PENGUJIAN PROSES CHARGING KONTAINER INKUBATOR BAYI MENGGUNAKAN PCM DENGAN MEMANFAATKAN ENERGI SURYA

Transkripsi

1 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN PENGUJIAN PROSES CHARGING KONTAINER INKUBATOR BAYI MENGGUNAKAN PCM DENGAN MEMANFAATKAN ENERGI SURYA Michael Frans H.Hasibuan, Himsar Ambarita 2. Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus Usu Medan 2055 Medan Indonesia Abstrak Keterbatasan sumber energi tak terbarukan menuntut manusia untuk mencari dan memanfatkan sumber energi lain. Energi fosil seperti minyak dan gas bumi masih menjadi sumber energi yang paling banyak digunakan. Namun, energi ini masih belum bisa dinikmati oleh penduduk pedalaman untuk penerangan sekalipun. Bahkan, sumber panas untuk menghangatkan bayi yang lahir prematur belum bisa diperoleh. Untuk itu, pada penelitian ini difokuskan pada pemanfaatan PCM untuk menyimpan energi matahari. Pengujian dilakukan dengan mengisi PCM didalam kontainer. Kontainer dipanaskan mulai pukul yang kemudian diangkat dan dimasukkan kedalam inkubator. Kontainer ini berada di dalam kolektor. Termokopel diletakkan pada PCM, kontainer, dan kolektor untuk direkam datanya untuk dianalisis. Kata kunci : inkubator, energi surya,pcm, radiasi. Pendahuluan Kematian bayi banyak disebabkan juga oleh bayi prematur.lebih dari juta bayi prematur meninggal sesaat setelah lahir. 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 temperature lingkungan luar yang mudah berubah.oleh karena itu BBLR tersebut akan sangat mudah mengalami kedinginan, sehingga dibutuhkan suatu perangkat pelindung tertentu yang dapat dikondisikan temperaturnya. 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). Pada umumnya inkubator menggunakan energi listrik yang diubah menjadi energi panas sebagai penghangat dalam ruang inkubator. Namun, energi listrik belum banyak mencapai daerah-daerah terpencil di Indonesia. Bukan tidak mungkin kita dapat menciptakan inkubator tersebut tanpa tenaga listrik agar dapat di gunakan di daerah yang belum memiliki jaringan listrik. Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi, Bahan bakar fosil selain merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, bahan bakar jenis ini juga mengakibatkan dampak lingkungan diantaranya menyebabkan pemanasan global, dan mengeluarkan gas beracun akibat pembakaran yang tidak sempurna.untuk membantu mengatasi permasalahan diatas, maka diperlukan suatu inovasi teknologi yang menggunakan tenaga yang dapat diperbaharui (renewable energy) 2. Landasan Teori Perpindahan panas terjadi dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang 5

2 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN lebih dingin.panas berpindah dari tempat atau benda ketempat atau ke benda lain Dengan kata lain, perpindahan panas hanya akan terjadi bila terdapat perbedaan temperatur diantara dua benda tersebut. Panas akan berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang temperatur lebih rendah. Karena itu dapat disimpulkan bahwa perbedaan temperatur ( t) adalah merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan panas. Dalam proses perpindahan panas, dikenal 3 macam metode perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. a. Konduksi Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah.laju perpindahan panas konduksi dinyatakan dengan Hukum Fourrier[]....() b. Konveksi Konveksi adalah proses transfer panas dengan melibatkan perpindahan massa molekul-molekul fluida dari satu tempat ke tempat lainnya. Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini 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 sebagai berikut[2]. h (2) c. Radiasi Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) iaah perpindahan kaor melaui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan kaor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Radiasi total yang diterima oleh suatu permukaan, tidak semuanya mampu diserap oleh kolektor. Hal ini disebabkan adanya absorbsivitas, reflektansi, dan transmisivitas suatu medium. Untuk kolektor dengan dua kaca penutup, panas hilang radiasi kolektor dapat ditentukan dengan mengetahui nilai temperatur absorber, temperatur kaca penutup terluar, emisivitas absorber, dan emisivitas kaca penutup terluar. Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung panas hilang radiasi yang terjadi [3]....(3) 2. Phase Change Material (PCM) Penyimpanan energi bisa dilakukan dalam bentuk panas sensibel, panas laten, atau hasil energi kimia yang dapat balik (reversibel). Energi yang disimpan tersebut tidak hanya digunakan untuk memanaskan suatu fluida, tetapi juga mampu untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur suatu fluida agar tetap konstan. Penyimpanan energi kimia belum digunakan secara praktis. Hal ini disebabkan biaya dan penggunaannya memerlukan perhatian khusus. Saat ini, penelitian tentang material penyimpan panas dipusatkan pada panas sensibel dan panas laten [4]. - Panas Laten Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan panas antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran panas ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut panas transformasi. 6

