (Jhon Malta , Getar Elba Perjaka, Mulyadi Bur)

44

AM-11

Pengaruh Pattern pada Sepatu Kopling Sentrifugal Terhadap Daya dan Torsi Sepeda Motor Matic (Ahmad Kholil, Riza Wirawan,Haris Dharmawan )

49

AM-12

Pemodelan Hexapod Robot untuk Sistem Monitoring Keamanan (Munadi, Joga Dharma S, Elang Priyangga P, Jalu Rahmadi M)

56

AM-13

Model Sederhana Tanggul Pemanen Energi dengan Mekanisme Getaran dan Induksi Elektromagnetik Linier (Meifal Rusli, M Taufik Esman)

61

AM-14

Perancangan Sistem Dudukan Senjata dan Sistem Isolasi Getaran pada Kendaraan Tempur Darat (I Wayan Suweca, Rianto Adhy Sasongko, Muhammad Nanda Setiawan )

67

AM-15

Perancangan Lutut Buatan Untuk Kemudahan Gerak pada Siklus Berjalan dan Jongkok bagi Penderita Cacat Amputasi (Masrizal, Syamsul Huda)

76

AM-16

Diagnosa Kerusakan Roda Gigi Dengan Sinyal Getaran (A. Widodo, Dj. Satrijo, I. Haryanto)

82

AM-17

Pengembangan Model Benda Jamak 7 Batang untuk Analisis Kinematik dan Kinetik Gerak Berjalan Manusia (Sandro Mihradi, Wahid L. Buana, Tatacipta Dirgantara, Andi Isra Mahyuddin )

87

AM-18

Pengaruh Variasi Sudut Redundant terhadap Pergeseran Titik Pusat Putar (Uncompensatable Error) Mekanisme Paralel 3-dof Rotasi Murni URU. (Syafri, Syamsul Huda, Mulyadi Bur )

93

AM-19

Pengaruh Variasi Ketebalan Pipa Terhadap Kekuatan Papan Reklame Tipe Single Pole (Norman Iskandar, Achmad Ridwan Hakiki, Rifky Ismail, Rusnaldy)

101

ISBN 978 602 98412 3 7

xxvii


EC-31

Kajian Perpindahan Kalor Pada Tangki Pemanas Air Tenaga Surya Menggunakan Kapsul PCM Pipa-banyak Susunan Segaris (Muhammad Nadjib, Suhanan)

430

EC-32

Kaji Eksperimental Unjuk Kerja Pengering Surya Tipe Lorong Untuk Mengeringkan Ikan (Syamsul Bahri Widodo, Muhammad Amin, Hamdani)

436

EC-33

Analisis Pengaruh Swirl Number Terhadap Peningkatan Stabilitas Nyala Premix Dan Karakteristik Lift-Up Flame Pada Modifikasi Bunsen Burner Menggunakan Rotating Swirl Fan (I Made Kartika Dhiputra, Ridho Ernandi, Shahwardhana Iskandar Siregar)

442

EC-34

Metode Pengeringan Non-termal untuk Meminimalisasi Kebutuhan Panas Proses Torefaksi Sampah Kota menjadi Bahan Bakar Padat (Budi Herwanto, Adrian R Irhamna, Pandji Prawisudha, Toto Hardianto)

450

EC-35

Efek Orientasi Sudut Rectangular-Winglet Vortex generator Terhadap Performa Termal dan Hidrodinamik Penukar Kalor Jenis Fin-Tube dengan Susunan Pipa Sejajar (Rahmat Purnomojati, Syaiful)

458

EC-36

Kinerja Liquid-Gas Ejector: Efek dari Diffuser Ratio (Daru Sugati, Indarto, Purnomo, Sutrisno)

466

EC-37

Studi Numerik 2D-URANS Pengaruh Jarak Gap antara Inlet Disturbance Body dan Permukaan Silinder Upstream terhadap Karakteristik Aliran melintasi Dua Silinder Sirkular Tersusun Tandem (Aida Annisa Amin Daman, Wawan Aries Widodo)

470

EC-38

Kajian Perilaku Droplet Saat Menumbuk Permukaan Panas dengan Pengolahan Citra (Windy Hermawan Mitrakusuma, Hadiyan Yusuf Kuntoro, Deendarlianto, Samsul Kamal, M. Dyan Susila)

