karakteristik aliran dan perpindahan panas campuran air dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-42

Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas Campuran Air dan MinyakNabati Untuk Aplikasi Sebagai Refigeran Sekunder

M. Irsyad1,2, a *, Yuli S. Indartono1b, Aryadi Suwono1c, Ari D. Pasek1d,M. Akbar Pradipta1e

1Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung2Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung

[email protected], [email protected], [email protected],[email protected], [email protected]

AbstrakSalah satu metode untuk menurunkan konsumsi enerrgi pada sistem pengondisian udara jenischiller adalah dengan menggunakan bahan berubah fasa (phase change material disngkat PCM).Beberapa PCM yang sudah diteliti seperti; trimethylolethane (TME), dan tetra-n-butylammoniumbromide (TBAB) chlatrate hydrate menunjukkan adanya penurunan konsumsi energi padakompresor chiller. Potensi untuk mendapatkan PCM baru yang murah dan tersedia di Indonesiamasih banyak, salah satunya adalah berasal dari minyak nabati. Hasil penelitian terdahulumenunjukkan minyak Nyamplung memiliki rentang temperatur perubahan fasa yang cocok dengantemperatur kerja evaporator yakni 5 – 12oC. Panas latennya cukup tinggi yakni; 184,5 kJ/kg. Dalamaplikasi sebagai refrigeran sekunder, bahan ini dicampurkan dalam air menjadi larutan sebagaiPCM slurry. Untuk mengetahui pengaruh campuran ini terhadap karakteristik aliran danperpindahan panas dilakukan pengujian. Perbedaan kerapatan, viskositas dan tegangan permukaanantara campuran ini dengan air mempengaruhi pressure drop dan koefisien gesek yang terjadi didalam pipa. Sedangkan konduktivitas termal, panas laten yang dimiliki partikel dari minyak nabati,dan interaksi yang terjadi dalam aliran mempengaruhi laju perpindahan panas. Karakteristik alirandan perpindahan panas yang terjadi, diuraikan pada pembahasan artikel ini.

Kata kunci : minyak Nyamplung, PCM, koefisien gesek, koefisien perpindahan panas

Pendahuluan

Salah satu metode untuk meminimalkanpenggunaan energi pada sistem pengondisianudara jenis chiller adalah penggunaan bahanberubah fasa pada refrigeran sekunder.Beberapa penelitian menunjukan penggunaanbahan beruba fasa dapat menurunkankonsumsi energi chiller seperti;Trimethyloethane (TME) [1], dan tribhutilamonium bromide chatrate hydrate slurry(TBAB CHS) [2].

Berapa bahan dari minyak nabati dapatdijadikan kandidat bahan berbua fasa untukaplikasi pada refrigeran sekunder seperti;minyak biji Nyampling, minyak biji Karet [3],

campuran minyak biji Jarak dan biodisesl,serta campuran minyak Kelapa sawit danbiodisel [4]. Bahan-bahan ini memenuhikriteria sebagai PCM untuk aplikasi padarefrigeran sekunder diantaranya adalah,temperatur perubahan fasa berada padatemperatur 5 – 12oC, dan memiliki panaslaten yang tinggi [5]. Minyak biji-bijian inimemiliki potensi untuk dikembangkanberdasarkan produksi minyak yangdihasilkan, seperti diperlihatkan pada Tabel1.Tabel 1. Potensi minyak non pangansebagai kandidat PCM untuk refrigeransekunder

TanamanProduksi Biji

[ton/(ha.tahun]Kandungan minyak

dalam biji [%]Produksi minyak

[kg/(ha.tahun]Nyamplung (Calophyllum inophyllum) 16[6] 40 - 73 [7] 4680[7]

Jarak pagar (Jatropha curcas) 0.1 - 15[7] 37 - 45[8] 1900 - 2500[7]


KE-42

Karet (Hevea braziliensis) 0.15[9] 40 - 50[10] 40 - 50[10]

Dalam mengaplikasikan pada refrigeransekunder, campuran PCM dan air padatemperatur perubahaan fasanya membentukaliran sluri, sehingga perlu dipertimbangkankarakteristik perpindahan panas dan pengaruhaliran terhadap penurunan tekanan (pressuredrop). Dari beberapa hasil penelitianmenunjukkan penggunaan PCM padarefrigeran sekunder dapat meningkatkankoefisien perpindahan panas, seperti yangdilakukan Indartono dkk tahun 2010 [4], danSuzuki dkk, tahun 2013 [11]. Aliran sluriakibat penambahan PCM ini memberkanpengaruh terhadap pressure drop pada pipa.Penambahan PCM daru garam hidratmeningkatkan pressure drop sepertipenggunaan TBAB CHS [12].

