29 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 PENDAHULUAN Karakteristik profil temperatur suatu aliran fluida pada dasarnya dapat diketahui dengan menggunakan metode Computational fluid dynamics (CFD). Pengaplikasian metode CFD digunakan antara lain karena kemampuannya untuk memperolah parameter-parameter pengujian tanpa harus melakukan pengujian secara aktual. Secara umum proses simulasi CFD dibagi menjadi 3 tahap yaitu Pre-Processing, Processing, dan Post-Processing. 3.2 PERENCANAAN 3.2.1 Penentuan Model Kolektor Penentuan rancangan kolektor yang merupakan pembuatan desain dan simulasi sebaran suhu kolektor. Proses rancangan ini meliputi penggambaran model geometri, pembuatan mesh, pendefenisian domain, dan simulasi menggunakan perangkat lunak ansys. Hasil yang didapat berupa sebaran suhu kolektor. Dalam penelitian ini penyusun memilih model kolektor surya tipe tabung plat datar. Karena kolektor jenis ini bisa menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Udara antar tabung dipompa keluar, sedangkan bagian luar dari tabung dipanaskan, sehingga hal tersebut menciptakan ruang
30 hampa didalam tabung. Mekanisme ini menciptakan isolasi panas yang sangat baik, dengan menjebak panas di dalam tabung, sehingga membuat kolektor tabung vacuum sangat efisien. (Solar, Inti. 2017) Kolektor surya tipe tabung plat datar ini terdiri dari 1 rangkaian kolektor yang terdiri dari 6 buah tabung kolektor yang terbuat dari bahan yang berbeda dan ukuran diameter yang berbeda. Pipa bagian dalam terbuat dari tembaga dengan diameter dalam 20 mm,diameter luar 22 mm, dan panjang pipa adalah 721 mm. Pipa input disetiap kolektor bagian luar dengan diameter dalam 6 mm, diameter luar 8 mm, dan Panjang pipa adalah 1515 mm. pipa output disetiap kolektor bagian luar dengan diameter 12 mm, diameter dalam 10 mm dan panjang pipa adalah1474 mm. Absorber terbuat dari tembaga setiap kolektor mempunyai panjang 1400 mm, lebar 80 mm, tebal 5mm, dan chamfer 20 mm. Tabung vacuum atau kaca penutup didalam pemodelan sengaja tidak dimodelkan dikarenkan untuk memperingkan simulasi. 3.2.2 Penentuan Material Pipa kolektor akan dialirkan fluida berupa air murni dan air campuran Ethylene Glycol dan Propylene Glycol yang akan mengalir pada pipa bagian dalam dengan debit aliaran 75 L/h dan Absorber akan di beri iradiasi 1000 W/m 2. Ethylene glycol, dan propylene glycol dipilih karena mempunyai titik beku yang lebih rendah dari air. Ethylene glycol atau propylene glycol biasanya dipakai sebagai campuran air sebagai media pendingin benda kerja dan alat potong pada saat proses permesinan. Digunakan pula untuk melumasi alat potong sehingga memiliki umur pakai yang lebih lama. Menurut ASHRAE (2001) ethylene glycol dan propylene glycol digunakan untuk menghambat pengendali korosi, depresan titik beku (antibeku) dan media perpindahan panas. Atribut utama mereka adalah kemampuan mereka untuk menurunkan titik beku air, volatilitas rendah, dan korosivitas relatif rendah saat terhambat dengan baik.. Menurut Aji. S (2015) berdasarkan rekomendasi, kita hanya perlu menggunakan campuran 70% anti-freeze bila berada di temperatur yang ekstrim,
31 dan seperti di indonesia lebih cocok dengan 50% air dan 50% anti-freze. dan jika menggunakan 100% glycol, maka sistem perpindahan panas hanya 50% efektif. Tabel 3.1 Physical Properties of Ethylene Glycol and Propylene Glycol
32 Mulai Pembuatan geometri (part) dan meshing Pendefinisian bidang batas pada geometri Pengecekan mesh Mesh baik? Tidak Data sifat Ya Penentuan kondisi batas Proses numerik Ya Interasi eror? Tidak Plot distribusi tekanan, temperatur, dll. Selesai Gambar 3.1 Diagram alir prosedur simulasi