475

EC-39

Kajian Eksperimental Aplikasi Air Kondensat Sebagai Evaporative Cooling Pada Kondensor AC Split (I Nengah Ardita, I Nyoman Suamir, Sudirman)

480

EC-40

Life Cycle Analysis pada Pembangkit Tenaga Listrik Mini Hidro di Lhoksandeng, Meuruedu, Pidie Jaya (Teuku Azuar Rizal,Nasruddin, Hamdani)

485

EC-41

Optimasi Sistem Pembangkit Daya Kogenerasi dengan Metode Algoritma Genetika (Ronald Sukianto, I Made Astina)

489

EC-42

Kajian Pengaruh Ketinggian Dinding Kolektor Surya Pemanas Udara dengan Pengganggu Aliran Udara Tipe Melintang (Made Surya Pandita, Ketut Astawa, Sucipta, I Putu )

496

EC-43

Rancang Bangun Vertical Axis Wind Turbine dengan Simulasi Numerik dan Studi Eksperimen (Prabowo)

501

EC-44

Kaji Eksperimental Produksi Bahan Bakar Padat Ramah Lingkungan dari Tandan Kosong Kelapa Sawit Menggunakan Proses Hidrotermal (Achmad Rofi Irsyad, Pandji Prawisudha, Ari Darmawan Pasek)

507

EC-45

Studi Karakteristik Garam Hidrat Sebagai Kandidat Refrigeran Sekunder Pada Sistem Pengkondisian Udara Jenis Chiller (M Irsyad, A Suwono, YS Indartono, AD Pasek, WC Mahendra)

513

EC-46

Kaji Eksperimental Pemisahan Lapisan Logam dalam Bungkus Plastik Berlapis Aluminium Menggunakan Proses Hidrotermal (Gea Fardias Mu’min, Pandji Prawisudha, Ari Darmawan Pasek)

518

EC-47

Pengaruh Ukuran Serbuk Sekam dan Kecepatan Putar terhadap Kinerja Rotating Filter yang Menggunakan Filter Keramik (Prajitno, Rialino)

524

EC-48

Gasifikasi Limbah Tongkol Jagung Pada Reaktor Updraft Ditinjau Dari Pengaruh Air Fuel Ratio (AFR) Dan Kadar Air Terhadap Gas Producer Yang Dihasilkan (Imron Rosyadi, Endang Suhendi, Raden Wirawan Iskandar)

531

EC-49

Kaji Eksperimental Performansi Bahan Bakar Campuran Premium 92 Dengan Bioetanol Sagu (Yovial Mahyoedin, Suryadimal, Roberto)

538

EC-50

Studi Eksperimen Konveksi Bebas Aliran Unsteady Pada Permukaan Atas Plat Miring Vertikal Non-Isotermal Menggunkan Interferometer Differensial (Aldo Tri Oktamettio, Jooned Hendrarsakti)

543

EC-51

Performansi Mesin Pengkondisian Udara Hibrida dengan Penambahan Kondensor Dummy Sebagai Water Heater (Azridjal Aziz, Iwan Kurniawan, Hardianto Ginting)

552

EC-52

Pengaruh Penggunaan Katup Ekspansi Termostatik dan Pipa Kapiler terhadap Efisiensi Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap (Azridjal Aziz, Boby Hary Hartanto)

558

EC-53

Studi Eksperimental Pengaruh Temperatur Evaporasi Terhadap Unjuk Kerja Mesin Pendingin Dengan Refrigerant R134a dan MC134 (Hendri, Prayudi, Roswati Nurhasanah)

565

ISBN 978 602 98412 3 7

xxx


Kajian Perpindahan Kalor Pada Tangki Pemanas Air Tenaga Surya Menggunakan Kapsul PCM Pipa-banyak Susunan Segaris Muhammad Nadjib1,a* dan Suhanan2,b 1

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl. Lingkar Selatan, Tamantirto, Bantul, Yogyakarta 55183, Indonesia 2

Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No. 2, Kompleks UGM, Yogyakarta 55581, Indonesia email: [email protected], [email protected] Abstrak

