II. TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Kolektor Surya Pelat Datar Duffie dan Beckman (2006) menjelaskan bahwa kolektor surya adalah jenis penukar panas yang mengubah energi radiasi matahari menjadi panas. Kolektor surya pelat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 100 C. Keuntungan utama dari kolektor surya pelat datar adalah dapat memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari, desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya, kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri. Prinsip dasar dari pemanasan kolektor surya pelat datar dimana pelat penyerap hitam (absorber) yang menerima panas dari energi matahari, kemudian energi panas yang diserap ini akan di transfer ke fluida kerja. Untuk mengurangi kehilangan panas secara konveksi dan radiasi pada absorber maka digunakan penutup transparan (cover) dibagian atas. Insulasi pada bagian bawah dan samping kolektor juga digunakan untuk mengurangi kehilangan panas. Ekechukwu dan Norton (1997) menyatakan bahwa kolektor surya pelat datar umumnya digunakan untuk pengeringan bahan pertanian yang dihubungkan dengan ruang pengering. Kolektor surya pelat datar ini biasanya disebut dengan Solar Energy Air Heating Collectors (kolektor udara). Kolektor surya bisa diklasifikasikan menjadi 2 tipe yaitu, tipe tanpa cover (bare-plate) dan tipe dengan cover (cover-plate). a. Kolektor Surya Tanpa Cover Kolektor surya tanpa cover adalah kolektor surya yang paling sederhana, yang terdiri dari saluran udara yang diatasnya berupa pelat absorber dengan bagian bawah yang terinsulasi. Kolektor surya tanpa cover biasa digunakan untuk pengeringan bahan pertanian (sistem konveksi bebas/ sistem konveksi paksa). Prinsip kolektor tipe tanpa cover ini sudah banyak di adopsi pada atap gudang penyimpanan bahan pertanian. Dimana atap berfungsi sebagai penyerap radiasi matahari. Kolektor surya tipe tanpa cover dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Kolektor tipe tanpa cover (Ekechukwu dan Norton, 1997). Pada kolektor surya tipe tanpa cover banyak terjadi kehilangan panas pada permukaan atas. Sebagai akibatnya tipe ini memiliki efisiensi yang rendah pada suhu tinggi namun cukup efisien jika beroperasi pada suhu rendah. Maka dari itu kolektor tipe tanpa cover hanya cocok untuk aplikasi pengeringan bahan pertanian pada suhu yang rendah. Walaupun memiliki efisiensi yang rendah, tipe ini sangat sederhana dengan biaya konstruksi yang murah. 3

2 b. Kolektor Surya Dengan Cover Kehilangan panas pada kolektor surya dapat diminimalisasi menggunakan satu atau lebih cover pada bagian atas sebagai penutup pelat absorber. Cover ini berfungsi untuk mencegah kehilangan panas secara konveksi dari pelat absorber, mengurangi kehilangan panas radiasi gelombang panjang dan melindungi pelat absorber dari pendinginan pada saat hujan. Kolektor surya dengan cover memiliki efisiensi yang lebih tinggi dari pada tipe tanpa cover pada operasi suhu tinggi. Namun untuk biaya konstruksi menjadi meningkat dan biaya perawatan juga meningkat. Kolektor surya tipe cover ini biasanya direkomendasikan pada suhu 10 o C- 35 o C diatas suhu lingkungan. Ada beberapa tipe kolektor surya tipe dengan cover berdasarkan aliran fluida di kolektor diantaranya: 1. Kolektor Surya Tipe Front-pass Pada tipe ini fluida kerja (udara) dipanaskan melewati saluran diantara cover dan pelat absorber (pada bagian bawah diinsulasi). Pindah panas terjadi dari aliran udara yang melewati bagian atas pelat absorber. Kolektor surya tipe front-pass dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Kolektor Surya Tipe Front-Pass (Ekechukwu dan Norton, 1997). 2. Kolektor Surya Tipe Back-pass Pada tipe ini pelat absorber ditempatkan langsung dibawah cover yang terdapat sebuah lapisan udara statik (air gap). Udara menjadi panas diantara permukaan bagian dalam dari pelat absorber dan lapisan insulasi. Pindah panas bergerak pada bagian bawah pelat absorber. Tipe ini umumnya lebih efisien dari front-pass. Kolektor surya tipe back-pass dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 3. Kolektor Surya Tipe Back-pass (Ekechukwu dan Norton, 1997). 3. Kolektor Surya Tipe Pelat Antara Letak pelat absorber berada diantara cover dan lapisan bawah dari insulasi. Aliran udara dipanaskan sehingga mengalir pada sisi absorber, ini akan meningkatkan pindah panas pada permukaan. Biasanya diterapkan pada suhu rendah yang meradiasikan ulang dari udara yang dilewati (Qenawy dan Mohamad, 2007). Tipe ini memiliki dua jenis yaitu parallel-pass dan double-pass pada Gambar 4. 4