Metodologi

Penelitian ini merupakan kajianeksperimental yang bertujuan untukmengetahui karakteristik aliran danperpindahan panas. Bahan yang diteliti adalahminyak Nyamplung yang dicampur ke dalamair sebanyak 20%. Untuk melarutkan minyak

dalam air ditambahkan surfaktan Texaponsebanyak 500 ppm. Minyak Nyamplung, airdan hasil pencampurannya diperlihatkan padaGambar 1. Minyak ini memiliki temperaturperubahan fasa dari 5,26 sampai 12,77oC, dannilai panas latennya adalah 184,5 kJ/kg [3].Sedangkan kerapatan dan viskositasnyasebagi berikut; 896 kg/m3 dan 71,98 cSt [10].

Pengujian dilakukan pada alat uji denganskema alat uji diperlihatkan pada Gambar 2.Temperatur fluida masuk dan keluar baikuntuk fluida dingin maupun fluida panasdiukur dengan menggunakan sensortermokopel jenis K serta dibaca dan disimpanmenggunakan datalogger temperatur Omegadengn tipe OM-DAQ-USB-2401. Penurunantekanan diukur dengan menggunakanmanometer air raksa. Pengujian dilakukandengan memvariasikan debit aliran fluidadingin. Sedangkan debit aliran fluida panasdipertahankan pada debit 200Gph.Temperatur fluida dingin dan panas pada saatmemulai pengujian masing-masing adalah4oC dan 40oC.

Gambar 1. Minyak Nyamplung dan hsil pencampurannya

Gambar 2. Skema alat uji karakteristik aliran dan perpindahan panas

Alat Penukarexchanger

Heater

Cooler

Data loggertemperatur

Tc in

Th in

Tc out

Th out

h

P2P

1


KE-42

Hasil dan Pembahasan

Analisis hasil penelitian dibagi atas duabagian yakni; karakteristik aliran dankarakteristik perpindahan panas.

Karakteristik aliran

Penambahan minyak Nyamplung pada airsebagai refrigeran sekunder mempengaruhidensitas dan viskositas refrigeran sekunder.Selain itu juga pada saat temperatur fluidaberkisar antara 4 – 12oC aliran menjadi duafasa yakni padat cair. Beberapa fakor inimempengaruhi penurunan tekanan yangterjadi pada pipa. Faktor gesek merupakansalah satu faktor yang mempengaruhipenrunan tekanan dapat dihitungmenggunakan persaman Darcy Weisbach,seperti diperlihatkan oleh Persamaan 1.Karena campuran minyak Nyamplung dan airini pada saat pengujian membentuk aliran duafasa padat cair atau sluri maka dapatdibandingkan dengan persamaan Thomasyang berlaku untuk fluida non Newtonian,seperti diperlihatkan oleh Persamaan 2.

…..……………(1)

.........................(2)

Gambar 3. Penurunan tekanan pada pipafungsi dari laju aliran massa

Penambahan minyak Nyamplung pada airmengakibatkan penurunan tekanan yang padapipa menjadi meningkat, seperti diperlihatkan

pada Gambar 3. Partikel padat yangmembentuk aliran sluri merupakan salah satupenyebab peningkatan ini. Peningkatankonsentrasi massa padat memperbesarpenurunan tekanan [13].

Gambar 4. Faktor gesek fungsi laju aliranmassa

Nilai faktor gesek meningkat denganpenggunaan campuran air dan minyak nabatiini. Perhitungan faktor gesek menggunakanpersaman Darcy Weisbach, yang merupakanfungsi kecepatan dan geometri pipa. MenurutMatousek (2002) gesekan yang terjadi padaaliran sluri disebabkan oleh gesekan mekanikakibat interaksi partikel padat dengan dindingpipa dan gesekan vikous akbat nilai viskositasfluida yang mengalir [14].

