JTERA (Jurnal Teknologi Rekayasa), Vol. 6, No. 1, Juni 2021, Hal. 163-174 Terakreditasi “ Peringkat 3” oleh Kemenristek/BRIN, Nomor SK: 85/M/KPT/2020 DOI: 10.31544/jtera.v6.i1.2021.163-174
Diterima: 29 April 2021; Direvisi: 8 Juni 2021; Disetujui: 23 Juni 2021 JTERA, Vol. 6, No. 1, Juni 2021

## Rancang Bangun Bed Storage untuk Thermal Energy Storage Berbasis Parafin dan Serbuk Besi
Agri Suwandi 1# , Zulfikar Sjarief 2 , Dwi Rahmalina 2 , Reza Abdu Rahman 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila, Indonesia
2 Program Studi Magister Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Indonesia
# agrisuwandi@univpancasila.ac.id

## Abstrak
Thermal Energy Storage (TES) dimanfaatkan sebagai  media penyimpanan panas untuk sistem concentrated solar power , solar  heater ,  dan thermal  management  system pada  kendaraan  ringan.  Tantangan  dari  aplikasi  TES  adalah desain dari bed  storage yang digunakan  harus  memenuhi  fungsi dasar  yakni proses perpindahan panas saat charging dan discharging serta mampu menyimpan panas dengan kerugian panas yang sedikit. Pada penelitian ini, bed storage untuk  TES  didesain guna  memenuhi  fungsi  sebagai  media penyimpanan panas untuk aplikasi  suhu rendah  yakni 50- 100°C.  Material  penyimpanan  yang  digunakan  adalah  campuran  parafin  dan  serbuk  besi  dengan  rasio  massa  90:10. Penentuan fungsi menggunakan metode desain Pahl dan Beitz memberikan opsi penggunaan coil tube dengan material tembaga  sebagai  media  perpindahan  panas  dan bed  storage dengan  bahan  polimer  termoplastik polyacetal .  Hasil pengujian  prototipe bed  storage proses charging menunjukkan  efisiensi  perpindahan  panas  hingga  26,85%  dengan koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh  21,422  W/m 2 .°C.  Proses discharging menunjukkan  performa  yang  efektif dengan karakteristik perpindahan panas optimal berdasarkan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Pada penggunaan bahan polyacetal dan  nilai  konduktivitas  termal  rendah  yakni  0,231  W/m.K  menyebabkan  laju  kerugian  panas  yang sangat lambat hanya 2,924 W. Prototipe yang dibuat mampu memaksimalkan proses perpindahan panas di sisi material bed storage untuk fungsi charging dan discharging dan mampu menekan laju kerugian panas pada fungsi storing .
Kata kunci: Thermal Energy Storage (TES), bed storage , desain Pahl dan Beitz, polyacetal , coil tube

## Abstract
Thermal  Energy  Storage  (TES)  is  used  as  a  heat  storage  medium  for  concentrated  solar  power  systems,  solar heaters and thermal management systems in light vehicles. The challenge with the TES application is that the design of the bed storage used must fulfill the basic function, namely the heat  transfer process when charging and discharging and  being  able  to  store  heat  with  minimal  heat  loss.  In  this  research,  bed  storage  for  TES  is  designed  to  fulfill  its function as a heat storage medium for low temperature applications, namely 50–100°C. The storage material used is a mixture of paraffin  and iron powder  with a mass ratio of 90:10. Determination of function using  the Pahl  and Beitz design method, provides the option of using a coil tube with copper material as a heat transfer medium and bed storage with a polyacetal thermoplastic polymer material. The test results of the prototype bed storage charging process show a heat transfer efficiency of up to 26.85% with an overall heat transfer coefficient of 21.422 W/m 2 .°C. The discharging process shows effective performance, optimal heat transfer characteristics based on the high heat transfer coefficient. The use of polyacetal material and the low thermal conductivity value of 0.231 W/mK causes a very slow heat loss rate of  only  2.924  W.  The  prototype  made  is  able  to  maximize  the  heat  transfer  process  on  the  side  of  the  bed  storage material for charging and discharging functions and is able to reduce the rate of heat loss in storing function.
Keywords: Thermal Energy Storage (TES), bed storage, Pahl and Beitz designs, polyacetal, coil tube

## I. P ENDAHULUAN
Sistem  penyimpanan  energi  memberikan  opsi yang luas untuk dikembangkan sebagai inovasi dan pengembangan  teknologi  pada  aplikasi  energi  baru
terbarukan.  Sistem  penyimpanan  energi  termal dapat  dikembangkan  pada  banyak  aplikasi  seperti solar heater , concentrated solar power , dan thermal management  system pada  kendaraan  ringan  [1]. Terdapat  tiga kategori material penyimpanan panas
berdasarkan  karakteristik  material  tersebut  yakni sensible , latent ,  dan thermochemical  heat [2]. Sistem  kombinasi  antara sensible dan latent  heat ( hybrid  storage )  terbukti  memiliki  peluang pengembangan  terbaik  untuk  aplikasi  suhu  rendah (50-120 o C)  [3]. Tantangan  terbesar  untuk  sistem penyimpanan  panas hybrid  storage adalah  desain bed  storage yang  digunakan  [4].  Parameter  utama pengembangan desain bed storage dapat dilihat dari berbagai hal berikut [5]:
1. Cakupan temperatur kerja yang direncanakan;
2. Jenis  material  penyimpanan  panas  yang digunakan;
3. Karakteristik  dan  sifat  material  penyimpanan panas;
4. Banyaknya  rencana cycle penggunaan  material penyimpanan panas;
5. Karakteristik charging dan discharging  rate yang direncanakan;
6. Rencana instrumentasi dan desain perakitan;
7. Efektifitas biaya terhadap penggunaan.
Aplikasi  dari bed  storage untuk  temperatur rendah  (50-100 o C)  untuk  pemanas  pelumas kendaraan bertenaga bensin memungkinkan  limbah panas  mesin  disimpan  pada  suatu  wadah  ( thermal storage ) lalu digunakan kembali untuk memanaskan oli  saat idle  warming  up. Tantangannya  adalah optimasi  bentuk bed  storage dengan  karakteristik perpindahan  panas  yang  baik  dan  juga  minim kerugian panas.
Optimasi  desain bed  storage penting  untuk dilakukan  karena  dapat  memaksimalkan  fungsi penyimpanan  energi  panas.  Dong,  dkk.  [6] menyatakan  manajemen  termal  unit  penyimpanan panas  merupakan  masalah  penting  yang  harus dipecahkan  untuk  meminimalisir  kerugian  panas dan  memaksimalkan  proses  penyerapan  panas  di material storage baik  untuk  proses charging maupun discharging. He,  dkk.  [7]  fokus  terhadap perbaikan  desain bed  storage untuk  bentuk encapsulated  paraffin dan  mendukung  pernyataan bahwa  interaksi  perpindahan  panas  merupakan aspek  penting  pada bed  storage. Dari  aspek material, Chandra [8] membahas tentang peningkatan  kapasitas  penyimpanan  panas  melalui penggunaan  parafin  dengan  menambahkan  pasir. Kombinasi  material  penyimpanan  membuat  bentuk bed  storage yang  direncanakan  harus  disesuaikan dengan karakteristik material penyimpanan tersebut. Kabeel,  dkk.  [9]  memberikan  contoh  penyesuaian antara  material  penyimpanan  kombinasi  dengan desain bed  storage untuk  memaksimalkan  proses pertukaran  panas  saat charging dan discharging . Mostafavi,  dkk.  [10]  membuat  gambaran  dasar tentang  pengaruh  yang  signifikan  dari  desain bed storage dan jenis material yang digunakan sehingga
fungsi penyimpanan dapat dibuat lebih baik dengan minim  kerugian  dan  mampu  meningkatkan  rerata perpindahan panas untuk charging dan discharging . Banyak  variabel  desain  dari bed  storage untuk unit  penyimpanan  panas  menyebabkan  belum  ada acuan  baku  untuk bed  storage .  Proses  rancang bangun bed  storage pada  penelitian  ini  mengacu kepada parameter desain bed storage dan juga jenis material  penyimpanan  yang  digunakan.  Poin penting lainnya yaitu material storage yang dipakai adalah  parafin  dan  serbuk  besi,  tergolong  sebagai material baru untuk material penyimpanan termal.
Masalah utama proses rancang bangun dari  unit penyimpanan panas untuk Thermal Energy Storage (TES) berbasis parafin dan serbuk besi adalah solusi desain alternatif material bed storage untuk rencana aplikasi  pada  temperatur  rendah  yakni  50-100 o C dan  karakteristik  perpindahan  panas  prototipe bed storage saat  proses charging , storing ,  dan discharging. Pemilihan  sistem  penyimpanan  panas yang  optimal  dari Phase  Change  Material (PCM) dan  geometri bed  storage memainkan  peran penting.  Jenis  PCM  untuk  unit  penyimpanan  panas tertentu  didasarkan  pada  titik  lelehnya  sementara geometri sistem penyimpanan panas menggerakkan perpindahan panas [11].
Tujuan penelitian ini untuk menghasilkan  desain dan  prototipe bed  storage yang  dapat  digunakan sebagai  unit  penyimpanan  panas  menggunakan material storage campuran parafin dan serbuk besi. Tujuan  lainnya  untuk  mengoptimalkan  performa dari unit penyimpanan panas menggunakan material storage campuran  parafin  dan  serbuk  besi  pada sistem  energi  panas  guna  rencana  aplikasi  pada temperatur  rendah.  Hasil  penelitian  ini  adalah  unit penyimpanan  panas  yang  dapat  digunakan  pada sistem  aplikasi  panas  temperatur  rendah  dengan menggunakan  parafin  dan  serbuk  besi  sebagai upaya  penting  untuk  penghematan  energi  dan peningkatkan efektifitas dari sistem tersebut. Selain itu,  hasil  penelitian  dapat  dijadikan  sebagai benchmark untuk rancang bangun bed storage TES pada temperatur rendah.

