168

ANALISIS TEMPERATUR DAN ENTALPI PELEBURAN MATERIAL PENYIMPAN PANAS MENGGUNAKAN METODE T-HISTORY

Ully Muzakir1*

, Hamdani2 dan Ahmad Syuhada

3

1 STKIP Bina Bangsa Getsempena Banda Aceh, Gedung Cut Meutia,

Jl. Tgk. Chik Di Tiro, Peuniti Banda Aceh 2,3

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala, Jln. Syech Abdurrauf No. 7 Darussalam Banda Aceh 23111

* Email: ully.muzakir@gmail.com

Abstrak

Hal yang menjadi pertimbangan dalam memilih sistem penyimpanan energi panas adalah pada kapasistas penyimpanan energi dan temperatur penyimpanan. Besar atau kecilnya suatu material menyerap atau melepas energi panas yang dapat ditentukan dengan mencari nilai panas spesifik (Cp) dan panas laten peleburan (HL). Metode yang tersedia untuk menentukan panas laten peleburan (H), panas spesifik (Cp), titik lebur (Tm) dan konduktivitas termal (k) metode kalorimetri konvensional, Differential Thermal Analysis (DTA) dan metode Differential Scanning Calorimetry (DSC). Pengukuran sifat fisik material berubah fas menggunakan DTA dan DSC memiliki kekurangan karena berat sampel yang digunakan sangat kecil (1-10 mg) sehingga sifat termofisik pada sampel biasanya berbeda pada saat material digunakan dalam jumlah besar. Pada penelitian ini digunakan metode T-history untuk menetukan sifat termofisik material penyimpan panas. Dari hasil pengujian diperoleh adanya perbedaan yang kecocokan dengan hasil pengujian DSC. Dari hasil penelitian disimpulkan metode T-History dapat digunakan untuk memilih material penyimpan panas.

Kata Kunci: T-Histury, Material penyimpan panas, berubah fasa, parafin

Pendahuluan

Pemanfaatan potensi energi matahari hanya dapat dilakukan pada waktu tertentu saja dimana energi matahari hanya dapat digunakan disaat cerahnya matahari. Biasanya energi matahari digunakan secara langsung pada saat matahari cerah seperti pada pemanas air, pemanas udara dan pengering. Hal ini mengakibatkan banyak energi matahari yang tidak terpakai pada waktu matahari cerah, maka hal ini merupakan suatu kerugian dimana energi matahari yang tersedia tidak digunakan secara efektif. Masalah penggunaan energi pada waktu yang lain adalah perlunya penyimpanan energi tersebut sebelum digunakan. Dengan demikian diperlukan suatu sistem penyimpan energi termal yang meliputi teknik, material dan hal-hal lain yang berhubungan dengan proses penyimpanan energi. Para peneliti sampai dengan saat ini masih terus mengembangkan bahan atau material sebagai media penyimpan panas yang mampu meningkatkan efisiensi energi, ekonomis dan ramah lingkungan. Penyimpanan energi panas laten masih memiliki banyak permasalahan tentang bahan yang digunakan untuk melakukan proses penyimpanan energi seperti biaya yang tinggi, konduktivitas termal dan

