JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 1

Transkripsi

1 JURNA TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Studi Eksperimental dan Analisa Medan Kecepatan Pada Performansi Kolektor Surya V-corrugated Absorber dengan Penambahan Obstacle berbentuk Paruh dengan Variasi Sudut Paruh Mirza Iqlima dan Dosen Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M. Eng Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya djatmiko@me.its.ac.id Abstrak Kolektor surya merupakan alat yang mampu menyerap panas radiasi dari matahari kemudian memanfaatkan panas tersebut untuk memanaskan fluida kerja. Pada umumnya kolektor surya terdiri dari rangka, penutup kaca dan juga plat absorber. Dengan penambahan obstacle mengakibatkan olakan sehingga temperatur fluida keluar ducting akan mengalami peningkatan. Semakin tinggi intensitas matahari yang menerangi bumi maka akan semakin tinggi pula panas radiasi matahari yang diserap oleh kolektor surya. Kolektor surya yang digunakan adalah kolektor surya v-corrugated absorber. Pada penelitian dilakukan dengan cara menvariasikan sudut mulai dari 10 0, 20 0 dan Kolektor surya yang digunakan memiliki panjang 900 mm dengan jarak antar obstacle dengan obstacle lainnya sama dengan tinggi dari obstacle tersebut yaitu 50mm. Penelitian ini juga mengggunakan metode numerik 3 dimensi steady flow menggunakan software Fluent dengan turbulence model k- omega. Kata Kunci - kolektor surya, absorber gelombang tipe- V, efisiensi kolektor, obstacle.. Djatmiko Ichsani, M.Eng Prof. Dr. Ir. Djatmiko I I. PENDAHUUAN nergi surya merupakan salah satu energi yang dapat E diperbarui (renewable energy) yang tidak menghasilkan polusi, murah, mudah didapat, terutama pada negara yang terletak pada garis khatulistiwa. Indonesia merupakan negara yang terletak di daerah khatulistiwa sehingga selalu mendapat penyinaran sepanjang tahun. Penggunaan energi surya dapat diaplikasikan dalam beberapa hal, salah satunya dalam bidang pengeringan. Pengeringan merupakan salah satu cara pengawetan yang dapat dilakukan dalam bidang pertanian dan bidang kelautan. Dalam skala rumah tangga, cara pengeringan yang dilakukan adalah dengan cara menjemur. Namun cara tersebut tidak efisien dan juga tidak higienis. Pada skala industri, proses pengeringan yang dilakukan banyak dilakukan dengan menggunakan energi fossil yang sebisa mungkin dihindari penggunaannya karena mahal dan berpolutan, sehingga dapat kita pilih energi surya sebagai solusinya. Kolektor surya (sollar collector) merupakan alat yang memanfaatkan energi matahari yang berupa perpindahan panas radiasi unruk kemudian diserap oleh plat penyerap panas yang kemudian ditransfer ke fluida kerja. Kolektor surya memiliki berbagai macam variasi untuk meningkatkan performansinya, salah satunya dengan mengganti plat penyerap panas yang berbentuk flat plate absorber menjadi V- corrugated absorber. Dengan menggunakan V-corrugated absorber dapt meningkatkan intensitas radiasi cahaya matahari yang diserap oleh absorber. Untuk meningkatkan effisiensi termal kolektor surya, salah satunya dapat dilakukan dengan meningkatkan koefisien konveksi dengan menciptakan turbulensi pada area perpindahan panas. Hal ini dapat dicapai dengan memberikan gangguan pada area perpindahan panas berupa obstacle. Pada umumnya kolektor surya terdiri dari rangka, plat penyerap panas, kaca penutup dan juga isolasi bagian bawah saluran fluida kerja. Panas radiasi matahari menembus kaca penutup transparan kemudian panas diserap oleh plat penyerap panas atau absorber. Kemudian panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir dibawah absorber akibatnya temperatur fluida kerja keluar memiliki temperatur lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur fluida kerja ketika masuk. Usaha peningkatan efisiensi kolektor surya ini dilakukan dengan cara meningkatkan