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji secara eksperimental perpindahan kalor pada tangki Pemanas Air Tenaga Surya (PATS) menggunakan kapsul pipa-banyak (multitubes) yang berisi phase change material (PCM). Disamping sebagai heat transfer fluid (HTF), air digunakan sebagai material thermal energy storage (TES) bersama paraffin wax di dalam tangki PATS. Paraffin wax diisikan ke dalam kapsul-kapsul berbentuk silinder dan disusun secara segaris (inline) di dalam tangki. Tangki PATS dihubungkan dengan kolektor matahari yang menjadi sumber kalor. Pengujian charging dilakukan pada sistem PATS untuk mengetahui proses pemanasan yang terjadi pada HTF dan PCM. Temperatur air dalam tangki dan temperatur PCM dalam kapsul direkam selama pemanasan. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sepanjang proses pemanasan tidak terjadi perbedaan temperatur yang signifikan antara HTF dan PCM. Rata-rata kecepatan pemanasan selama pengujian untuk HTF dan PCM masing-masing adalah 0,109 ºC/menit dan 0,108 ºC/menit. Pengamatan juga memberi hasil bahwa temperatur rata-rata kapsul yang berada di bagian bawah tangki lebih rendah daripada temperatur rata-rata HTF dengan selisih rata-rata 2,57ºC selama tiga hari pengujian. Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa proses perpindahan kalor dari air panas kolektor ke HTF dan dari HTF ke PCM berlangsung efektif. Penyimpanan kalor pada kapsul yang terpasang di bagian bawah tangki PATS kurang optimal. Kata kunci : PATS, PCM, HTF, TES, SHS, LHS, kapsul silinder, proses charging Latar belakang PATS merupakan aplikasi teknologi energi matahari yang cukup populer di masyarakat. Kepopuleran ini berdasarkan kenyataan bahwa sistemnya sederhana dan sampai sekarang produknya banyak dijumpai. Komponen PATS umumnya terdiri dari kolektor matahari, tangki air panas, alat penukar kalor, pompa, sistem perpipaan, pemanas tambahan, dan panel kontrol pemanas. Berdasarkan jenis aliran HTF yang bersirkulasi, sistem PATS dikelompokkan dalam sistem aktif dan sistem pasif [1]. HTF bersirkulasi secara paksa pada sistem aktif menggunakan pompa, sedangkan pada sistem pasif tidak memerlukan pompa. Sirkulasi HTF pada sistem pasif terjadi secara alamiah yaitu aliran yang timbul akibat perbedaan densitas HTF di saluran masuk dan saluran keluar kolektor matahari. Aliran HTF pada sistem pasif ini dikenal sebagai ISBN 978 602 98412 3 7

thermosyphon. PATS sistem pasif banyak diaplikasikan pada skala domestik. Pemakaian air sebagai penyimpan kalor sensibel (sensible heat storage, SHS) pada sistem PATS domestik dapat diandalkan karena sifat perpindahan kalornya baik. Meskipun begitu, SHS ini cenderung memiliki karakteristik sistem yang berat karena densitas penyimpanan energinya rendah dan dapat menimbulkan masalah korosi serta kebocoran [2]. Di sisi lain, PCM sebagai penyimpan kalor laten (latent heat storage, LHS) mempunyai keunggulan khas yaitu fluktuasi temperatur selama charging dan discharging tidak tinggi, densitas penyimpanan energinya tinggi dan memiliki temperatur yang fleksibel dalam aplikasinya [3]. Paraffin wax sebagai salah satu jenis LHS berpotensi diaplikasikan pada PATS karena memiliki sifat seperti: densitas energinya cukup tinggi (~ 200 kJ/kg) [4]; kisaran temperatur leleh 430


Bahan yang digunakan adalah air dan paraffin wax sebagai PCM. Paraffin wax yang dipakai adalah RT52 produksi dari Rubitherm Technologies GmbH dengan kisaran temperatur pelelehan 49 – 53ºC dan kalor laten peleburan 143 kJ/kg [10]. Peralatan yang dipakai adalah kolektor matahari (1), piranometer (2), sensor temperatur udara luar (3), katup (4), bak air (5), katup pengaman (6), tangki TES (7), kapsul PCM (8), rotameter (9), termokopel (10), data logger (11), dan PC (12). Sistem perpipaan alat ini terdiri dari 2 jalur, yaitu jalur tertutup antara kolektor matahari dan tangki serta jalur terbuka dari air sumber ke air panas pemakaian. Skema peralatan adalah seperti pada Gambar 1.