169

stabilitas yang rendah pada sifat-sifat termofisik suatu material setelah mengalami proses siklus yang berulang. [1] Phase Change Materials (PCM) sebagai material penyimpan panas laten telah digunakan dan terus dikembangkan untuk menstabilkan sifat-sifat termofisik tenpa mengalami penurunan sifat penyimpan panas. Untuk beberapa hal, pemilihan atau penyusunan bahan PCM yang sesuai untuk sistem penyimpanan panas laten adalah yang paling sulit namun merupakan hal yang paling penting. Dalam proses mengembangkan PCM yang baik dan unggul, penentuan panas spesifik (Cp), panas laten (H) dan konduktivitas termal (k) dari PCM adalah sangat penting agar dapat menilai kinerjanya. Namun dalam penentuan nilai dari sifat-sifat termofisik ini masih adanya kelemahan-kelemahan yang signifikan dari berbagai metode yang telah dikembangkan oleh para peneliti selama ini. Metode yang tersedia untuk menentukan panas laten peleburan (H), panas spesifik (Cp), titik lebur (Tm) dan konduktivitas termal (k) di bidang penyimpanan panas laten dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu metode kalorimetri konvensional, Differential Thermal Analysis (DTA) dan metode Differential Scanning Calorimetry (DSC). Meskipun metode DTA dan DSC telah dikembangkan dengan baik, namun kekurangannya yang jelas adalah pada sampel pengujiannya yang sangat kecil (1-10 mg) sehingga sifat termofisik pada sampel biasanya berbeda dengan material dalam jumlah besar [2]. Sampel yang sangat kecil pada pengujian ini tidak bisa mewakili nilai termofisik suatu PCM yang akan digunakan dalam jumlah besar sebagai material penyimpan panas. Sebagai metode lain untuk menentukan sifat termofisik dari PCM, Zhang Yinping dan Jiang Yi telah mengusulkan metode T-History [2] untuk dapat mengatasi keterbatasan dari DSC di atas. Karena metode ini menggunakan sampel yang tidak sedikit, sangat sesuai ketika melakukan pengujian secara berulang (siklus) yang dilakukan dengan tabung tertutup yang berisi PCM baru yang akan dikembangkan.

Metode T-History. Zhang Yinping et al [2] merupakan kelompok peneliti pertama yang melakukan dan mempublikasikan pada tahun 1999 sebuah metode sederhana untuk menentukan titik lebur, panas peleburan, panas spesifik dan konduktivitas termal dari Phase Change Materials (PCM) dengan sebutan Metode T-History dimana beliau membandingkan Metode T-History dengan 3 (tiga) metode sebelumnya yaitu metode kalorimetri konvensional, differential thermal analysis (DTA) dan metode differential scanning calorimetry (DSC). Hasil pengujian dan perhitungan memberikan hasil pendekatan yang cukup baik serta menunjukkan perbedaan dan kelebihan yang dimiliki oleh Metode T-History diantaranya menggunakan sampel yang tidak sedikit, pengambilan data atau pengukuran bisa dilakukan secara bersamaan dengan jumlah sampel lebih dari satu jenis dan pengujiannya dapat dilakukan secara berulang terus menerus terhadap sampel pengujian.

Jika tabung yang berisi cairan PCM memiliki temperatur yang seragam dan sama dengan T0 (T0 > Tm , Tm adalah temperatur peleburan pada PCM), selanjutnya diletakkan pada temperatur lingkungan T,a (tergantung dengan waktu) sehingga akan membentuk kurva temperatur terhadap waktu pada PCM yang disebut dengan kurva T-History seperti yang terlihat pada gambar 1, dimana Tm = (Tm Ts) adalah derajat pendinginan cepat. [2]

170

Gambar 1. Grafik luas area kurva perubahan temperatur material berubah fasa

Dengan menerapkan bahwa analisis dilakukan pada material tergumpal dengan Biot Number < 0,1 , maka distribusi temperatur pada sampel dapat dianggap seragam dan metode penyamaan kapasitansi dapat digunakan. Maka dapat ditulis :

Dimana mp dan mt adalah massa PCM dan massa tube, kemudian masing-masing Cp,l dan Cp,t adalah panas spesifik pada PCM cair dan panas spesifik pada tube, Ac adalah luas area perpindahan panas konveksi pada tube.

( )

Didapat :

Dimana : Hm adalah panas peleburan pada PCM dan

( )

t1 t2 adalah waktu selama proses perubahan fase terjadi dan

dimana : Cp,s adalah panas spesifik PCM pada saat padat,

( )

Dan Tr adalah temperatur referensi.