3 a b Gambar 4. Kolektor Tipe Paralel-pass (a) dan Double-pass (b) (Ekechukwu dan Norton, 1997). 4. Kolektor Surya Tipe Pelat Berpori Tipe ini juga dikenal dengan kolektor surya tipe matriks, yang merupakan modifikasi dari tipe pelat antara. Pelat dibuat dengan media berpori pada absorber. Kolektor tipe ini akan meningkatkan pindah panas permukaan antara udara dan pelat absorber (Pradhapraj, Velmurugan, dan Sivarathinamoorty, 2010). Gambar 5 menunjukkan kolektor surya tipe pelat berpori. Gambar 5. Kolektor Surya Tipe Pelat Berpori (Ekechukwu dan Norton, 1997). B. Teori CFD (Computational Fluid Dynamics) 1. Proses Simulasi CFD Menurut Tuakia (2008) CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). CFD mampu memprediksi aliran berdasarkan model matematika (persamaan diferensial parsial), metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi) dan peralatan perangkat lunak (problem solving, pre-processing, dan post-processing). Diagram alir metode simulasi numerik CFD dapat dilihat pada Gambar 6. 5

4 Gambar 6. Diagram Alir Metode Simulasi Numerik CFD (Ansys, 2010). CFD terbentuk berdasarkan algoritma numerik dari permasalahan fluida yang terjadi sehingga dibutuhkan solusi permasalahan berdasarkan parameter-parameter yang mempengaruhi sifat fluida tersebut. Di dalam CFD, terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan dalam melakukan pemrosesan (Versteeg dan Malalasekera, 1995). a. Pra-pemrosesan (pre-processing) Pra-pemrosesan merupakan tahapan di mana dilakukan pendefinisian masalah. Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995) terdapat langkah-langkah yang dilakukan dalam pra-pemrosesan, yaitu: 1. Membentuk geometri (computational domain) dua dimensi atau tiga dimensi. 2. Membentuk geometri menjadi sejumlah bagian yang lebih kecil (grid/mesh). Grid merupakan bagian yang akan dicari solusinya karena tingkat keakuratan hasil CFD didasarkan pada jumlah grid yang dibentuk. Bila jumlah grid lebih banyak maka hasil komputasi menjadi lebih akurat tetapi proses komputasi menjadi lebih lama sehingga dibutuhkan perangkat komputer yang lebih baik. Sebaliknya, bila jumlah grid lebih sedikit maka hasil komputasi kurang akurat tetapi proses komputasi berjalan dengan cepat. Contoh hasil dari pembuatan grid/mesh dapat dilihat pada Gambar Mendefinisikan fenomena-fenomena yang terjadi (fisik dan kimia) karena dibutuhkan dalam pemodelan. 4. Mendefinisikan karakteristik fluida. 5. Mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada model geometri. 6