4

5

K1

6

7

8

T4

T1

K4

9

K2

1

T2 T5 - T12 T13 - T17

1200

80 6/10/13

70

1000

60

800

50

600

40

400 HTF PCM Radiasi matahari

30

0 10

50

100

150

200

250

300

200 0

350

Waktu (menit)

K5

3

Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM diberikan pada Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4.

20

T3

2

K3

Hasil

Radiasi matahari (W/m²)

Metodologi

Tangki horisontal volume 31,37 liter dihubungkan dengan kolektor matahari plat datar seluas 1,9 m2 dimana tangki dipasang di sebelah atas kolektor. Di dalam tangki terdapat kapsul berisi PCM dengan jumlah 16 buah yang disusun segaris. Material kapsul adalah pipa tembaga berdiameter luar 2,54 cm dan panjang 1,63 m. Massa total PCM padat di dalam kapsul adalah 8,95 kg. Tangki dibalut dengan glass wool untuk mengurangi rugi-rugi termal ke lingkungan. Termokopel dipasang di sisi HTF (T1 – T4 dan T13 – T17) dan PCM (T5 – T12). Posisi piranometer diletakkan di samping kolektor. Alat akuisisi data USB-4718 dipakai untuk merekam data temperatur, sedangkan radiasi matahari direkam dengan HOBO micro station. Penelitian dilakukan selama proses charging yaitu saat sistem PATS menerima energi dari matahari untuk memanaskan air yang berada di kolektor. Kolektor matahari dihadapkan ke utara dengan tilt angle 15º. Sistem PATS diisi air dengan membuka katup K1, K2, K3, dan K5, sedangkan K4 dan K6 ditutup. Katup K2 dan K3 ditutup apabila air telah memenuhi sistem PATS. Setelah itu sensor temperatur dan radiasi matahari diaktifkan secara bersamaan. Perekaman data temperatur HTF, PCM dan intensitas radiasi matahari dilakukan setiap 30 detik. Pengambilan data diakhiri jika temperatur PCM telah melebihi titik lelehnya. Pengujian dilaksanakan selama 3 hari dan dipilih yang mempunyai beda intensitas radiasi matahari rata-rata cukup jauh.

Temperatur rata-rata (°C)

produk paraffin wax antara 8 sampai 106ºC [5]; tidak berbahaya dan tidak reaktif [6]; sifat termalnya stabil di bawah 500ºC [7]; titik lelehnya tidak mengalami penurunan secara tetap selama pengulangan 1500 siklus termal [8]. Aplikasi LHS mempunyai kelemahan yaitu rendahnya konduktivitas termal sehingga unjuk kerja termalnya juga rendah. Metode yang dapat digunakan untuk meningkatkan unjuk kerja sistem LHS yaitu penggunaan perluasan permukaan (extended surfaces), pemakaian beberapa PCM (multiple PCM), peningkatan konduktivitas termal PCM dengan menambahkan material berkonduktivitas termal tinggi, dan pengkapsulan PCM (PCM encapsulation) [9]. Pada penelitian ini, metode peningkatan unjuk kerja sistem LHS yang dilakukan adalah dengan memperbesar luas permukaan perpindahan kalor menggunakan kapsul pipa-banyak yang di dalamnya berisi PCM. Tujuan penelitian adalah untuk mengkaji secara eksperimental perpindahan kalor pada tangki PATS sistem thermosyphon yang menggunakan kapsul PCM pipa-banyak.