Karakteristik perpindahan panas

Karakteristik perpindahan panas yangterjadi pada alat penukar kalor jenis doublepipe counter flow dapat dihitung daripersamaan-persamaan berikut ini. Koefisienperpindahan panas total dapat dihitung daripersamaan laju perpindahan panas sepertidiperlihatkan oleh Persamaan 3. Koefisienperpindahan panas total juga dapat dihitungmenggunakan Persamaan 4. Pada persamaanini faktor fouling diabaikan. Perbedaantemperatur pada persamaan 3 dihitungmenggunakan Persamaan 5. Kendala dalammenghitung laju perpindahan panas pada sluridisebabkan oleh sulitnya mengukur


KE-42

konsentrasi massa padat yang terbentuk.Untuk memudahkan perhitungan pada alatpenukar kalor diasumsikan energi yangdilepaskan fluida panas sama dengan energiyang diterima oleh fluida dingin dan dapatdihitung menggunakan persamaan 6.

.........................................(3)

...(4)

......................(5)

.....................................(6)

Untuk membandingkan perpindahan panasantara air an campuran air dan minyak nabatiini, digunakan laju perpidahan panas padafluida panas. Dalam penelitian ini adakesulitan untuk membandingkan langsungperpindahan panas pada fluida dingin karenakonsentrasi massa padat campuran air danminyak nabati sulit diukur pada saatpengujian, sedangkan fluida panas sama-samamenggunakan air sehingga dapatdibandingkan. Dengan asumsi tidak adaenergi yang keluar sistem, sehingga kaloryang dilepaskan fluida panas sama dengankalor yang diterima fluida dingin, danperpindahan panas dapat dihitungmenggunakan persaman 6.

Gambar 5. Perpindahan panas pada fluidapanas

Laju perpindahan panas dari fluida panasmeningkat dengan menggunakan campuranair dan minyak nabati ini, sepertidiperlihatkan pada Gambar 5. Peningkatan inidisebabkan oleh interaksi sesama patikelpadat, partikel dengan fluida pembawa, sertadinding. Selain itu juga interaksi fluida cairdengan dinding. Peningkatan laju aliranmassa mengakibatkan turbulensi aliranbertambah sehingga interaksi tadi menjadimeningkat. Hal ini mengakibatkan lajuperpindahan panas menjadi meningkat.Persentase peningkatan laju perpindahanpanas campuran air dan minyak Nyamplungini dibandingan air juga turut meningkat.

Gambar 6.Koefisien perpindahan panas totalfungsi laju aliran massa.

Koefisien perpindahan panas total (U)menunjukkan karakteristik perpindahan panaspada alat penukr kalor ini secara keseluruhan.Gambar 6 menunjukkan penggunaancampuran air dan minyak Nyamplung dapatmeningkatkan koefisien perpindahan panastotal. Peningkatan laju aliran massa padaperalatan yang sama mengakibatkan kontakpada titik tertentu lebih cepat, sehingga nilaikoefisen perpindahan panas total berkurang.Meskipun terjadi penurunan nilai koefiseinperpindahan panas total dengan bertambahnyalaju aliran massa, laju perpindahan panastetap meningkat, karena laju aliran massa jugaberbanding lurus dengan laju perpindahanpanas.

Pengembangan penggunaan campuran airdan minyak nabati ini, perlu memperhatikankestabilan homogenitas campuran. Hal ini


KE-42

disebabkan pada saat campuran ini didiamkandalam waktu yang lama, terjadi pemisahanantara air dan minyak, dan apabila diadukkembali maka akan tercampur kembali,namun pabila kondisi diam saat temperaturperubahan fasa, akan terjadi penggumpalanminyak nabati. Selain itu juga perludiperhatikan juga pelapisan pada permukaanpipa, yang juga akan mengurangi lajuperpindahan panas pada alat penukar kalor.Namun hal ini sangat bagus untuk pipapenghubung karena dapat mengurangiperpidahan panas ke luar pipa.