171

Jika tube (tabung) berisi air murni tiba-tiba dibuka seperti yang disebutkan di atas, kurva pendinginan dapat dilihat pada gambar 2. Menimbang Bi < 0,1 ; Diperoleh :

Dimana mw dan Cp,w adalah massa dan panas spesifik dari air.

( )

Dan

( )

Bahkan dengan menggunakan persamaan (4) dengan koefisien perpindahan panas konveksi alami dari udara luar tube (tabung) (h) dapat diperoleh. h ini sekitar 5 6 W/m2.oK, sehingga kondisi sekitar Bi 0,1 dapat dipenuhi ketika ks > 0,2 W/m.

oK (ks pada garam hidrat semua lebih besar dari 0,3 W/m.oK). Dari persamaan (1) s/d (5) diperoleh [2] :

Untuk PCM tanpa pendinginan cepat (lihat gambar 3, di mana kisaran temperatur dari proses perubahan fase adalah antara Tm,1 dan Tm,2), perhitungan untuk cp,l dan cp,s sama dengan menggunakan persamaan di atas, tetapi panas peleburan harus ditulis ulang persamaannya sebagai berikut [2] :

( )

( )

Metode Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Rekayasa Thermal dan Fluida Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala, baik setting alat, pengambilan data maupun pengolahan data.

172

Sedangkan waktu penelitian ini, dimulai dari penulisan thesis, seminar usulan, pengambilan data, pengolahan data serta sampai sidang akhir menghabiskan waktu sekitar 6 (enam) bulan terhitung sejak dari persetujuan yang diberikan oleh komisi pembimbing.

Pada penelitian ini bahan yang digunakan untuk dilakukan pengukuran sifat-sifat termofisiknya adalah beberapa PCM yang memungkinkan untuk digunakan sebagai material penyimpan panas laten : Parafin, Sarang Lebah dan Lemak sapi

Pada pelaksanaan penelitian ini diperlukan beberapa peralatan yaitu : Data Loger Agilent 34970A, Thermocouple,Thermometer, Tabung kaca (tube) Pyrex glass dan Timbangan digital

Rangkaian eksperimental berdasarkan pada prinsip pemasangan seperti terlihat pada gambar 2. Dalam uji coba 3 (tiga) sampel dan air yang terisi di dalam 4 (empat) tabung kaca (tube) berdiameter 16 mm dan panjang 160 mm. Sebuah termokopel dengan panjang 108 mm dan berdiameter 0,7 mm ditempatkan di sepanjang masing-masing sumbu tabung (tube). Pengambilan data dilakukan dengan sistem PC berbasis data logger.

Gambar 2. Diagram skema pemasangan alat ekperimental

Keuntungan dari sistem semacam ini eksperimental adalah sebagai berikut : 1. Menggunakan tabung (tube) kaca sebagai wadah sampel PCM membuat

proses pengukuran menjadi mudan dan proses perubahan fase dari setiap sampel PCM dapat diamati dengan jelas.

2. Mampu mengukur beberapa sampel secara bersamaan selama percobaan (jumlah sampel yang diukur dalam pengujian tergantung pada jumlah saluran/channel dari data logger).

Pengujian ini dilakukan dengan pendinginan secara alami dengan menggunakan media pendingin udara dan temperatur lingkungan antara 26 32 oC. pengukuran temperatur PCM, air dan udara dilakukan pada saat proses pendinginan sehingga diperoleh data temperatur terhadap waktu dengan interval waktu 5 detik setiap pengambilan datanya.

Pelaksanaan penelitian dimulai dari penelusuran literatur dan penyusunan proposal penelitian, setting alat pengujian, pemanasan air dan PCM hingga temperatur 85 oC, pendinginan air dan PCM dengan udara secara alamiah. Pada proses pendinginan dilakukan pengukuran temperatur dengan interval waktu 5 detik setiap pengambilan data oleh data logger. Semua data hasil pengukuran akan diolah dengan komputasi yang selanjutnya diperoleh kesimpulan yang berupa jawaban dari tujuan penelitian.