11

12

Gambar 2. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 6 Oktober 2013

K6

Gambar 1. Skema alat penelitian ISBN 978 602 98412 3 7

431


HTF PCM Radiasi matahari

7/10/13

70

1200 1000

60

800

50

600

40

400

30

200

20

0 0

Radiasi matahari (W/m²)


80

50 100 150 200 250 300 350 400

Waktu (menit)

1000

80 9/11/13

70

800

60

600

50 400

40 HTF PCM Radiasi matahari

30 20 0

50

100

150

200 0 200

Tabel 1. Kecepatan pemanasan rata-rata HTF dan PCM Radiasi matahari (W/m²)


Gambar 3. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 7 Oktober 2013

250

Waktu (menit)

Gambar 4. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 9 Nopember 2013 Ketiga grafik di atas mempunyai kecenderungan yang sama yaitu kenaikan temperatur HTF dan PCM terjadi secara perlahanlahan dan berfluktuasi. Perlahannya kenaikan temperatur disebabkan oleh rendahnya transfer kalor dari air panas kolektor ke air di dalam tangki dan dari air panas tangki menuju PCM. Kenaikan temperatur yang fluktuatif adalah akibat dari berubah-ubahnya intensitas radiasi matahari selama proses charging. Laju transfer kalor dipengaruhi oleh laju aliran massa fluida. Laju aliran massa air pada PATS ini termasuk rendah karena mengandalkan perbedaan densitas air antara saluran keluar dan saluran masuk kolektor, dimana harga densitas air dipengaruhi oleh temperaturnya. Adanya intensitas radiasi matahari yang berfluktuasi mengakibatkan temperatur air keluar kolektor tidak stabil sehingga laju aliran massanya juga berubah-ubah. Dari sisi PCM, rendahnya transfer kalor dipengaruhi oleh harga konduktivitas termal yang rendah sehingga pengangkutan kalornya lambat. Menurut Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4, temperatur HTF di dalam tangki mengalami kenaikan secara bertahap dan diikuti dengan kenaikan temperatur PCM yang juga bertahap. Selama proses charging tidak terjadi perbedaan ISBN 978 602 98412 3 7

temperatur yang signifikan antara temperatur ratarata HTF dan PCM. Kondisi ini menandakan bahwa laju perpindahan kalor yang diterima air di dalam tangki dari air panas kolektor sebanding dengan laju perpindahan kalor antara air di dalam tangki dan PCM. Kesebandingan tersebut ditunjukkan dengan besarnya kecepatan pemanasan rata-rata yang tidak berbeda jauh antara HTF dan PCM sebagaimana tertera pada Tabel 1. Rata-rata kecepatan pemanasan selama tiga hari pengujian adalah 0,109 ºC/menit untuk HTF dan sebesar 0,108 ºC/menit untuk PCM.

Rendahnya kecepatan pemanasan rata-rata pada Tabel 1 menunjukkan transfer kalor yang rendah baik di sisi HTF maupun PCM. Besarnya kecepatan pemanasan rata-rata HTF dan PCM dipengaruhi oleh intensitas radiasi matahari. Semakin besar intensitas radiasi matahari semakin besar pula laju transfer kalor yang terjadi sehingga temperatur air di dalam tangki dan temperatur PCM naik lebih cepat. Saat intensitas radiasi matahari cukup stabil (mulai menit ke-217 sampai akhir charging pada Gambar 2 dan dari awal proses sampai menit ke225 pada Gambar 4), terlihat temperatur PCM lebih tinggi daripada temperatur HTF. Hal ini mengindikasikan bahwa laju transfer kalor dari HTF ke PCM di dalam tangki lebih besar daripada laju kalor yang diterima HTF dari kolektor matahari. Di antara 16 kapsul yang terpasang, dipilih empat kapsul untuk diketahui temperaturnya yaitu kapsul 3 (K3), kapsul 7 (K7), kapsul 11 (K11) dan Tanggal

6 Oktober 2013 7 Oktober 2013 9 November 2013

Kecepatan Intensitas radiasi pemanasan rata-rata matahari rata-rata [ºC/menit] [W/m²] HTF

PCM

0,114 0,061 0,159

0,118 0,064 0,146

661,45 519,02 699,92

kapsul 15 (K15). Urutan kapsul tersebut menunjukkan posisi letak kapsul di dalam tangki dari atas ke bawah seperti gambar di bawah ini.