## II. M ETODE P ENELITIAN
A. Metode Perancangan Desain
Jenis hybrid  storage  material umumnya digunakan untuk kombinasi dari sensible dan latent heat  material .  Performa  dari hybrid  storage material mampu meningkatkan titik penguapan dan leleh parafin untuk aplikasi pada cakupan 50-130 o C [3].  Pada  sistem  TES, bed  storage dapat didefinisikan  sebagai  tempat  terjadinya  pertukaran dan penyimpanan panas dari material penyimpanan panas. Kalor yang diterima kemudian disimpan dan
digunakan oleh sistem di luar unit bed storage [12] . Alat  Penukar  Kalor  (APK)  tipe regenerator cocok untuk diterapkan pada aplikasi sistem penyimpanan panas  karena  fungsi  dasar  dari  regenerator  adalah sistem  penyimpanan  panas  yang  “diam” [13]. Persamaan matematis APK tipe regenerator rentang suhu  operasi  ( T span )  seperti  persamaan  1  [14], berikut:
(1)
dimana T h adalah suhu masuk fluida, T c adalah suhu keluar fluida.
Metode desain Pahl dan Beitz seperti pada Tabel 1  cocok  untuk  digunakan  dalam  pengembangan sistem teknis yang belum memiliki desain sempurna namun  sudah  ada  beberapa  referensi  awal  terkait desain tersebut  [15], [16]. Tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Wadah  yang  digunakan  untuk  menangani material pengubah fase dioperasikan dalam  kondisi berbeda  dan  mengalami  suhu  variabel  yang menyebabkan cepatnya korosi pada material wadah jika  tidak  dipilih  dengan  benar  [11].  Perencanaan suatu  komponen  untuk  temperatur rendah didasarkan  atas  kekuatan  lelah  sedangkan  pada temperatur  lebih  tinggi  perlu  didasarkan  atas kekuatan melar, karena pengaruh waktu pembebanan  adalah  besar  [18]  seperti  ditunjukkan pada Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4.
Kualitas  desain  diukur  seberapa  baik  desain mencapai  semua  persyaratan  produk.  Kualitas desain  dapat  diukur  dengan  seberapa  baik  kinerja
produk dibandingkan dengan persyaratan produknya.  Sasaran  dari  setiap  program  pengujian dan  evaluasi  harus  untuk  mengidentifikasi  area untuk  perbaikan  desain,  yang  meningkatkan produktivitas dan keandalan dan mengurangi risiko teknis  [19].  Untuk  menguji  penyimpanan  panas, perlengkapan  uji  dirancang  dan  dibangun  serta diwujudkan  sesuai  dengan  spesifikasi  dari  standar EN  12977-3.  Hal  ini  memungkinkan  untuk melakukan  semua  tes  yang  ditentukan  untuk karakterisasi penuh dari bed storage [20] .
Survei  dilakukan  untuk  mengetahui  kebutuhan dari pengguna atau dalam hal ini masyarakat untuk memperkenalkan  sekaligus  mengadopsi  konsep kerja dari bed storage (Gambar 2). Hasil atau proses kuesioner  survei  Google  Formulir  adalah  daftar persyaratan.  Dengan  demikian,  dokumen  ini mewakili  spesifikasi  yang  dapat  digunakan  untuk menilai keberhasilan proyek desain [17].
Tabel 1. Model proses desain Pahl dan Beitz [17]
No. Tahapan dalam proses desain Metode yang tepat 1. Memperjelas tujuan Pohon tujuan 2. Menetapkan fungsi Analisis fungsi 3. Menetapkan persyaratan  Spesifikasi penampilan 4. Menentukan karakteristik Penerapan fungsi kualitas 5. Menghasilkan alternatif Bagan morfologi 6. Mengevaluasi alternatif Tujuan berbobot 7. Memperbaiki detail Rekayasa nilai Tabel 2. Kekuatan kelelahan plastik [18] Polimer Termoplastik
Kelelahan kg/mm 2 x 10 7 Kelelahan Perpanjangan α Kelelahan Lentur β
Nilon Polyacetal PTFE (Teflon) 1,20 2,74 1,12 0,22 0,37 0,50 0,24 0,25 0,40 Tabel 3. Kekuatan tarik, tekan dan lentur bahan polimer [18] Polimer Termoplastik Kekuatan tarik kgf/mm 2 Perpanjangan (%) Modulus elastik kgf/mm 2 x 10 3 Kekuatan tekan kgf/mm 2 Kekuatan lentur kgf/mm 2 Nilon 7,1-8,4 25-320 1,0-2,6 4,6-8,5 5,6-11,2 Polyacetal 6,1-7 15-40 2,4-2,8 12,6 8,4-9,8 PTFE (Teflon) 1,4-3,1 200-400 0,4 1,19 - Tabel 4. Karakteristik termal bahan plastik [18] Polimer Termoplastik Temperatur distorsi panas (°C) Nilon Polyacetal PTFE (Teflon) (-50) ~185 (-50) ~ 170
(-260) ~ 179
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Gambar 3. Objective tree desain bed storage
Tabel 5. Daftar kebutuhan (D) dan harapan (W)
Indikator Parameter Desain W Bentuk: silinder W Rakitan: mampu bongkar – pasang W Tekanan maksimal: 1 – 2 Bar D Panjang: 120 mm D Lebar: 70 mm D Diameter: 60 mm Gerak D Arah aliran: horizontal D Siklus: tertutup
D Laju aliran: tunak Energi D Masuk dan keluar: termal D Simpanan energi: termal W Efisiensi perpindahan: 20% - 30% D Kerugian termal: minim D Kerugian mekanik: minim Material D Wadah: Tahan panas sampai 170 o C D Wadah: konduktivitas termal rendah D Tubing: konduktivitas termal tinggi Standar Kualitas D Acuan material: ASTM D Acuan pengukuran: NIST