3 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN Panas Sensibel Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, panas sensibel adalah panas yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut. 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. PCM diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu organik dan non organik. PCM organik merupakan PCM dari golongan hidrokarbon, asam/ester atau garam, alkohol, freon, dan polimer. Keuntungan penggunaan PCM organik adalah sifat fisik dan kimia yang stabil dan perilaku termal material yang baik. Kerugian penggunaan PCM ini adalah konduktifitas termal rendah, massa jenis rendah, titik lebur rendah, kelembapan tinggi, mudah terbakar, dan perubahan volume. PCM non organik merupakan campuran unsur metal pembentuk garam. Keuntungan penggunaan PCM non organik adalah penyimpanan energi yang tinggi, konduktifitas termal tinggi, dan tidak mudah terbakar. Kerugian penggunaan PCM ini adalah mudah menyebabkan pengkaratan, pemisahan unsur ketika terjadi perubahan fasa, dan penurunan suhu yang drastis [5]. Pengertian Lilin/ Parafin (C 25 H 52 ) Lilin/ Parafin berasal dari bahasa Latin yaitu Parum affinis (Par-affin). Dalam bahasa Inggris yaitu Little affinity yang berarti daya tarik menarik yang sedikit (afinitas kecil/sedikit). Zat ini umumnya diperoleh dari minyak bumi, tetapi sekarang dapat diperoleh secara sintesis. Lilin parafin didapat dari proses penyulingan/distilasi minyak bumi. Komponen-komponen atomnya berjumlah sangat banyak. Untuk memisahkan komponen tersebut maka dilakukan distilasi bertingkat dengan titik didih 38 C-205 C. Parafin juga bisa didapat dari proses kristalisasi setelah proses distilasi dilakukan. 3. Metode Penelitian - Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dan Pengerjaan Skripsi ini dilakukan dari Juli - Desember 202. Adapun lokasi penelitian seperti pengujian dan pengambilan data dilakukan di Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara - Alat yang digunakan Peralatan pengujian yang digunakan dalam penelitian ini antara lain adalah sebagai berikut. - Laptop - Agilient A - Hobo Microstation Data Logger -Solar box -Kontainer 4. Persiapan pengujian Pengujian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel antara agilient dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Flashdisk dicolokkan ke agilient untuk pencatatan/ penyimpanan data selama pengukuran. Setelah agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diatur, flashdisk dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer. Adapun parameter-parameter pengujian yang diukur temperaturnya oleh agilient pada container adalah sebagai berikut. - 4 termokopel ditempatkan pada 7

4 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN parrafin (,2,4,5) - 2 termokopel ditempatkan pada sisi atas container(9,20) - 3 termokopel ditempatkan pada aluminium (6,7,8) - termokopel ditempatkan pada kaca atas (5 ) - termokopel ditempatkan pada kaca bawah (2) - termokopel ditempatkan antara kaca atas dan bawah (3) - termokopel ditempatkan antara kaca bawah dan kontainer ( ) maka, dari persamaan (2.5) koefisien konveksi h adalah: h,, / W/m 2.K Tabel Data radiasi pengukuran tanggal 2 Des 202 Waktu (WIB) I Radiasi (W/m 2 ) Temperatur Lingkungan ( C) 0: : : : : : Radiasi rata-rata pada tanggal 2 Desember 202 dari pukul WIB adalah W/m 2 dan energi radiasi total adalah 7,668 MJ/m 2. -Energi Hilang pada Kolektor Energi hilang melalui dinding dan alas kolektor Pada pukul 3.00, temperatur lingkungan T adalah C, temperatur kayu adalah C, maka temperatur filmnya (T f ) adalah (3,255 C+44,38 C)/237,82 C. Sifat fisik udara pada kondisi temperatur film adalah ρ,07 kg/m 3, µ Ns/m 2, k dan Pr , /, /. / 28480,7934 Nu 0,332 x R, x Pr 0,332 x 28480,7934, x ,77990 Gambar Grafik Waktu-vs-T.Kaca I;Kaca II; Kontainer Atas tanggal 2 Desember 202 Koefisien konveksi h 3 dapat dihitung dengan mencari nilai bilangan Ra L dan Nu terlebih dahulu. Pada pukul 3.00, Temperatur absorber (T abs ) diambil dari temperatur rata-rata T9, dan T20 masing-masing adalah 48,22 C, 44,86 C. Dengan demikian T abs adalah (48,22+44,86) C/2 68,5 C (34.5 K). Temperatur antara absorber dan kaca (T) adalah C ( K). maka temperatur filmnya (T f ) adalah (3,255 C+44,38 C)/237,82 C. Sifat fisik udara pada kondisi temperatur film adalah ρ,07 kg/m 3, µ Ns/m 2, k dan Pr Dimana, α k/ρ Cp α 0,02832 W/m.K /(,0700 kg/m 3 x 006,36300 J/kg.K) α 0, m 2 /s v µ/ρ v Ns/m 2 /.0700 kg/m 3 v m 3 /s, /,,,,,, 8488,