5 Gambar 7. Contoh Pembuatan Mesh/Grid dari Geometri Balok (Ansys, 2010). b. Pencarian solusi (problem solving) Pencarian solusi merupakan tahapan di mana seluruh kondisi pra-pemrosesan telah terpenuhi. Pencarian solusi menggunakan metode volume hingga yang dikembangkan dari metode beda hingga khusus. Dengan metode ini simulasi diselesaikan melalui persamaan-persamaan konservasi CFD. Adapun tahapan-tahapan yang dilakukan dalam mencari solusi pada CFD meliputi: 1. Memperkirakan variable aliran yang tidak diketahui mengunakan fungsi sederhana. 2. Diskritisasi hasil prakiraan dengan mensubtitusi ke dalam persamaan aliran fluida melalui persamaan konservasi dan memanipulasi secara matematis. 3. Membuat solusi dengan persamaan aljabar. c. Pasca-pemrosesan (post-processing) Tahapan pasca-pemrosesan merupakan tahapan terakhir dalam proses CFD yang bertujuan untuk menyajikan hasil dari analisis fluida. Hasil analisis didasarkan pada visualisasi warna yang meliputi: 1. Hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk. 2. Plot berdasarkan vektor. 3. Plot berdasarkan kontur. 4. Plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi). 2. Persamaan Konservasi CFD Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model yang dibuat, model tersebut mempertimbangkan faktor reaksi kimia, perpindahan massa, perpindahan panas atau hanya berupa aliran fluida non kompresibel dan laminar. Model dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial atau yang dikenal dengan PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum konservasi kekekalan massa, momentum dan energy, kemudian diubah 7

6 dalam bentuk numerik dengan teknik diskritisasi. Hukum konservasi merupakan dasar dari penyelesaian simulasi menggunakan CFD. Persamaan-persamaan konservasi tersebut adalah: 1. Kekekalan Massa 3 Dimensi Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju net aliran massa ke dalam elemen fluida. Karena semua elemen fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka massa jenis fluida ρ ditulis dalam bentuk ρ (x, y, z, t) dan komponen kecepatan fluida ditulis sebagai dx/dt=u, dy/dt=v, dan dz/dt=w. Dalam bentuk persamaan matematika untuk fluida yang tidak terkompresi pada kondisi steady dinyatakan sebagai berikut (Versteeg dan Malalasekera, 1995) : + + =0 (1) dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m 3 ) dan x, y, z adalah arah koordinat kartesian. 2. Kekekalan Momentum 3 Dimensi Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume pada kondisi steady (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Momentum x: [u +v + w ]= +µ[ + + ]+S MX (2) Momentum y: [u +v + w ]= +µ[ + + ]+S MY (3) Momentum z: [u +v + w ]= +µ[ + + ]+S MZ (4) dimana µ adalah viskositas dinamik fluida (Pa.s) dan S MX, S MY, S MZ adalah momentum yang berasal dari body per unit volume per unit waktu, masing-masing untuk koordinat x, y, dan z. 3. Kekekalan Energi 3 Dimensi Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : Laju perubahan energi partikel fluida sama dengan laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematik pada kondisi steady dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut (Versteeg dan Malalasekera, 1995): [u +v + w ]= p[ + + ] +k[ + + ]+S i (5) Dimana : [u +v + w ]= + µ[ + + ]+S MX (6) dimana p adalah tekanan fluida (Pa), k adalah konduktivitas termal fluida (W/m⁰C), T adalah suhu fluida (⁰C), dan Si adalah energi yang ditambahkan per unit volume per unit waktu. Persamaan-persamaan tersebut diselesaikan dengan metode iterasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Nilai solusi awal umumnya merupakan nilai dugaan yang dibutuhkan di awal proses perhitungan. Persamaan numerik digunakan untuk menghasilkan nilai pendekatan yang lebih akurat dimana semua variabel telah memenuhi ketiga persamaan aliran fluida. Nilai baru yang 8