Objective  tree merupakan  pola  hubungan  yang menerangkan  kebutuhan  pelanggan  dan  kajian pustaka yang dilakukan (Gambar 3). Kebutuhan ini yang  menjadi  rujukan  dalam  mengembangkan spesifikasi detail dari desain bed storage. Mengacu  kepada  banyak  referensi  dan mempertimbangkan  daftar  kebutuhan  dan  harapan pada Tabel 5, maka desain yang dikembangkan dari unit bed  storage harus  mampu  memenuhi  fungsi keseluruhan  tersebut.  Rencana  desain  dari bed storage ada pada Gambar 4. Gambar  5  menunjukkan  fungsi  bagian inlet berperan  sebagai  saluran  masuk  untuk  fluida  kerja yang  digunakan,  material piping dan tubing system dijadikan  sebagai  material  yang  cocok  untuk digunakan  pada  bagian  ini. Head cover berfungsi sebagai  penutup  atas  bagian storage dan  untuk tempat kedudukan inlet tube .  Fungsi bottom cover
adalah sebagai penutup bawah bagian storage dan untuk  tempat  kedudukan outlet  tube .  Bodi storage merupakan  fungsi  terpenting  dari  unit bed  storage , sebagai  tempat  penyimpanan  material  kerja  yang digunakan  untuk  menyimpan  panas  yang  ditransfer dari  luar,  juga  harus  mampu  meminimalisir kerugian  panas  akibat  adanya  perbedaan  suhu dengan lingkungan sekitar. Coil tube yang berperan sebagai  media  tempat  fluida  kerja  bersirkulasi, memindahkan  panas  dari  dan  ke  fluida  kerja  untuk material penyimpanan. Karakteristik terpenting dari bagian  ini  adalah  mampu  berperan  sebagai konduktor panas yang baik.
Metode penentuan dibuat ke dalam sebuah tabel matriks yang membantu untuk menentukan pilihan – pilihan  kombinasi  berdasarkan  kemungkinan  yang ada  pada  tiap  bagian.  Fungsi  pemilihan  matriks dapat  menghasilkan  lebih  dari  1  kombinasi  fungsi untuk penilaian berikutnya (Tabel 6).
Gambar 4. Rencana desain bed storage
Gambar 5. Fungsi keseluruhan bagian
Tabel 6. Alternatif desain bed storage
Kode Aliran Bagian Kriteria Indikator 1 2 3 4 5
a Sinyal Inlet tube
 Memungkinkan untuk penyambungan  Koefisien gesekan dalam rendah
 Minim turbulence Saluran masuk fluida kerja tanpa membuat perubahan aliran menjadi turbulane b Sinyal Outlet tube
 Memungkinkan untuk penyambungan
 Koefisien gesekan dalam rendah
 Mampu menahan tekanan lokal Saluran masuk fluida kerja tanpa membuat tekanan dan suhu turun c Sinyal Coil tube  Koefisien gesekan dalam rendah  Memiliki daya hantar panas optimal
 Tahan suhu tinggi Memaksimalkan proses perpindahan panas dari dan ke material kerja d Material Head cover
 Mudah dibentuk
 Tidak berdeformasi terhadap waktu
Penutup storage pada bagian atas, mampu buka pasang
e Material
Bottom cover  Mudah dibentuk  Tahan terhadap tekanan lokal
Penutup bawah permanen, dapat menahan beban material kerja f Material Storage
 Stabilitas kimia baik
 Tahan korosi
 Konduktivitas termal rendah
 Mampu kerja pada hingga suhu 170 o C Tempat penyimpanan material kerja dengan karakteristik minim heat losses dan tidak korosi

## Tabel 7. Kombinasi bagian komponen bed storage
MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS PANCASILA Pemilihan variasi bagian pada bed storage
V A R IA SI
D E

## SA IN
B A G IA N Criteria: Keputusan:
+ Sesuai (+) Bagian sesuai - Tidak Sesuai (-) Bagian dieliminasi
? Kurang informasi
(?) Lakukan pencarian informasi ! Periksa lebih lanjut
(!) Lengkapi kekurangan
Utilization Demanded Cost Proper information Desirable Safety
A B C D E F DESKRIPSI Nilai a 1 + - + + - + - a 2 + + - + + + + a 3 + + + + + + Aman dan sesuai + a 4 - - - + + + - a 5 + + + + - + + b 1 + - + + - + - b 2 + + - + + +
+ b 3 + + + + + + Aman dan sesuai + b 4 - - - + + + - b 5 + + + + - + + c 1 + - + + - + - c 2 + + - + + + + c 3 + + + + + +
Ukuran dapat disesuaikan + c 4 - - - + + + - c 5 + + + + - + + d 1 - + - + + + - d 2 - + - + + + -
d 3 + + + + + -
+ d 4 + + + + + -
+ d 5 + + + + + + Mudah dibentuk +
e 1 - + - + + + - e 2 - + - + + +
- e 3 + + + + + -
+
e 4 + + + + + -
+
e 5 + + + + + + Stabilitas kimia baik + f 1 - + - + + +
- f 2 - + - + + +
-
f 3 + + + + + -
+ f 4 + + + + + -
+ f 5 + + + + + + Kekuatan mekanis terpenuhi +
Proses pemilihan dilakukan melalui analisis butir fungsi  dan  kesesuaian  terhadap  kondisi  pendukung lainnya,  dengan  pemberian  indikator  positif  (+) untuk  bagian  yang  memiliki  kesesuaian  terhadap variabel  desain  dan  tanda  negatif  (-)  untuk sebaliknya (Tabel 7).
