LOGO
“Analisa Kinerja Termal Solar Apparatus Panel padaAlat Destilasi Air Payau dengan Sistem Evaporasi
Uap Tenaga Surya Menggunakan CFD”
Progress Skripsi ( ME 091329) – Bid. Marine Machinery and System
Oleh :
Nadia Handayani – 4210 100 053
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan
Fakultas Teknologi Kelautan
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA - 2014
Contents
2
LatarBelakang
Rumusan MasalahBatasanMasalah
TujuanMetodologi
PenelitianProgress Pengerjaan
Kegiatan yang akandilaksanakan
Latar Belakang
Apa yang melatar-belakangi analisa ini ?
Kebutuhan akan air bersih yang semakin meningkat
Sistem distilasi tradisional kurang memenuhi kualitas air bersih
Energi matahari sebagai energi terbarukan Pemanfaatan energi matahari sebagai
sumber panas untuk alat distilasi
Sehingga :Diperlukan analisa terhadap solar apparatus
panel untuk mengetahui kinerja alat distilasi air payau dengan sistem evaporasi uap tenaga
matahari3
Rumusan Masalah
4
Apakah pemodelan alat distilasi air payau dengan sistem evaporasi uap tenaga surya dapat dilakukan dengan pendekatan Computational Fluid Dynamic (CFD) ?
Bagaimana pengaruh radiasi dan konveksi pada alat distilasi dengan teknologi solar apparatus panel ?
Bagaimana distribusi temperatur yang terjadi di dalam solar apparatus panel pada alat distilasi air payau dengan sistem evaporasi uap tenaga surya ?
Batasan Masalah
5
1. Analisa dilakukan pada pukul 07.00 sampai 17.00 dengan temperatur lingkungan dan kecepatan angin sesuai data BMKG untuk daerah Surabaya
2. Simulasi tidak mencakup proses pendidihan dua fasa yang ada di dalampipa evaporator
3. Analisa dilakukan hanya pada solar apparatus panel tanpa kondensor.
4. Analisa menggunakan transient simulation
Metodologi Penelitian
6
Metodologi Penelitian
7
Tujuan
8
Melakukan analisa karakteristik distribusi temperaturpada proses perpindahan panas dalam solar apparatus panel menggunakan Computational Fluid Dynamicdengan software ANSYS FLUENT 13.0
Mengetahui kerugian panas ( heat losses ) yang terjadipada solar apparatus panel karena radiasi dan konveksi
Mengetahui energi berguna dan efisiensi solar aparatus panel sebagai alat distilasi air payaudengan system evaporasi uap tenaga surya
1. Pemodelan Solar Apparatus Panel
9
Pembuatan geometry dan meshing menggunakan program GAMBIT 2.4.6
Inlet
Glass
Cover
Outlet
Insulation
2. Parameter Simulasi Solar Apparatus Panel
10
GAMBIT 2.4.6ANSYS
FLUENT 13.0
Pembuatan hasil meshing GAMBIT 2.4.6 diimport ke ANSYS FLUENT 13.0 untuk
proses simulasi
- Simulasi dilakukan dengan menggunakan Transient Simulation
- Dimensi Solar Apparatus Panel
Panjang Panel 750 mm
Lebar Panel 550 mm
Tinggi Panel 50 mm
Tebal Kaca 5 mm
Diameter luar pipa 12.7 mm
Tebal pipa 0.89 mm
2.1 Solar Loading Model
11
Parameter Nilai
Latitude 7.2653°
Longitude 112.7425°
Time zone GMT +7
Waktu pengujian
- Hari
- Jam
- 21 Juni
- Pukul 07.00 – 17.00
Solar irradiation method Fair weather condition
Parameter untuk mensimulasikan radiasi sinar matahari
Data temperature udara dan kecepatan angin tanggal 21 Juni 2014 ((data dari
http://www.accuweather.com/id/id/surabaya/ pada jam 7)
Waktu Vwind Ta
7:00 1.39 27
8:00 1.39 28
9:00 1.67 29
10:00 1.67 30
11:00 2.78 31
12:00 3.06 32
13:00 3.61 32
14:00 3.61 32
15:00 3.61 31
16:00 3.06 30
Tabel hasil simulasi
12
Ave. Glass Temp Ave. Air Temp Ave. Pipe Temp Ave. Water Temp
°C °C °C °C
44.26 52.95 47.26 46.32
50.72 62.16 65.59 64.61
54.39 67.19 77.58 78.39
57.87 71.76 89.17 88.55
56.99 73.96 95.05 94.65
56.76 73.96 97.51 97.35
53.56 70.73 96.30 96.39
51.29 67.58 92.41 92.68
46.83 61.38 84.57 85.06
41.08 53.41 73.09 73.48
Tabel hasil simulasi
13
1
𝑈𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=
1
ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑 + ℎ𝑟−0+
1
ℎ𝑘−0+
1
ℎ𝑐−𝑘 + ℎ𝑟−𝑖+
1
ℎ𝑘−𝑝+
1
ℎ𝑐−𝑎
ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑 = 5.7 + 3.8𝑣
ℎ𝑟−0 =𝜀𝑐𝜎 𝑇𝑘
4 − 𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡4
𝑇𝑘 − 𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡
ℎ𝑘−0 =∆𝑥
𝑘𝑘
ℎ𝑐−𝑘 =𝑁𝑢. 𝑘𝑢
𝐿
ℎ𝑟−𝑖 =𝜎 𝑇𝑝
4 − 𝑇𝑘4
1𝜀𝑝
+1𝜀𝑘
− 1 𝑇𝑝 − 𝑇𝑘
ℎ𝑘−𝑝 =ln
𝑟0𝑟𝑖
2𝜋𝑘𝑝𝐿𝑝
ℎ𝑐−𝑎 =𝑁𝑢𝑑. 𝑘𝑎
𝑑
2.2 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari
14
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
6:00 7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48
Inte
nsi
tas
Rad
iasi
(W
/m
2)
Waktu
Perbandingan Intensitas Radiasi Simulasi terhadap Intensitas Radiasi Perhitungan
Radiasi Langsung (simulasi) Radiasi Langsung (perhitungan)
Radiasi Tersebar (simulasi) Radiasi Tersebar (perhitungan)
Intensitas radiasi langsung cenderung meningkat dari pukul 08.00 hingga pukul
11.00, hal ini dikarenakan pergerakan matahari yang semakin tegak lurus dengan
permukaan bumi di Surabaya. Kenaikan intensitas radiasi matahari ini
mengakibatkan energi yang masuk ke solar apparatus panel semakin meningkat.