432


K3 K7 K11

dari kolektor

K15

ke kolektor

Gambar 5. Posisi pemasangan kapsul di dalam tangki Evolusi temperatur rata-rata PCM di tiap kapsul dan temperatur rata-rata HTF disajikan pada Gambar 6, Gambar 7 dan Gambar 8. Memperhatikan Gambar 6 dan Gambar 7, temperatur rata-rata PCM di dalam kapsul dari yang tertinggi berturut-turut adalah K7, K11, K3 dan K15. Sedangkan menurut Gambar 8, temperatur rata-rata PCM di dalam kapsul dari yang tertinggi adalah K11 kemudian disusul oleh K7, K3 dan K15. Seperti terlihat pada Gambar 5, posisi K7 sama dengan K11 terhadap pipa masuk air panas dari kolektor. Namun karena faktor pabrikasi, letak K11 lebih dekat dengan pipa masuk air panas dibanding K7. Oleh karena itu temperatur rata-rata K11 lebih tinggi daripada K7 saat intensitas radiasi matahari tinggi sebagaimana terjadi pada pengujian tanggal 9 November 2013 (Gambar 8). Berbeda dengan Gambar 6 dan Gambar 7, pada Gambar 8 tampak jelas bahwa mulai dari awal sampai dengan hampir berakhirnya proses charging, K11 mempunyai temperatur rata-rata lebih tinggi daripada K7. Hal ini terjadi karena pengaruh intensitas radiasi matahari yang tinggi dan stabil selama pengujian. Intensitas radiasi matahari yang tinggi dan stabil menyebabkan temperatur air keluar dari kolektor juga tinggi sehingga kalor yang diserap air tangki di daerah tersebut meningkat. Akibat tingginya kalor yang diserap maka temperatur air tangki di sekitar K11 tinggi. Karena ada perbedaan

ISBN 978 602 98412 3 7

temperatur yang besar antara air di sekitar K11 dan PCM di dalam K11 maka terjadi transfer kalor yang tinggi menuju PCM K11. Kalor yang diterima PCM K11 di dekat pipa masuk ini kemudian mengalir ke sepanjang kapsul sehingga menyebabkan temperatur rata-rata PCM di dalam K11 tinggi. Setelah proses charging berjalan 256 menit pada Gambar 6, 251 menit pada Gambar 7 dan 222 menit pada Gambar 8, temperatur rata-rata PCM K7 lebih tinggi daripada K3 dan K11. Sejak saat itu intensitas radiasi matahari mulai berkurang sehingga temperatur air keluar kolektor menurun. Menurunnya temperatur air dari kolektor menyebabkan beda temperaturnya dengan PCM K11 berkurang sehingga laju transfer kalor ke K11 rendah. Temperatur rata-rata K3 dipengaruhi oleh temperatur air di sekitarnya. Semestinya temperatur air di bagian atas tangki tinggi karena merupakan akumulasi air panas. Namun tingginya temperatur air ini mengakibatkan terjadinya rugi-rugi energi termal ke lingkungan yang cukup besar. Adanya rugirugi energi tersebut dan berkurangnya suplai energi termal ke K3 akibat rendahnya intensitas radiasi matahari maka temperatur rata-rata K3 lebih rendah dibanding K7 yang berada di bawahnya. Pada sistem tangki TES, insulasi termal memegang peranan penting untuk mengurangi rugi-rugi energi termal sehingga temperatur HTF di dalamnya dapat lebih dipertahankan. Berdasarkan Gambar 6, Gambar 7 dan Gambar 8, dapat diketahui selisih temperatur rata-rata antara HTF dan tiap kapsul sepanjang pengujian charging seperti ditampilkan pada Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan bahwa temperatur rata-rata HTF berada di atas temperatur rata-rata PCM K15 dan di bawah kapsul lainnya. Letak K15 adalah di tangki bagian bawah. Di daerah tersebut temperatur airnya rendah karena jauh

433


80 6/10/13

Temperatur rata-rata PCM dan HTF (°C)

70 60 50 40

Kapsul 3 Kapsul 7 Kapsul 11 Kapsul 15 HTF

30 20 0

50

100

150

200

250

300

350

Waktu (menit)

Gambar 6. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 6 Oktober 2013 80 7/10/13

Temperatur rata-rata PCM dan HTF (°C)

70 60 50 40


30 20 0

50

100

150

200

250

300

350

400

Waktu (menit)

Gambar 7. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 7 Oktober 2013 80 9/11/13

Temperatur rata-rata kapsul dan HTF (°C)

70 60 50 40


30 20 0

50

100

150

200

250

Waktu (menit)