Pilihan  tersebut  selanjutnya  dihubungkan menggunakan  garis  hubung  sebagai  kaitan  untuk kesesuaian  terhadap  kombinasi  yang  mungkin dilakukan  pada  tiap  pilihan.  Tabel  8  merupakan tabel  pemilihan  bagian  komponen bed  storage berdasarkan  indikator  kesesuaian  yang  diturunkan dari Tabel 7.
Gambar 6. Titik pengukuran uji prototipe
Gambar 7. Desain dan ukuran bed storage
Gambar 8. Desain dan ukuran coil tube
Gambar 9. Perlengkapan uji prototipe bed storage
Terdapat lima (5) pilihan alternatif material bed storage berdasarkan Tabel 8 yang dijadikan sebagai referensi  dalam  pemilihan  komponen  untuk  tiap bagian  yang  dibuat.  Tiap  alternatif  yang  dipilih harus  ditentukan  nilai  berdasarkan  kriteria  penting yang  dijadikan  sebagai  aspek  pertimbangan  dalam pemilihan.  Kriteria  tersebut  harus  disesuaikan dengan parameter desain untuk mencapai hasil yang
maksimal  berdasarkan  pemilihan  tiap  bagian  pada variasi Tabel 9.
Asessment kriteria pilihan untuk tiap variasi pada Tabel 9 menghasilkan nilai Overall Weighted Value (OWV)  untuk  tiap – tiap  variasi.  Nilai  OWV merupakan  nilai  acuan  dalam  pemilihan  variasi yang dilakukan untuk tiap bagian. Berdasarkan hasil penilaian  tersebut,  nilai  OWV  tertinggi  ada  pada kombinasi  pilihan  3,  karena  polimer  termoplastik Polyacetal sesuai  dengan  rencana  komponen  untuk temperatur  rendah,  unggul  ditinjau  dari  ketahanan lelah  (Tabel  2),  ketahanan  melar  dan  ketahanan abrasi  (Tabel  3).  Bahan  ini  juga  lebih  ringan daripada  logam,  unggul  dalam  ketahanan  air, pelumasan  diri  dan  menguntungkan  dalam kemampuan produksi.

## B. Pengujian Prototipe Bed Storage
Desain  model  pengujian  dirancang  seperti  pada Gambar  6  dengan  desain  ukuran bed  storage ditampilkan pada Gambar 7, serta desain dan ukuran coil  tube pada  Gambar  8.  Adapun  realisasi perlengkapan  uji bed  storage ditunjukkan  pada Gambar  9.  Metode  uji  kinerja  untuk  penyimpanan pemanas  dirancang  sesuai  spesifikasi  standar  EN 12977-3 [21], [22].
Spesifikasi  alat  pengujian  dan  komponen  yang digunakan  terangkum  pada  Tabel  10.  Pengujian prototipe bed  storage yang  dilakukan  melalui metode eksperimen yakni:
1. Pengujian charging ,  yang  menandakan  panas masuk ke bed storage.
2. Pengujian storing  statis dan  dinamis,  pengujian pelepasan  panas  dari bed  storage tanpa  diberi beban  pendingin  (statis)  dan  dengan  diberi beban pendinginan air (dinamis).
3. Pengujian discharging , yang menandakan panas dilepaskan dari bed storage .

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Hasil pengujian charging dengan indikator suhu material storage dan suhu bodi storage ditunjukkan pada  Gambar  10.  Grafik  kenaikan  suhu  pada material  kerja  dan  pada  bodi storage tidak  bersifat linier. Kenaikan suhu pada bodi storage jauh lebih lambat  dibandingkan  dengan  kenaikan  suhu  pada material.  Hal  ini  karena  dipengaruhi  oleh konduktivitas  termal  dari  bodi storage dan  juga material storage .