7 diperoleh tersebut kemudian digunakan sebagai nilai awal dalam perhitungan selanjutnya. Proses ini terus berulang sampai nilai error, atau disebut juga residual variation cukup kecil atau konvergen. Setiap pengulangan dalam proses untuk mendapatkan solusi disebut iterasi. Untuk analisis pada kondisi tunak, proses perhitungan akan berulang sampai dengan konvergen. Sedangkan pada kondisi tidak tunak proses berlanjut hingga perhitungan ke waktu berikutnya. C. Teori Pindah Panas 1. Pindah Panas Konduksi Pindah panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi adalah proses aliran panas dari daerah dengan suhu tinggi ke suhu rendah di dalam suatu medium (padat, cair, dan gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1994). Besarnya pindah panas secara konduksi dinyatakan dalam persamaan berikut. q cond = (7) Tanda minus diselipkan untuk memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Persamaan 7 disebut hukum Fourier tentang pindah panas konduksi. Energi yang berpindah secara konduksi ini merupakan fungsi dari konduktivitas termal yang searah dengan perpindahan kalor (k), luas penampang yang terletak pada aliran panas (A), dan gradien suhu dalam arah aliran panas (dt/dx). 2. Pindah Panas Konveksi Aliran fluida yang menyerap panas pada suatu tempat, lalu bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih dingin serta memberikan panasnya disebut sebagai konveksi (Cengel dan Turner 2001). Gambar 8 menunjukkan tipe konveksi yang terjadi pada suatu dinding, dimana konveksi bisa terjadi secara alami atau paksa pada bagian luar ataupun dalam. Aliran yang terjadi bisa laminar ataupun turbulen. Bila perpindahan panas berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaaan massa jenis yang disebabkan oleh gradien suhu, maka proses ini yang disebut dengan konveksi bebas atau alamiah (natural). Bila perpindahan panas disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel - partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel fluida ini. Kemudian partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam fluida dimana partikel tersebut akan bercampur dan memindahkan sebagian energinya pada partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi. Energi disimpan didalam partikel - partikel fluida dan diangkut sebagai akibat gerakan massa partikel tersebut. Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dalam persamaan berikut. q conv = (8) 9

8 alami paksa eksternal internal Aliran laminar Aliran turbulen Gambar 8. Tipe Aliran Konveksi (Cengel dan Turner, 2001). Persamaan 8 disebut dengan hukum pendinginan newton. Laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, luas permukaan (A), dan koefisien perpindahan panas konveksi (h). Untuk memperbesar atau memperkecil terjadinya proses konveksi maka salah satu cara dapat dilakukan dengan memperkecil atau memperbesar nilai koefisien pindah panas konveksi. Koefisien pindah panas konveksi berbanding lurus dengan energi pindah panas konvkesi yang dihasilkan. Koefisien pindah panas konveksi dapat dihitung menggunakan persamaan konveksi alami ataupun konveksi paksa. Aliran fluida yang melalui sebuah pelat koefisien pindah panas konveksi paksa dihitung menggunakan persamaan 9, 10, 11, 12 dan 13 (Cengel dan Turner, 2001). Re L = ρ u L/ µ (9) Pr = C p µ/k (10) Aliran Laminer: Nu L = (Pr) 1/3.(Re L ) o.5 ;Re L < 5x10 5 (11) Aliran Turbulen: Nu L = (Pr) 1/3.(Re L ) o.8 ; 5x10 5 Re L 10 7 (12) Nu L = h( L ).L/k (13) Re (Reynold number), Pr (Prandt number) dan Nu (Nusselt number) merupakan bilangan tak berdimensi yang merupakan fungsi untuk mendapatkan koefisien pindah panas konveksi (h). Menurut Jansen (1995) dan American Society of Heating, Refrigerating, and Airconditioning Engineers/ASHRAE (2001), koefisien pindah panas konveksi merupakan fungsi terhadap kecepatan angin yang dihitung berdasarkan persamaan: h = v (14) Apabila perpindahan panas terjadi secara konveksi alami, maka untuk menghitung koefisien pindah panas pada sebuah pelat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 15, 16, 17, 18, 19, dan 20 (Cengel dan Turner, 2001). 10