173

Hasil dan Pembahasan

Data-data yang diperoleh dari pengukuran temperatur PCM terhadap waktu, temperatur air dan udara terhadap waktu dianalisa dengan menggunakan persamaan yang diberikan dalam bab-bab sebelumnya. Hasil pengukuran dan analisa data dibahas dalam bentuk grafik. Pengukuran temperatur PCM, air dan udara terhadap waktu dapat dilihat paga gambar berikut ini.

Gambar 3.Grafik temperatur terhadap waktu pada pengukuran pada pengujian

parafin

Dari gambar 3. dapat kita lihat bahwa pada pengukuran temperatur parafin, air dan udara terhadap waktu kita bisa mengamati dan menentukan temperatur melting (lebur) yang ditunjukkan pada t1 dan t2 dimana posisi grafik antara t1 dan t2 tersebut merupakan proses peleburan dan proses pembekuan tersebut terjadi dan pada posisi tersebut dapat kita sebutkan proses penyimpanan dan pelepasan panas laten terjadi.

Untuk menentukan melting (titik lebur) itu dimulai dari terjadi perubahan sampai dengan akhir terjadinya perubahan pada grafik itu. Kita berani menyatakan bahwa t1 adalah melting karena pada saat itu material tersebut akan membuang panas dengan kondisi pembuangan panas latennya dan itu terlihat dari perubahan temperaturnya yang sedikit sekali, sedangkan pada saat t2 perubahan temperaturnya cepat sekali dan itulah yang ditandai bahwa ini sudah ada proses perubahan fasa terjadi.

Dari gambar 4. memperhatikan bahwa sarang lebah juga memiliki sifat penyimpan panas laten yang diperlihatkan dari grafik temperatur terhadap waktu. Pada gambar juga memperlihatkan bahwa proses peyimpanan dan pelepasan panas laten terjadi antara t1 dan t2 sehingga sarang lebah juga merupakan salah satu PCM.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1000 2000 3000 4000 5000

Tem

pe

ratu

r (C

)

Waktu (detik)

Parafin

Air

Udara

t1

t2

T ref

t3

174

Gambar 4. Grafik temperatur terhadap waktu pada pengukuran pada Sarang Lebah

Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah untuk menginventarisasi beberapa PCM baru yang memiliki sifat penyimpan panas laten yang baik. Berdasarkan hasil perhitungan dengan metode T-History dari data pengukuran kemudian juga akan dibandingkan dengan hasil pengukuran dengan DSC. Adapun hasil perhitungannya adalah :

No PCM T - History

Cp,s (KJ/kg.K)

Cp,l (KJ/kg.K)

Hm (KJ/kg)

1 Parafin 1,68 3,57 288,61 2 Sarang Lebah 0,03 3,45 307,15 3 Lemak Sapi 1,51 3,18 91,52

Kesimpulan

Berdasarkan hasil pelaksanaan penelitian ini dapat disimpulkan bahwa analsisi sisfat-sifat termfisik material penyimpan kalor dapat dilakukan menggunakan metode T-history. Hal ini terlihat dari hasil pengujian yang menunjukkan adanya kecocokan dengan hasil pengujian DSC.

Referensi

[1] [Mohamed Rani Hamdi Ahmed Abdel Salam, 2011, Simulation and Optimization of Solar Thermal System Integrated with PCM Thermal Energy Storage for Seawater Desalination, A Thesis Submitted to the Faculty of Engineering, Kassel University, Kassel, Germany

[2] Zhang Yinping and Jiang Yi, 1999, A simple method, the T-history method, of determining the heat of fusion, specific heat and thermal conductivity of phase-change materials, publikasi jurnal : http://iopscience.iop.org/0957-0233/10/3/015.

[3] Sharma Atul, Tyagi V.V., Chen C.R., and Buddhi D., 2009 , Review on Thermal Energy Storage with Phase Change Materials and Applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13, pp. 318345

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1000 2000 3000

Air

Udara

Sarang Lebah

t1

t2

t-ref

t3

Tm1