Grafik Distribusi Temperatur Tiap Kecepatan
15
30
40
50
60
70
80
90
100
Tem
pera
tur
(K)
Waktu
Grafik Temperatur Terhadap Waktu( v = 0.01 m/s )
T kaca
T udara
T pipa
T air
30
40
50
60
70
80
90
8:00 9:00 10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00
Tem
pera
tur
(K)
Waktu
Grafik Temperatur Terhadap Waktu( v = 0.03 m/s )
T kaca
T udara
T pipa
T air30
40
50
60
70
80
90
100
Tem
pera
tur
(K)
Waktu
Grafik Temperatur Terhadap aktu( v = 0.04 m/s )
T kaca
T udara
T pipa
T air
Analisa Distribusi Temperatur
16
• Secara keseluruhan temperatur kaca lebih rendah karenaadanya konveksi angin di atas permukaan kaca
• Temperatur pipa lebih tinggi dari temperatur udara dalampanel, karena secara tidak langsung pipa berperan sebagaiabsorber
Grafik Energi Berguna Panel
17
Analisa Energi Berguna
18
• Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa energi bergunapada solar apparatus panel setiap jamnya semakin menurun. Hal ini di sebabkan oleh kenaikan heat losses pada tiapjamnya, setelah itu juga terjadi penurunan intensitas radiasimatahari total setelah pukul 12.00 yang juga berpengaruhpada berkurangnya energi yang masuk ke dalam panel.
Grafik Energi Berguna Panel
19
Dari kedua grafik di atas dapat dilihat bahwa efisiensi dan koefisien perpindahan panas
menyeluruh berbanding terbalik. Ketika nilai koefisien perpindahan panas kecil maka
heat losses juga kecil sehingga efisiensi panel semakin meningkat.
Kesimpulan
20
Karakteristik distribusi temperature
a. Temperatur material solar apparatus panel meningkat seiring dengan peningkatan
intensitas radiasi matahari total dari pagi hingga siang hari, maksimum intensitas radiasi
matahari total adalah 979.14 W/m2 pada pukul 12.00, dan menurun seiring dengan
penurunan intensitas radiasi matahari total dari siang hingga sore hari yaitu 592,57 W/m2
pada pukul 17.00
b. Temperatur kaca lebih rendah dari temperature udara dalam panel, sedangkan temperatur
pipa dan air di dalam pipa lebih tinggi dibanding temperature udara dalam panel.
c. Semakin tinggi kecepatan aliran air di dalam pipa, semakin lambat kenaikan temperatur
air dan pipa, serta semakin rendah temperatur yang diserap oleh air.
Kesimpulan
21
Heat losses yang terjadi pada solar apparatus panel
a. Heat losses maksimum rata-rata terjadi pada sore hari mulai dari pukul 14.00 –
16.00.
b. Nilai heat losses maksimum pada kecepatan 0.01 m/s yaitu 177.67 W/m2 pada
pukul 14.00. Pada kecepatan 0.02 yaitu 148.98 W/m2 pada pukul 15.00. Pada
kecepatan 0.03 yaitu 136.86 W/m2 pada pukul 16.00, sedangkan pada kecepatan
0.04 yaitu 119.22 W/m2 pada pukul 16.00.
Kinerja solar apparatus panel
a. Pada masing-masing kecepatan nilai efisiensi menurun setiap jam, rata-rata
efisiensi terjadi pada sore hari mulai dari pukul 11.00 – 13.00.
b. Nilai efisiensi rata-rata pada kecepatan 0.01 m/s yaitu 27.6%. Pada kecepatan
0.02 yaitu 30.2%. Pada kecepatan 0.03 yaitu 31.6% sedangkan pada kecepatan
0.04 yaitu 33.4%.
Saran
22
1. Dilakukan simulasi menggunakan metode multiphase nucleate boiling
untuk mendapatkan mass flow rate dari alat destilasi air payau dengan
sistem evaporasi uap tenaga matahari ini.
2. Data kecepatan angin, temperatur udara lingkungan dan intensitas
radiasi matahari diukur langung untuk mendapatkan hasil simulasi
yang akurat jika hasil simulasi akan dibandingkan dengan data
eksperimental.
3. Menggunakan model radiasi lain selain Rosseland pada ANSYS
FLUENT atau menggunakan software TRNSYS untuk simulasi
transient.
Contour hasil simulasi dengan kecepatan 0.01 m/s pada pukul 07.00
23
Contour hasil simulasi dengan kecepatan 0.01 m/s pada pukul 12.00
24
Contour hasil simulasi dengan kecepatan 0.01 m/s pada pukul 17.00
25
LOGO
www.themegallery.com
www.themegallery.com
27
Kontur Tekanan
28
Kontur Kecepatan
29