turbulensi aliran fluida. Peningkatan turbulensi aliran ini dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya adalah dengan pemasangan obstacle. Aliran fluida akan bertabrakan dengan obstacle sehingga aliran menjadi acak kemudian terjadi olakan. Obstacle yang ditambah pada kolektor surya berbentuk V- corrugated absorber diharapkan dapat meningkatkan effisiensi termal kolektor surya dikarenakan efek turbulensi yang diciptakan oleh obstacle. Untuk memperoleh unjuk kerja sesuai yang diharapkan maka perlu direncanakan obstacle yang sesuai yaitu dengan menvariasikan sudut paruh dari obstacle berbentuk

2 JURNA TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) paruh. Permasalahan yang didapatkan pada kolektor surya ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana pengaruh variasi sudut paruh yang divariasikan terhadap peningkatan penyerapan panas dan efisiensi kolektor surya. 2) Pra-Design Pemilihan Obstacle Pemilihan sudut paruh obstacle digunakan untuk mencari tekukan sudut yang paling optimum. Hal ini bertujuan untuk memperkirakan peningkatan olakan(turbulensi) yang terjadi pada saluran fluida kerja di bawah pelat absorber. 2. Bagaimana pengaruh perubahan laju aliran massa fluida inlet terhadap performansi kolektor surya. II. URAIAN PENEITIAN A. Penelitian Numerik Penelitian numerik dilakukan dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan software Fluent dan software GAMBIT untuk membuat model awal dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model. Prosedur yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1)Tahap pre-processing menggunakan software GAMBIT a) Membuat model dan geometri berupa kolektor surya V-corrugated absorbet o yang mengacu terhadap ukuran test section pada eksperimen dengan bentuk 3D Gambar 1 Model V-corrugated absorber sudut 10 o 3D pada GAMBIT Keterangan: Panjang kolektor surya ( 2 ) = 900 mm Jarak antar obstacle ( 1 ) = 50 mm a) Membuat meshing volume dengan tipe hexmapsubmap. Denganmbahan obstaclenya maka meshing yang digunakan adalah dengan distribusi mesh yang semakin rapat pada absorber. Jumlah grid pada meshing pada penelitian sebesar Gambar 4 a. Obstacle dengan sudut paruh 10 0 Gambar 3.4 b. Obstacle dengan sudut paruh 20 0 Gambar 3.4 c. Obstacle dengan sudut paruh 30 0 B. Gambaran Sistem Kerja Gambar 2. V-corrugated solar air collector Keterangan Gambar : 1. Fan dan nozzle 2. ampu halogen 3. Kolektor Surya dengan absorber gelombang bentuk-v dengan obstacle 4. Selector thermo couple Prinsip kerja dari V-corrugated solar air collector ini adalah sebagai berikut : 1. Fluida yang ditiupkan dari fan dengan kecepatan tertentu akan dilewatkan melalui nozel dan diteruskan menuju duct kolektor surya. 2. Pada saat melewati kolektor surya temperatur fluida meningkat disebabkan oleh perpindahan energi berupa perpindahan panas secara konveksi dan radiasi dari kolektor surya menuju udara sebagai fluida kerja. 1) Parameter yang Diukur dan Peralatan Penelitian Selama proses pengujian kolektor surya tersebut terdapat parameter-parameter yang diukur dengan posisi seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini: Gambar 3.2 Meshing pada V-corrugated absorber sudut 10 o 3D dengan tipe hexmap-submap pada GAMBIT ; Pebesaran kualitas meshing b) Mendefinisikan kondisi batas yaitu penentuan parameter-parameter dan batasan yang mungkin terjadi pada aliran. Kondisi batas inlet adalah velocity inlet. Kondisi batas outlet adalah outflow. Gambar 3. Posisi penempatan Thermal Sensor (pandangan samping) Selama pengujian kolektor surya tersebut terdapat parameter yang diukur dengan posisi seperti gambar diatas, berikut parameter-parameter apa saja yang akan diukur: 1. Temperatur fluida kerja masuk kedalam ducting channel (T f,in ). 2. Temperatur fluida kerja keluar ducting channel (T f,out ). 3. Temperatur udara ambient (T amb ).