Kesimpulan

Penggunaan minyak nabati dari Nyamplungpada refrigeran sekunder mempengaruhikarakteristik aliran dan perpindahan panas.Penurunan tekanan pada pipa meningkatdengan penggunaan campuran air dan minyakNyamplung. Sedangkan laju perpindahanpanas meningkat dengan menggunakancampuran ini

Ucapan Terima KasihUcapan terima kasih pada Kementerian RisetTeknologi dan Pendidikan Tinggi yang telahmendukung pendanaan penelitian ini padaskim Riset Unggulan Perguruan Tinggi tahun2015

Referensi

[1] Y.S. Indartono, N.T. Setioputro, N.PTandian, A.D. Pasek, A. Suwono,Devlopment of Energy Saving AirConditioning Sistem by Subsituting Primaryand Secondary Refrigerants, Proceeding ofInternational Conference on Cooling andHeating Technologies, Jinhae, Korea, 28-31October 2008.[2] O. Hidemasa, T. Shingo, Air-ConditioningSistem Using Clathrate Hydrate Slurry, JFETechnical Report, 2004, No. 3[3] M. Irsyad, Y.S. Indartono, A. Suwono,A.D. Pasek, Thermal characteristics of non-edible oils as phase change materialscandidate to application of air conditioningchilled water system, IOP Conf. Series:

Materials Science and Engineering 88 (2015)012051[4] Y.S. Indartono, A. Suwono, Ari D. Pasek,D. Mujahidin, I. rizal, Thermal characteristicsevaluation of vegetables oil to be used asphase change material in air conditioningsystem, Jurnal Teknik Mesin Vol. 12, No. 2.Oktober 2010, 119-124[5] G. Li, Y. Hwang, R. Radermacher,Review of cold storage materials for airconditioning application, International Journalof Refrigeration, xxx(2012) I-25[6] MI. Jahirul, J.R. Brown, W. Senadeera, N.Ashwath, C. Laing, J.L. Taylor and M.G.Rasul, Optimisation of Bio-Oil ExtractionProcess from Beauty Leaf (CalophyllumInophyllum) Oil Seed as a Second GenerationBiodiesel Source, Procedia Engineering 56(2013) 619 – 624[7] A. Kumar and S.Sharma, Potential non-edible oil resources as biodiesel feedstock:An Indian perspective, Renewable andSustainable Energy Reviews 15 (2011) 1791–1800

[8] Y. Zhu, J. Xu, Q. Li, and P.E. Mortimer,Investigation of rubber seed yield inXishuangbanna and estimation of rubberseed oil based biodiesel potential inSoutheast Asia Energy 69 (2014) 837-842

[9] C.H. Tan, H.M. Ghazali, A. Kuntom, C.P.Tan, and A.A. Ariffin, Extraction andphysicochemical properties of low free fattyacid crude palm oil, Food Chemistry 113(2009) 645–650[10] J. Rodrigues, I. Miranda, J. Gominho, M.Vasconcelos, G. Barradas, H. Pereira, F.B.Aguuiar and F.S. Dias, Variability in oilcontent and composition and storagestability of seeds from Jatropha curcas L.grown in Mozambique, Industrial Crops andProducts 50 (2013) 828– 837

[11] Suzuki H., Konaka T., Komoda Y.,Ishigami T., 2013, Flow and heat transfercharacteristics of ammonium alum hydrate


KE-42

slurries, International Journal of Refrigeration36 (2013) 81-87[12] Z.W. Maa, P. Zhang, Wang , S. Furui,G.N. Xi, Forced flow and convective meltingheat transfer of clathrate hydrate slurry intubes, International Journal of Heat and MassTransfer, 53 (2010) 3745–3757[13] W. Wang, S. Fan, D. Liang, Y. Li,Experimental study on flow characteristics oftetrahydrofuran hydrate slurry in pipelines,Journal of Natural Gas Chemistry 19 (2010)318-322

[14] V. Matousek, Pressure drops and flowpatterns in sand-mixture pipes, Exp. Therm.Fluid Sci. 26 (2002) 693–702.

karakteristik aliran dan perpindahan panas campuran air dan

Documents