5 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN , ,44, / 4, / + 8 h 4,572 x0,02832 W/m.K 0,37500m,38969 W/m 2 K, + Gambar 2 Grafik Waktu-vs-T.Kayu;Plat samping ;Kontainer bawah dan depan tanggal 2 Desember 202,, Dimana,, h h + + h.4097 / 0,295 2, / 0,05 0,9 / 0,295 0,26768 / 0,025 0,036 / 0, / 0,04 0,042 / 0,207 4, / 0, / 0,554 0, / h,,38 / 0,554 5, / 2, , , , , , / 5,79479 /, 0, / maka, panas hilang pada sisi dinding adalah:, 0, W/K343,02 K 304,255K 2, W -Panas hilang sisi alas Panas hilang pada sisi alas ini merupakan panas hilang melalui bagian bawah kolektor. koefisien konveksi h 3 sisi alas sama dengan sisi dinding (h ) karena memiliki panjang yang sama. Sedangkan koefisien konveksi h 3 tidak digunakan karena sisi terdalamnya merupakan thermal storage (energi panas di serap oleh bagian ini), sehingga energi bukan energi hilang tetapi disimpan. Data-data analisis diambil dari hasil pengukuran pada pukul 3.00 tanggal 2 Desember 202,, Dimana,, h 0, , / 0, / 0,04 0,7056 0,042 /,349746/ 0,025 0,8464 0,036 / 0, / 0,05 0,9409 0,9 / 0, / 9

6 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN h,4097/ 0,9409 0,753922/ 0, ,349746, + 0, , ,753922/ 3, /, 0, / Dengan demikian, panas hilang total pada sisi tegak dan alas kolektor pada pukul 3.00 adalah: 4, +, 9,89297 W+ 8,866W 8,6852 W Panas hilang total sisi tegak dan alas kolektor yang terjadi mulai pukul adalah 0,265 MJ. Koefisien konveksi h dapat dihitung dengan mencari nilai bilangan Ra L dan Nu terlebih dahulu. Pada pukul Temperatur kaca I (T5) adalah 32,66 C (305,66 K). Temperatur lingkungan (T ) adalah 3,255 C (304,255 K). Sifat fisik udara pada temperatur film (53,8 C) adalah ρ,0700 kg/m 3, Cp006,36300 J/kg.K, µ Ns/m 2, k W/m.K, Pr , dan v m 2 /s. 5 Dimana, α k/ρ Cp α W/m.K /(,0700 kg/m 3 x 006,36300 J/kg.K) α 0, m 2 /s v µ/ρ v Ns/m 2 /,0700 kg/m 3 v 0, m 3 /s, / /,,, /,, 2,093 x 0 6 / 0,5 0,5 2,093 0 / 8,96 h 8,96 x W/m.K /4m 2,5 W/m 2 K Gambar 3 Grafik Waktu-vs-Panas Hilang sisi dinding dan alas tanggal 2 Desember Energi hilang melalui permukaan kaca Energi hilang melalui permukaan kaca terjadi karena adanya perpindahan panas konveksi dari sisi dalam kolektor ke lingkungan. Untuk mengetahui energi hilang ini, koefisien konveksi lingkungan (h ) dan koefisien konveksi antar kaca (h 2 ). Data-data analisis diambil dari hasil pengukuran pada pukul 3.00 tanggal 2 Desember 202. Dengan persamaan yang sama seperti di atas, koefisien konveksi h 2 dapat ditentukan dengan mencari nilai Ra L terlebih dahulu. Pada pukul Temperatur kaca II (T2) adalah 68,8 C (34,8 K). Temperatur antar kaca (T3) adalah 4,3 C (34,3 K). Sifat fisik udara pada temperatur film (53,8 C) adalah ρ,0700 kg/m 3, Cp006,36300 J/kg.K, µ Ns/m 2, k W/m.K, Pr , dan v m 2 /s. Dimana, α k/ρ Cp 20