33 3.3 PRE-PROCESSING Pre-Processing adalah tahap awal yang perlu dilakukan sebelum melakukan simulasi CFD seperti membuat geometr3i, meshing, mendefinisikan bidang batas pada geometri, dan melakukan pengecekan mesh. 3.3.1 Membuat Geometri Untuk mendapatkan hasil perhitungan yang akurat maka domain perhitungan juga harus dibuat sedekat mungkin dengan keadaan sebenarnya. Mesh sebagai domain perhitungan dibuat dengan acuan geometri, oleh karena itu tahap pembuatan geometri juga sangat menentukan keakuratan hasil. Data awal yang didapat adalah hardcopy profil kolektor dan dimensinya. Proses pembuatan geometri untuk simulasi pada Ansys Fluent, selain menggunakan software tersebut dapat dilakukan juga dengan aplikasi lain seperti gambit, solidwork, autocad, dan lain sebagainya yang selanjutnya di impor ke software Ansys Fluent. Pembuatan model kolektor surya dalam simulasi ini mengacu kepada bentuk dan dimensi kolektor yang sebenarnya. Pembuatan model CAD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak siemen nx. Geometri dalam penelitian ini berupa kolektor suraya dengan pipa dan absorber plat datar dalam menggunakan material tembaga dengan spesifikasi seperti gambar berikut: D in = 6 mm D out = 8 mm D in = 20 mm D out = 22 mm D in = 10 mm D out = 12 mm Gambar 3.2 Model kolektor Absorber area 1400 mm x 80 mm
34 721 mm 2100 mm Gambar 3.3 Model kolektor tampak atas Gambar 3.4 Model kolektor yang sudah diimpor ke software Ansys Fluent
35 3.3.2 Meshing Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Ukuran mesh yang diterapkan pada model akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. Semakin kecil ukuran mesh pada model, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar. Oleh karena itu, besar ukuran mesh harus diatur sedemikian rupa (smooth meshing) sehingga diperoleh hasil yang teliti dan diusahakan daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar. Setelah melakukan meshing dilanjutkan dengan pengidentifikasian bidang batas pada geometri atau yang biasa disebut sebagai name selection. Gambar 3.5 Model kolektor yang telah di mesh tampak atas
36 Gambar 3.6 Model kolektor yang telah di mesh 3.3.3 Procesing Pada tahap ini ada banyak hal yang harus dilakukan kaitannya dengan penentuan kondisi batas dalam sebuah simulasi CFD. Proses ini merupakan proses paling penting karena hampir semua parameter penelitian diproses dalam tahapan ini seperti models, materials, cell zone conditions, boundary conditions, mesh interfaces, dynamic mesh, reference values, solution methods, solution controls, solution initialization, calculation activities, dan yang terakhir run calculation. a. General Simulasi ini menggunakan metode solusi default berdasarkan tekanan. Kemudian untuk velocity formulation menggunakan absolute. Aliran dalam sistem ini bersifat transient.
37 Gambar 3.7 Toolbar General b. Models Pada tahap ini energy disetting on karena simulasi ini memerlukan penghitungan energi dalam prosesnya. Selanjutnya untuk viscous disetting menggunakan Large Eddy Simulation(LES) dengan model WALE. Pada kasus simulasi ini, Large Eddy Simulation WALE dipilih karena dapat menampilkan hasil simulasi yang lebih baik dibanding dengan model yang lainnya dan cocok untuk aliran yang bersifat transient.
38 Gambar 3.8 Toolbar Menu Models c. Materials Material yang digunakan untuk simulasi ini terbagi kedalam dua jenis, yaitu solid dan fluid. Material solid yang digunakan adalah tembaga (copper) sedangkan untuk fluidanya menggunakan water murni dan water campuran glycol. Tembaga dipilih karena merupakan konduktor yang baik, tembaga juga tidak bereaksi terhadap air. Tembaga merupakan logam kemerahan dengan struktur kristal kubus. Tembaga memantulkan sinar merah dan oranye dan menyerap frekuensi lain dalam spektrum cahaya terlihat. Logam ini mudah ditempa, ulet, dan merupakan konduktor panas dan listrik yang baik. Tembaga lebih lunak dari seng, dapat dipoles, dan memiliki reaktivitas kimia rendah. Dalam udara lembab, tembaga perlahan-lahan membentuk selaput permukaan kehijauan yang disebut patina. Lapisan ini melindungi dari serangan korosi lebih lanjut. Sementara glycol dipilih karena mempunyai nilai titik beku dan nilai viskositas lebih rendah terhadap air.
39 Gambar 3.9. Toolbar Menu Materials d. Cell Zone Conditions Cell Zone Conditions berisi daftar zona sel yang dibutuhkan. Pada tahap ini masing-masing zona disesuaikan dengan nama dan jenis materialnya. Untuk Porous Formulation yang berisi opsi untuk mengatur kecepatan simulasi disetting default dengan memilih Superficial Velocity.