Tabel 8. Solusi desain alternatif material bed storage
Kode Aliran Bagian Kriteria Indikator 1 2 3 4 5 a Sinyal Inlet tube  Memungkinkan untuk penyambungan  Koefisien gesekan dalam rendah
 Minim turbulence Saluran masuk fluida kerja tanpa membuat perubahan aliran menjadi turbulane b Sinyal Outlet tube  Memungkinkan untuk penyambungan
 Koefisien gesekan dalam rendah  Mampu menahan tekanan lokal Saluran masuk fluida kerja tanpa membuat tekanan dan suhu turun c Sinyal Coil tube  Koefisien gesekan dalam rendah
 Memiliki daya hantar panas optimal
 Tahan suhu tinggi Memaksimalkan proses perpindahan panas dari dan ke material kerja d Material Head cover
 Mudah dibentuk  Tidak berdeformasi terhadap waktu Penutup storage pada bagian atas, mampu buka pasang
e Material
Bottom cover  Mudah dibentuk
 Tahan terhadap tekanan lokal Penutup bawah permanen, dapat menahan beban material kerja f Material Storage
 Stabilitas kimia baik
 Tahan korosi
 Konduktivitas termal rendah
 Mampu kerja pada hingga suhu 170 o C
Tempat penyimpanan material kerja dengan karakteristik minim heat losses dan tidak korosi Keterangan Kombinasi: Kombinasi Desain 1 (                                ) : a 1 – b 1 – c 1 – d 3 – e 3 – f 3 Kombinasi Desain 4 (                                ) : a 4 – b 4 – c 4 – d 2 – e 2 – f 2 Kombinasi Desain 2 (                                ) : a 2 – b 2 – c 2 – d 1 – e 1 – f 1 Kombinasi Desain 5 (                                ) : a 5 – b 5 – c 5 – d 4 – e 4 – f 4 Kombinasi Desain 3 (                                ) : a 3 – b 3 – c 3 – d 5 – e 5 – f 5
Tabel 9. Asessment kriteria pilihan No Kriteria W i Parameter Varian 1 Varian 2 Varian 3 Varian 4 Varian 5 V i W i .V i V i W i .V i V i V i W i .V i V i W i .V i V i 1 Aksesibilitas pengujian tes 0,1 Mudah diuji 7 0,7 7 0,7 8 0,8 7 0,7 8 0,8 2 Fungsi perpindahan panas 0,15 Laju perpindahan panas baik 7 1,05 6 0,9 7 1,05 7 1,05 7 1,05 3 Proses assembly tidak memerlukan banyak peralatan 0,06 Durasi proses perakitan 6 0,36 6 0.36 8 0,48 6 0,36 7 0,42 4 Banyaknya komponen 0,1 Total komponen 6 0,6 6 0.6 7 0,7 6 0,6 7 0,7 5 Ketersediaan komponen 0,08 Komponen umum di pasaran 6 0,48 8 0.64 8 0,64 7 0,56 8 0,64 6 Minimalisir turbulence pada fluida 0,08 Koefisien gesekan dalam rendah 7 0,64 6 0.48 8 0,64 7 0,56 7 0,56 7 Fungsi menahan panas 0,14 Fungsi isolator yang baik 7 0,98 6 0,84 7 0,98 8 1,12 7 0,98 8 Kekuatan mekanis material 0,1 Tahan tekanan dari dalam 7 0,7 7 0.7 8 0,8 7 0,7 7 0,7 9 Kekuatan sambungan tubing 0,09 Sambungan permanen 7 0,63 6 0.54 7 0,63 6 0,54 7 0,63 10 Bentuk dan ergonomis 0,1 Kompak 7 0,7 6 0.6 8 0,8 7 0,7 8 0,8 TOTAL 6,84 6,36 7,52 6.89 7,28 Tabel 10. Detail perlengkapan uji Komponen Spesifikasi Mini Oil Pump
Turbine Impeller Material: Aluminum alloy Penggerak: DC 12 V 1,5 Amp
Flow : 12 L/menit
Tekanan maksimal 3 bar Thermocouple  Type: Type – K Range ukur: -50 o C – 650 o C
Akurasi: + 1 o C
PID PXR4 – Fuji
Heater Water bath heater Heating rate : 5 o
C / min Maximum temp : 220 o C
Contact heater Testo 805i Smart Probes Measuring range : -30°C to 250°C Resolution : 0.1°C Measurement rate : 2/sec Laser marking :  Diffraction lens as laser marking The testo Smart Probes App (via
Bluetooth) Fluida kerja Smooth Fluida 05 (SF–05) Specific Gravimetry : 0.800 – 0.835
(60 o F ) Viscosity: 2.5 – 3.5 mm 2 /s
Gambar 10. Grafik suhu material storage dan bodi storage saat charging
Antara  menit  22 – 26  terjadi  kenaikan  suhu  yang signifikan  pada  bodi storage ,  kondisi  ini  terjadi akibat proses perpindahan panas pada bodi storage yang sudah merata dan sebagian panas dari material storage sudah  terserap  ke  seluruh  bagian  bodi storage .  Fenomena  ini  dapat  dibuktikan  dimana kenaikan  pada  material storage tidak  signifikan pada  rentang  waktu  yang  sama  dan  kenaikan  yang signifikan terjadi pada bodi storage . Kenaikan suhu yang  drastis  pada  bodi storage dianggap  sebagai titik  kritis  dan  setelah  melewati  titik  ini  kenaikan suhu  kembali  menjadi  landai  sedangkan  pada material storage kenaikan suhu terus berlanjut.