3 JURNA TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Temperatur plat absorber (T abs ) 5. Temperatur kaca penutup (T cg ) 6. Intensitas radiasi ektrateresterial (I T ) 7. Kecepatan fluida kerja (v f ) Dalam penelitian ini ada tiga tahap dalam penelitian diantaranya tahap persiapan, tahap pengambilan data, dan tahap akhir. Adapun penjelasan masing-masing tahap akan dijelaskan sebagai berikut : a. Tahap persiapan 1. Mempersiapkan dan memastikan semua peralatan yang digunakan dalam kondisi yang baik, peralatan yang akan dipakai antara lain, yaitu: pyranometer, anemometer, thermocouple selector, fan, thermometer digital, lampu halogen dan rangkaian-rangkaian listrik yang akan dibutuhkan. 2. Merangkai semua peralatan bantu dan peralatan ukur. b. Tahap pengambilan data 1. Memastikan semua peralatan yang akan digunakan berada pada tempatnya. 2. Memvariasikan kecepatan udara dimulai dari 0,8 m/s. 3. Mevariasikan intensitas cahaya pada lampu halogen dimulai dari 546W/m 2, 689 W/m 2, 822 W/m Ambil data yang dibutuhkan meliputi: V f, I T, T cg, T abs, T amb, T f,out, T f,in 5. Ulangi dengan langkah yang sama, caranya mengatur kecepatan menggunakan voltage regulator sampai mendapatkan kecepatan keluaran sebesar 0,8 m/s, 1 m/s, 1,2 m/s. c. Tahap Akhir 1. Turunkan kecepatan fan secara perlahan-lahan lalu matikan 2.Turunkan tegangan pada lampu halogen lalu matikan 3.Matikan semua peralatan listrik 4.etakkan peralatan utama dan peralatan bantu sesuai dengan tempatny Pada gambar di atas terlihat bahwa kolektor surya dengan obstacle dengan sudut paruh 10 0 mempunyai distribusi kecepatan yang paling rendah dengan kecepatan maksimum 2,72 m/s. Setelah itu kolektor surya dengan sudut paruh 20 0 dengan kecepatan maksimum 2,74 m/s. Sedangkan distribusi kecepatan tertinggi adalah olektor surya dengan sudut paruh 30 0 distribusi kecepatan maksimum sebesar 2,76 m/s. Pada analisa medan kecepatan ini dapat kita lihat bahwa semakin besar sudut paruh dari obstacle maka akan semakin besar pula kecepatan fluida yang ada didalamnya. Hal ini dapat meningkatkan nilai dari reynold number, sesuai dengan persamaan berikut ini V. Re Semakin meningkatnya nilai reynold number maka nilai nusselt number akan semakin tinggi sesuai dengan persamaan nusselt number berikut ini 4 pada aliran turbulen 0.038Re 5 Pr 3 Nu. Dengan meningkatnya nilai nusselt number maka nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi akan semakin Nu. K meningkat hw. Hal ini menyebabkan perpindahan panas secara konveksi akan semakin meningkat. Meingkatnya nilai perpindahan panas pada suatu sistem menyebabkan naiknya tempertatur outlet sehingga Quse akan semkin meningkat. Pada hasil akhirnya maka effisiensi olektor surya akan meningkat. B. Analisa Performansi terhadap panas yang terbuang untuk variasi konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal. 1 III. PETUNJUK TAMBAHAN A. Analisa Distribusi Kecepatan Aliran Fluida Pada Kolektor Surya Berdasarkan Hasil FUENT Gambar 5 Q loss =f(it) untuk kecepatan 0,6 m/s; Q loss =f(it) untuk kecepatan 083 m/s; Q loss =f(it) untuk kecepatan 1 m/s Pada gambar 5 dapat kita lihat bahwa obstacle dengan sudut kemiringan 30 0 mempunyai kehilangan panas yang lebih rendah dibandingkankan obstacle lainnya. Sedangkan obstacle dengan sudut tekukan 10 0 memepunyai kehilangan panas paling besar, disusul dengan obstacle dengan sdut tekukan 20 0 Kolektor surya dengan penambahan obstacle sudut 30 0 memiliki nilai T abs yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan obstacle lainnya. Dengan semakin tingginya nilai T abs maka kehilangan panas juga akan semakin