40 Gambar 3.10 Toolbar Menu Cell zone Condition e. Boundary Conditions And Assumptions Dalam analisis ini, laju alir massa 3 liter per menit dengan suhu inlet konstan diperkenalkan pada saluran masuk sedangkan kondisi outlet tekanan diterapkan pada pintu keluar. Sifat fisik cairan kerja (air) diasumsikan tetap konstan pada suhu curah rata-rata. Permukaan yang tidak dapat diperbaiki dan kondisi dinding tidak licin telah diimplementasikan di atas dinding saluran. Fluks panas 100 W m 2 diberikan pada dinding pelat penyerap sedangkan sisi yang berlawanan dijaga pada kondisi dinding adiabatik. Asumsi berikut dibuat dalam analisis Air adalah medium kontinu dan tidak tahan lama Alirannya stabil dan memiliki karakteristik aliran laminar Sifat fisik termal pelat penyerap, air, tabung penyerap tidak tergantung pada suhu
41 Parameter masukan yang digunakan dalam analisis ditunjukkan pada Tabel 3.2 Tabel 3.2 Karakteristik tembaga dan fluida Properti % Density Viscosity Thermal Conductivity Specific Heat (kg/m3) (kg/m-s) (w/m-k) (j/kg-k) Copper 8979 0.001003 386 381 Water 100 997.0474 0.000891 0.000891 4180 Ethylene Glycol 10 1012.2067 0.00104 0.0461 3985.833600008 20 1012.2067 0.00141 0.0421 3830.922000008 30 1043.923258 0.00184 0.0383 3667.636800008 40 1058.019506 0.00246 0.035 3491.791200007 50 1071.635199 0.00323 0.0321 3307.572000007 60 1084.289785 0.00428 0.0294 3114.979200006 70 1096.303633 0.00588 0.0271 2914.012800006 80 1107.676742 0.00779 0.0249 2700.486000006 90 1118.569297 0.00993 0.0232 2478.585600005 Propylene Glycol 10 1006.920607 0.0012 0.046 4086.316800008 20 1017.492793 0.00166 0.0416 3990.020400008 30 1026.463133 0.00243 0.0376 3868.603200008 40 1033.991811 0.0035 0.0339 3726.252000008 50 1040.399196 0.00504 0.0304 3558.780000007 60 1045.36492 0.00734 0.0272 3370.374000007 70 1049.369535 0.01025 0.0244 3152.660400007 80 1049.049166 0.01479 0.0218 2914.012800006 90 1047.12695 0.02335 0.0193 2641.870800005 f. Lution Methods Simulasi ini menggunakan skema PISO, persamaan yang digunakan untuk aliran transient atau untuk mesh yang mengandung cells dengan skewness yang lebih tinggi dari rata-rata. Metode ini didasarkan pada tingkatan yang lebih tinggi dari hubungan pendekatan antara faktor koreksi tekanan dan kecepatan. Untuk meningkatkan efisiensi perhitungan, metode piso menggunakan dua faktor koreksi tambahan, yaitu neighbour correction dan skewness correction. Pada Spatial Discretization, untuk Gradient-nya menggunakan Least Squares Cell based, Pressure menggunakan PRESTO, dan untuk Momentum menggunakan Bounded Central Differencing dan Energy menggunakan Second Order Upwind.
42 g. Monitors Gambar 3.11 Toolbar Solution Methods Pada tahap ini akan diatur parameter yang digunakan untuk memantau konvergensi secara dinamis. Pada dasarnya konvergensi dapat ditentukan dengan merubah parameter pada residual, statistik, nilai gaya, dll. Pada kasus ini equations pada residual monitors disetting sesuai kebutuhan yaitu akan menampilkan continuity, z-velocity, energy, k-epsilon, dan do-intensity.
43 Gambar 3.12 Tampilan Menu Residual Monitor h. Solution Initialization Initialization methods yang digunakan adalah standart initialization dengan reference frame menggunakan relative to cell zone.
44 Gambar 3.13 Toolbar Solution Inilization i. Run Calculation Pada proses ini akan dilakukan iterasi hingga terjadi konvergensi. Time Step size adalah langkah waktu yang didapatkan untuk setiap proses kalkulasi yang dilakukan. Number of time steps adalah jumlah total time step yang ingin dilakukan proses kalkulasi. Max iteration/time Step adalah jumlah maksimal iterasi yang ditentukan untuk satu time step.
45 Gambar 3.14 Toolbar Run Calculation 3.4 POST-PROCESSING Langkah selanjutnya setelah melakukan proses kalkulasi yaitu melihat hasil dari proses kalkulasi. Pada kasus penelitian ini, hasil yang dibutuhkan adalah kontur tekanan yang terbentuk pada sistem akibat dari fluktuasi beda tekanan. Untuk melakukan Post-Processing bisa langsung ke menu Results
46 Gambar 3.15 Toolbar Result Untuk membuat kontur, vektor, pathlines, dapat menggunakan menu Graphics pada Graphics and Animations. Menu Animations digunakan untuk pembuatan proses animasi simulasi dan dapat digunakan juga untuk memecah animasi menjadi bentuk gambar.