97 107 35 68 70 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Su hu ( oC ) Waktu (menit) Suhu Material Suhu Bodi Storage
Gambar 11. Grafik suhu fluida dan material kerja saat charging
Gambar 12. Grafik perbedaan suhu fluida dan material kerja saat charging
Gambar 13. Grafik suhu fluida dan material kerja saat storing
Gambar  11  menyajikan  grafik  hubungan  antara fluida  masuk  dan  keluar  serta  suhu  material. Perbedaan suhu fluida masuk dan keluar pada menit 1 – 25  cukup  tinggi  yang  disebabkan  oleh  sistem menerima panas secara cepat. Selanjutnya, kenaikan suhu  fluida  keluar  pada  menit  26 – 40  tidak menunjukkan kenaikan signifikan karena nilai panas pada material storage dan bed storage sudah tinggi. Suhu    fluida    masuk    dan    keluar    serta    suhu material storage sendiri  menjadi  landai  pada  menit akhir karena perpindahan panas yang terjadi kurang signifikan akibat kenaikan nilai kalor pada material storage .
Gambar 14. Grafik suhu fluida dan material kerja saat discharging
Gambar  12  memperlihatkan  grafik  dengan  jelas bahwa  bentuk  grafik  antara  perbedaan  suhu  fluida kerja  (masuk  dan  keluar)  dengan  perbedaan  suhu bodi storage dan  material  kerja  cenderung  identik. Kedua grafik sama-sama mengalami kenaikan yang signifikan  sampai  dengan  menit  22.  Lalu  nilai perbedaan  antara  bodi storage dan  material  turun secara drastis karena suhu bodi storage mengalami kenaikan  signifikan  (titik  kritis  Gambar  10)  dan berangsur naik kembali setelah melewati titik kritis. Perbedaan  suhu  fluida  kerja  dan  masuk  tidak signifikan  karena  panas  pada  sistem  sudah mengalami  kejenuhan  yang  menyebabkan  nilai perpindahan panas menurun.
Gambar  13  memperlihatkan  penurunan  suhu material storage pada pengujian statis dan dinamis. Terlihat  bahwa  terjadi  fenomena  penurunan  suhu yang drastis pada rentang suhu 80 – 40 o C pada kedua pengujian.  Penurunan  yang  cepat  disebabkan kondisi  kritis  dari  bodi storage yang  digunakan sebagaimana  yang  ditunjukan  pada  saat charging (Gambar  ).  Informasi  penting  yang  bisa  diperoleh adalah  dengan  sifat  termal  konduktivitas  rendah dari  material  bodi storage yang  digunakan,  maka penurunan  suhu  yang  terjadi  cukup  lama  melalui konveksi natural.
Saat pengujian discharging (Gambar 14) terlihat penurunan  suhu  pada  material  terjadi  secara  cepat tanpa menyebabkan  kenaikan  yang  signifikan pada fluida  kerja.  Saat  suhu  material  semakin  menurun, maka  perbedaan  antara  suhu  fluida  masuk  dan keluar menjadi semakin kecil. Sebagai perbandingan,  pengujian discharging pada  suhu fluida  masuk  berbeda  dilakukan  untuk  melihat pengaruh  dari  suhu  masukan  fluida  terhadap perbedaan suhu keluaran fluida.
0 50 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Su hu ( oC ) Waktu (menit) Suhu Material Fluida Masuk Fluida Keluar 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Su hu ( oC ) Waktu (menit)
Δ suhu material dan bed storage Δ suhu fluida 0 20 40 60 80 100 120 140 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 272 288 304 320
Su hu ( oC ) Waktu (menit) T2 (Statis) T2 (Dinamis) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Su hu ( oC ) Waktu (menit) Suhu Fluida Masuk
Suhu Fluida keluar
Gambar 15. Grafik perbedaan suhu fluida dan material kerja saat discharging
Perbedaan  suhu  maksimal  saat discharging (Gambar 15) antara fluida masuk dan keluar adalah 20 o C  sedangkan  perbedaan  suhu  maksimal  pada material  uji  6 o C.  Karakteristik  perbedaan  suhu fluida dan suhu material berlangsung dengan efektif pada  18  menit  pertama  yang  merupakan  kondisi dimana  kapasitas  panas  yang  tersimpan  pada material  masih  tinggi,  seiring  dengan  penurunan kapasitas  termal  pada  material storage ,  maka perbedaan suhu masuk dan keluar menjadi menurun secara  drastis  dan  mencapai  titik  kesetimbangan dalam waktu 35 menit dengan suhu setimbang pada 41 o C. Kapasitas  panas  dari  material storage dapat ditentukan berdasarkan persamaan 2, berikut [23]:
(2)
dimana q sensible dari  besarnya  panas  yang  mampu diserap  material sensible (serbuk  besi)  diperoleh berdasarkan persamaan 3 [23].