4 JURNA TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) besar. Nilai Q loss =Q in -Q usefull dapat dijabarkan dalam persamaan berikut ini Q loss =(I t.a c )-(ṁ.cp.(t out -T in )). Jadi nilai Q loss dipengaruhi oleh besarnya nilai Q in dan Q usefull. Semakin besarnya nilai Q use maka nilai Q loss akan semakin menurun. B. Analisa performansi panas yang berguna untuk variasi konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal. (C) Gambar 6. Q use =f(it) untuk v=0,6 m/s; Q use =f(it) untuk v=0,83 m/s; Q use =f(it) untuk v=1 m/s Dari gambar 6 di atas juga dapat kita ketahui bahwasannya nilai Q use yang tertinggi dimiliki oleh kolektor surya dengan obstacle dengan tekukan sudut Hal ini berarti bahwa besarnya tekukan obstacle sangat berpengaruh terhadap kenaikan Q use. Selain itu ukuran dan jarak penempatan obstacle juga mempengaruhi performansi dari kolektor surya tersebut. Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa obstacle sudut 30 0 derajat memiliki nilai Q use yang paling tinggi, sedangkan nilai Q use paling rendah dihasilkan oleh obstacle sudut Selain bergantung pada besarnya intensitas cahaya, Q use juga dipengaruhi oleh besarnya kecepatan. Sesuai dengan perumusan Q use =ṁ.cp.(tout-tin), dimanasemakin tingginya kecepatan fluida maka ṁ yang dihasilkan juga akan semakin tinggi. Hal ini bisa dilihat pada gambar di atas terlihat bahwa tren grafik Q use yang dihasilkan oleh kecepatan. C.Analisa performansi efisiensi untuk variasi konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal. Gambar 7. η=f(kecepatan) untuk v=0,6; η=f(kecepatan) untuk v=0,83; η=f(kecepatan) untuk v=1 Dari gambar 4.5 di atas dapat dilihat bahwa kolektor surya dengan penambahan obstacle memiliki efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan kolektor surya tanpa obstacle. Peningkatan obstacle ini sebanding dengan peningkatan energi yang berguna. Ini sesuai dengan perumusan. Di mana pada pembahasan sebelumnya terlihat bahwa nilai Quse semakin naik apabila intensitas cahaya juga naik. Namun pada grafik diatas terlihat bahwa efisiensi paling tinggi dicapai pada saat I T 677,026 W/m 2. Hal ini dikarenakan kenaikan temperatur udara pada saat I T 677,026 W/m 2 sangat signifikan, sehingga efisiensinya tinggi. Sedangkan pada grafik dapat dilihat bahwa efisiensi paling tinggi dihasilkan oleh kecepatan 1 m/s sebesar 93%. Dengan kata lain semakin tinggi kecepatan fluida maka akan menghasilkan efisiensi yang semakin besar IV. KESIMPUAN/RINGKASAN Pada penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa kolektor surya v-corrugated absorber dengan obstacle dengan sudut paruh 30 0 memiliki efisiensi yang lebih tinggi yaitu sebesar 89% dan kolektor surya dengan obstacle dengan sudut paruh 10 0 memliki efisiensi terendah yaitu sebesar 42%. Sehingga jenis obstacle yang memiliki performansi optimum adalah obstacle bentuk paruh dengan tekukan sudut UCAPAN TERIMA KASIH Puji Syukur saya panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan ridho bagi saya, Mirza iqlima selaku penulis, untuk menyelesaikan jurnal ilmiah dengan baik. Dan tak lupa kedua orang tua dan kedua kakak saya yang tidak henti mendukung dan mendoakan saya unutuk terselesainya penelitian ini. Serta teman-teman seperjuangan di Kampus Merah Teknik Mesin ITS yang tak pernah berhenti berjuang untuk belajar dan menggali ilmu bersama agar kelak dapat menjadi Sarjana Teknik yang bertanggung jawab. DAFTAR PUSTAKA A. Abene, V. Dubois, M. e Ray, A. Ouagued, Study of a Solar Air Flate Plate Collector: Use of Obstacles and Application for Drying of Grape. Astri Mustika K. D., 2011, Studi Eksperimental dan Analisa Profil Kecepatan untuk Mengetahui Unjuk Kerja Kolektor Surya Tipe V-Corrugated dengan Penambahan Obstacle yang Disusun secara Staggered. Duffie, J.A. and Beckman, W.A Solar Engineering of Thermal Processes. Second Edition.John Willey and Sons inc, New York.

5 JURNA TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Febry Arieffani, Studi Simulasi Numerik dan Eksperimental Unjuk Kerja Kolektor Surya V-Groove Absorber dengan Penambahan Obstacle berbentuk Segitiga yang Disusun Sejajar. Incropera, Frank.P. and Dewitt, David P, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Fourth Edition. John Wiley and Sons inc, New York Md Azharul Karim, M.N.A Hawladerb, Performance Investigation of Flat-Plate, V-Corrugated and Finned Air Collectors. Nina Anwar Rista Meidiana, 2011, Studi Eksperimental dan Analisa Profil Kecepatan untuk mengetahui unjuk kerja kolektor surya tipe V- Corrugated dengan Variasi Ukuran dan Jarak Obstacle Bentuk Paruh 20 0 yang Disusun secara Aligned. Tuakia, Firman, Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Informatika, Bandung.