7 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN α W/m.K /(,0700 kg/m 3 x 006,36300 J/kg.K) α 0, m 2 /s v µ/ρ v Ns/m 2 /,0700 kg/m 3 v 0,00003 m 3 /s, / /,,, /,, 3,8269 x 0 7 Dari persamaan (2.), nilai bilangan Nu adalah: +,44 + /, / +,44, + 20,62 maka dari persamaan (2.5), koefisien konveksi h 2 adalah: h 20,62 x W/m.K /4m 2,284 W/m 2 K 0,465+3, , , ,8786 /,7887 / 0,56 / maka, panas hilang permukaan kaca pada pukul 3.00 adalah: 0,56 / m 343,02 K 304,255 K 2,7084 W Panas hilang total yang terjadi melalui permukaan kaca mulai pukul adalah 0,325 MJ. Nilai koefisien konveksi h, h 2, dan h 3 telah diketahui. Dengan demikian, panas hilang yang terjadi melalui permukaan kaca adalah: Dimana, h h h h 2,5 / 0,465 / 0.005,4 / 3,574 0 / h 2,284 / 0,43783 / 0,005,4 / 3,574 0 / h,382 / 0,8786 / Gambar 4 Grafik waktu-vs-panas hilang permukaan kaca tanggal 2Desember Energi hilang radiasi kolektor Data-data diambil dari hasil pengukuran pada pukul 3.00 tanggal 2 Desember ,67 0 / 34,5 K 305,66 K + 0,88 243,5 Watt Total Panas hilang radiasi kolektor mulai pukul adalah 3,335 MJ. 2

8 Jurnal e-dinamis, Volume 5, No. Juni 203 ISSN Gambar 5 Grafik waktu-vs-panas hilang radiasi tanggal 2 Desember 202 Energi hilang total keseluruhan kolektor mulai pukul 0.00 s.d WIB adalah: + + 0,265 MJ + 0,325MJ + 3,335 MJ 3,925 MJ Efisiensi Harian Thermal Storage Efisiensi thermal storage merupakan perbandingan antara energi yang diterima paraffin wax dan energi radiasi yang diterima kolektor. η Ʃ h pcm A abs (T abs -T pcm )- T+ Ʃ k pcm A abs (T abs - T pcm )/y- T /Ʃ(τα)I A abs X 00% 4,605 MJ/6,7396 MJ X 00% 68,33 % Kesimpulan Adapun kesimpulan yang dihasilkan dari penelitian ini adalah : Perbandingan radiasi matahari perhitungan dengan radiasi pengukuran 2. Pada kondisi langit cerah perbandingan radiasi matahari perhitungan dengan pengukuran relatif sama. Untuk pengujian tanggal 2 Desember 202, persen ralat maksimum adalah 53 % dan persen ralat minimum adalah 2%. 3. Energi radiasi pengukuran total mulai pukul WIB untuk tanggal 2 Desember 7,668 MJ/m 2 4. Energi hilang yang terjadi pada kolektor:pengujian tanggal 2 Desember 202 pada sisi dinding, alas,permukaan kaca, dan radiasi kolektor masing-masing adalah 0,30 MJ, 0,35 MJ, 0,325 MJ, dan 3,335 MJ. 5. Energi yang tersimpan di dalam kontainer pada pengujian adalah 4,605 MJ. 6. Efisiensi kolektor pada pengujian adalah 68,33 %. Daftar Pustaka []Welty,Wicks,Wilson,Rorrer.2002.Fund amental Of Momentum, Heat, And Mass Transfer.Vol.2.Edisi Keempat, Alih Bahasa, Ir. Gunawan Prasetio. Erlangga,Jakarta. [2] Incropera, Frank P., David P. Dewitt Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Second Edition. John Wiley & Sons Inc. : New York Yunus, A. Cengel Heat TransferA Practical Approach. [3] Beckman, A.W., Duffie, A.J. 99. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons,Inc: New York Agyenim, F., Eames, P., Hewitt, N., Smyth M [4] Agyenim, F., Eames, P., Hewitt, N., Smyth M A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Elsevier [5] Barrenechea, C., Cabezaa, L.F., Castell, A., de Graciaa, A., Fernández, A.I Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review. Elsevier 22