9 Pr = C p µ/k (15) Gr = (L 3 ρ 2 gcosɸ Tβ)/μ 2 (16) Ra = Gr x Pr (17) Untuk Ra yang laminar ( 10 9 ) digunakan nilai Nu: Nu L = [ ] (18) Untuk seluruh nilai Ra nilai Nu: Nu L = { [ ] } (19) Nu L = h( L ).L/k (20) Gr (Grasof number), Pr (Prandt number), Ra (Rayleigh number) dan Nu (Nusselt number) merupakan bilangan tak berdimensi yang merupakan fungsi untuk mendapatkan koefisien pindah panas konveksi (h). Menurut ASHRAE (2001) laju aliran yang terjadi akibat perbedaan panas menimbulkan efek buoyancy dihitung menggunakan persamaan stack effect sebagai berikut: 3. Pindah Panas Radiasi Q = C D A [2gH (T i -T 0 )/T i ] 1/2 (21) Radiasi adalah proses di mana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah bila benda-benda tersebut terpisah di dalam ruang (Kreith, 1994). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi, dihitung dengan menggunakan persamaan berikut. q rad = (22) Dimana energi radiasi merupakan fungsi dari nilai konstanta Boltzmann ( ( ), luas permukaan dan beda dan perbedaan suhu. emisivitas benda D. Aplikasi CFD pada Kolektor Surya Gao, Lin, dan Lu (1999) telah melakukan simulasi terhadap konveksi alami pada kolektor surya dengan pelat absorber bergelombang. Simulasi kolektor diselesaikan dengan simulasi numeric untuk menyelesaikan persamaan Navier-Stokes dan persamaan energi. Persamaan Navier-Stokes dan persamaan energy merupakan persamaan dalam CFD untuk menghitung perpindahan panas pada fluida. Hasil simulasi numerik menunjukkan nilai koefisien pindah panas konveksi (h) dipengaruhi oleh A (rasio tinggi), β (sudut kemiringan), L (rasio geometri). Nilai A harus lebih besar dari 2, β kurang dari 40 o dan L lebih besar 1. Rasio tinggi merupakan perbandingan dari panjang aliran kolektor dan tinggi amplitude gelombang pelat absorber. Rasio geometri merupakan rasio perbandingan luasan geometri kolektor terhadap jumlah gelombang pelat absorber. Penelitian Lenić dan Franković (2002) memperoleh hasil simulasi pada kehilangan panas konveksi alami kolektor surya pelat datar. Model yang digunakan dalam simulasi berupa model simulasi numerik 2 dimensi mengunakan persamaan matematika Oberbeck. Persamaan matematika 11

10 Overbbeck merupakan persamaan konservasi CFD yang dikembangkan oleh Oberbeck. Persamaan konservasi tersebut adalah hukum kekekalan massa, energi dan momentum. Persamaan ini digunakan untuk menyelesaikan hitungan simulasi CFD. Hal yang menjadi fokus penelitian adalah mengurangi kehilangan panas konveksi alami pada percobaan kemiringan kolektor 0 o, 30 o, 45 o, 60 o, dan 90 o dengan Nu (Nusselt Number) di aliran udara kolektor sebagai parameter pengukuran. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa angka Nu pada kemiringan kolektor <30 o memiliki nilai Nu yang tinggi, sedangkan nilai Nu tidak berubah signifikan pada kemiringan kolektor >30 o. Gunnewiek, Hollands, dan Brundrett (2001) menjelaskan tentang pengaruh angin terhadap kolektor surya pelat datar tanpa cover. Konstruksi kolektor dibuat dengan pelat absorber yang memiliki lubang hisapan udara. Simulasi menggunakan perangkat lunak CFD TASCflow pada kemiringan kemiringan kolektor 45 o. Pengaruh angin meningkatkan kecepatan aliran pada kolektor dan mencegah reverse flow (aliran balik). Dengan asumsi kecepatan angin 5 m/s, hasil simulasi menunjukkan kecepatan aliran di kolektor meningkat dari m/s menjadi m/s. Lubang hisapan di pelat absorber memberikan peningkatan kecepatan aliran sehingga aliran balik yang terjadi pada kolektor berkurang. Bennacer, Kadri, dan Ganaoui (2007) melakukan simulasi numerik pada konveksi alami hybrid sel surya dan kolektor (PV-T). Metode penelitian yang digunakan adalah simulasi CFD menggunakan metode volume hingga dengan model turbulensi K-epsilon. Hasil simulasi menunjukkan bahwa efek chimney meningkat apabila fluks panas diberikan di bagian terendah dari kolektor (inlet), dan laju aliran meningkat pada saat kondisi fluks panas yang tinggi. Thong (2007) melakukan simulasi kolektor surya konveksi alami menggunakan metode simulasi CFD. Perangkat lunak yang digunakan adalah fluent. Hasil simulasi menunjukkan kemiringan kolektor mempengaruhi laju aliran massa. Laju aliran massa meningkat mulai dari kemiringan kolektor 15 o, 25 o, 35 o kemudian pada sudut 55 o dan 60 o terjadi penurunan laju aliran massa. 12