Gambar 8. Evolusi temperatur rata-rata HTF dan PCM tanggal 9 November 2013 ISBN 978 602 98412 3 7

434


Tabel 2. Selisih temperatur rata-rata HTF dan kapsul Tanggal

6 Oktober 2013 7 Oktober 2013 9 November 2013

Selisih temperatur rata-rata [ºC] HTF-K3

HTF-K7

HTF-K11 HTF-K15

- 0,797 - 0,328 - 0,217

- 2,559 - 2,116 - 1,001

- 1,958 - 1,339 - 4,736

2,962 2,477 2,276

Catatan: Tanda minus menunjukkan temperatur HTF di bawah temperatur kapsul

dari pipa masuk air panas kolektor. Perbedaan temperatur antara air di sekitar K15 dan PCM di dalamnya tidak terlalu besar sehingga laju transfer kalornya rendah. Hal ini mengakibatkan temperatur rata-rata K15 rendah. Adanya selisih temperatur rata-rata antara HTF dan K15 tersebut menandakan bahwa kandungan energi termal pada K15 lebih rendah daripada energi termal yang dimiliki HTF. Fungsi PCM adalah menyimpan energi termal dari air panas dan mensuplai energi saat HTF digunakan. Agar pemanfaatan energi tersebut optimal maka idealnya temperatur PCM mendekati atau lebih tinggi dari temperatur HTF. Mempertimbangkan hal tersebut dan berdasarkan kenyataan bahwa temperatur rata-rata K15 lebih rendah dari temperatur rata-rata HTF maka pemasangan kapsul di bagian bawah tangki kurang berfungsi optimal dalam menyimpan energi termal. Kesimpulan Alat penukar kalor berupa sekumpulan pipa kapsul PCM yang tersusun segaris di dalam tangki PATS telah berfungsi dengan baik memindah kalor dari HTF ke PCM. Kecepatan pemanasan rata-rata yang tidak jauh berbeda antara HTF dan PCM mengindikasikan bahwa proses transfer kalor berlangsung efektif. Penyimpanan kalor pada kapsul PCM di bagian bawah tangki kurang optimal sehingga sebaiknya dihindari pemasangan kapsul di daerah tersebut.

[3] J.N.W. Chiu, Heat Transfer Aspects of Using Phase Change Material in Thermal Energy Storage Applications, KTH School of Industrial Engineering and Management, Stockholm, 2011. [4] M.M. Farid, A.M. Khudair, S.A.K. Razack, S. Al-Hallaj, A review on Phase Change Energy Storage: Materials and Applications, En. Conv. and Mngt. 45 (2004) 1597 – 1615. [5] M. Kenisarin, K. Mahkamov, Solar Energy Storage Using Phase Change Materials, Ren. and Sus. En. Rev. 11 (2007) 1913 – 1965. [6] S.D. Sharma, K. Sagara, Latent Heat Storage Materials and Systems: A Review, Int. J. Green En. 2 (2005) 1 – 56. [7] A. Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi, Review on Thermal Energy Storage with Phase Change Materials and Applications, Ren. and Sus. En. Rev. 13 (2009) 318 – 345. [8] A. Sharma, S.D. Sharma, D. Buddhi, Accelerated Thermal Cycle Test of Acetamide, Stearic Acid and Paraffin Wax for Solar Thermal Latent Heat Storage Applications, En. Conv. and Mngt. 43 (2002) 1923 – 1930. [9] S. Jegadheeswaran, S.D. Pohekar, Performance Enhancement in Latent Heat Thermal Storage Systems: A Review, Ren. and Sus. En. Rev. 13 (2009) 2225 – 2244. [10] Information on http://www.rubitherm.com

Referensi [1] V. Dwivedi, Thermal Modeling and Control of Domestic Hot Water Tank,University of Strathclyde, UK, 2009. [2] D. Buddhi, N.K. Bansal, R.L. Sawhney, M.S. Sodha, Solar Thermal Storage Systems Using Phase Change Materials, Int. J. En. Res. 12 (1988) 457 – 555. ISBN 978 602 98412 3 7

435

Salam hangat, Dr. Yudan Whulanza, S.T., M.Sc. Ketua Panitia Pelaksana ISBN

Recommend Documents