Simulasi Numerik Proses Pelelehan Paraffin Wax Pada Unit Penyimpan Energi Termal Tipe Pipa Ganda Konsentrik

Abstract

ABSTRAKPhase change material (PCM) dikenal memiliki densitas energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan material penyimpan kalor sensibel. Oleh karena itu, PCM menarik diaplikasikan pada pemanas air tenaga surya (PATS) yang umumnya menggunakan air sebagai penyimpan energi termal. Penelitian terakhir untuk sistem PATS thermosyphon belum dapat mengidentifikasi perilaku termal PCM pada arah radial dan aksial. Selain itu, tidak diketahui temperatur PCM saat terjadi pelelehan karena sumber kalornya berfluktuasi. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki perilaku termal proses pelelehan paraffin wax secara numerik di dalam pipa ganda konsentrik dengan sumber kalor yang konstan. Simulasi numerik dilakukan pada penyimpanan energi termal berbentuk pipa ganda konsentrik. Paraffin wax dimasukkan pada pipa bagian dalam sedangkan air sebagai heat transfer fluid (HTF) dialirkan di bagian annulus. Termokopel dipasang di beberapa tempat baik sisi HTF maupun sisi PCM. Software yang dipakai adalah ANSYS FLUENT 17. Proses simulasi dilakukan dengan membuat meshing, menginput persamaan dan kondisi batasnya, setting penghitungan jumlah iterasi serta batas konvergensi dan dilanjutkan dengan pengambilan data temperatur selama proses charging. Simulasi menggunakan variasi temperatur HTF input dan laju aliran massanya. Hasil simulasi menunjukkan bahwa proses pelelehan PCM tidak terjadi secara isotermal. Transfer kalor ke PCM saat awal charging terjadi secara konduksi dan berlangsung cepat yang diakibatkan oleh besarnya gradien temperatur di arah radial pada fasa padat. Pembentukan fraksi cairan di sepanjang sisi luar PCM terjadi sejak awal proses charging. Bilangan Stefan mempunyai pengaruh yang besar terhadap proses pelelehan PCM.Kata kunci: PCM, PATS, paraffin wax, proses charging, proses pelelehan 1.PENDAHULUAN Karakteristik khas aplikasi energi termal matahari adalah adanya ketidaksesuaian antara waktu pembangkitan energi dan pemakaiannya. Kondisi ini dapat diatasi dengan mengggunakan penyimpanan energi termal (thermal energy storage, TES) yang berfungsi untuk menjembatani ketidaksesuaian tersebut [1]. Penggunaan penyimpanan energi memberi keuntungan yang signifikan seperti: mengurangi konsumsi dan harga energi; melestarikan energi fosil; mengurangi initial cost; meningkatkan fleksibilitas operasional; dan mengurangi emisi polutan seperti CO 2 [2].Metode penyimpanan energi termal ada tiga jenis yaitu secara laten, sensibel dan termochemical [3]. Di antara ketiga metode tersebut, penyimpan kalor laten (latent heat storage, LHS) merupakan metode yang efektif untuk pengelolaan energi termal [4]. Material LHS adalah berupa phase change materials (PCM) yang memiliki keuntungan antara lain: densitas energinya besar; penyimpanan kalornya tinggi; beroperasi pada temperatur yang moderat [5]. Salah satu material LHS adalah paraffin wax yang mempunyai karakteristik seperti: harganya murah, densitas energinya cukup tinggi (~ 200 kJ/kg), dan konduktivitas termalnya rendah (~ 0,2 W/m.ºC) [6]; temperatur leleh beberapa produk paraffin wax bervar...