(3)
Dengan  massa  besi  27  gram  dan  perbedaan  suhu total 89 o C, maka diperoleh

## = 1,066 kJ

## = 56,663 kJ
Maka, nilai total panas pada sistem adalah:
q total = 1,066 kJ + 56,663 kJ
= 57,729 kJ
Efisiensi charging pada  sistem bed  storage merupakan  nilai  perbandingan  antara  besarnya panas yang tersedia saat proses charging dan panas yang  dapat  diserap  oleh  sistem  dan  dapat  dihitung dengan persamaan 4, berikut [24]:
(4)
Gambar 16. Fungsi efisiensi charging terhadap waktu
Tabel 11. Nilai efisiensi charging
Waktu (menit) Fluida masuk T 1 ( O C) Fluida keluar T 4 ( O C) Suhu lingkungan T x ( O C) (%) 1 41 40 30 9% 2 43 42 30 6% 3 49 46 30 16% 4 53 50 30 13% 5 58 53 30 18% 6 61 57 30 13% 7 67 62 30 14% 8 71 65 30 15% 9 77 68 30 19% 10 82 71 30 21% 11 89 74 30 25% 12 97 78 30 28% 13 104 81 30 31% 14 110 82 30 35% 15 112 84 30 34% 16 118 86 30 36% 17 121 88 30 36% 18 125 90 30 37% 19 127 90 30 38% 20 129 92 30 37% 21 131 93 30 38% 22 134 95 30 38% 23 142 95 30 42% 24 143 98 30 40% 25 144 99 30 39% 26 147 108 30 33% 27 150 113 30 31% 28 150 115 30 29% 29 150 116 30 28% 30 150 118 30 27% 31 150 118 30 27% 32 150 119 30 26% 33 150 120 30 25% 34 150 120 30 25% 35 150 119 30 26% 36 150 120 30 25% 37 150 120 30 25% 38 150 120 30 25% 39 150 120 30 25% 40 150 120 30 25% Rerata efisiensi charging 26,85 %
Besarnya  panas  yang  diserap  dan  tersedia bergantung  kepada  perbedaan  suhu,  sehingga bentuk akhir seperti pada persamaan 5 berikut [24]:
(5)
0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Su hu ( oC ) Waktu (menit)
Δ Suhu Fluida Δ suhu material 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 𝜂 ch ar gi ng (% ) Waktu (menit)
Nilai  koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh dapat diperoleh melalui persamaan 6, berikut [24]:
(6)
Luas  area  perpindahan  panas  merupakan  luas coil pada  yang  dapat  dihitung  dengan  menggunakan persamaan 7 [24].
(7)
Nilai
adalah  47 o C  data  uji discharging sehingga  nilai  koefisien  perpindahan  panas menyeluruh adalah:
= 21,422 W/m 2 . o C
Data pengujian per-menit memberikan keuntungan  untuk  nilai charging tiap  satuan  waktu dapat  diperoleh  dan  menunjukkan  bahwa  nilai charging secara  umum  bervariasi  terhadap  waktu dengan  rerata  26,85%.  Data  pada  Tabel  11  diubah ke  dalam  bentuk  grafik  fungsi  efisiensi charging terhadap  waktu.  Dari  Gambar  16  terlihat  bahwa efisiensi di atas 30% berada pada rentang waktu dari menit  ke  14  sampai  27.  Pada  rentang  waktu tersebut,  perbedaan  suhu  fluida  masuk  dan  keluar cukup signifikan dan menandakan bahwa penyerapan  panas  menjadi  lebih  ideal  pada  rentang waktu ini.

## IV. K ESIMPULAN
Proses rancang bangun bed storage menggunakan  metode  desain  Pahl  dan  Beitz memberikan solusi penggunaan polimer termoplastik polyacetal sebagai  material  bodi storage membuat  proses  penyimpanan  panas menjadi  lebih  lama  karena  nilai  konduktivitas termal yang rendah. Penggunaan polimer termoplastik polyacetal sesuai  dengan  rencana komponen untuk temperatur rendah, unggul ditinjau dari  ketahanan  lelah,  ketahanan  melar  dan ketahanan  abrasi.  Bahan  ini  juga  lebih  ringan daripada  logam,  unggul  dalam  ketahanan  air, pelumasan  diri  dan  menguntungkan  dalam kemampuan  produksi  sehingga  dapat  digunakan pada  aplikasi  pemanasan  pelumas  kendaraan  dan dapat  meredam  getaran  yang  timbul.  Efisiensi perpindahan  panas  menyeluruh  adalah  26,85% dengan fungsi  efisiensi tinggi (> 30%) berada pada menit  ke-14  sampai  dengan  27,  sehingga  rencana
aplikasi  bisa  diterapkan.  Proses  perpindahan menggunaan coil  tube tembaga  memberikan keuntungan  untuk  memaksimalkan  koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  sebesar  21,422 W/m 2 . o C.  Penelitian  lanjutan bed  storage untuk thermal management system adalah pengujian pada lingkungan  yang  sebenarnya,  yaitu  pada  kendaran kendaraan  ringan  serta  analisis  kelayakan ekonomisnya.

## R EFERENSI
[1] H.  Lund,  “Energy  sto rage  and  smart  energy systems,” Int. J. Sustain. Energy Plan. Manag. , vol. 11, pp. 3 – 14, 2016.
[2] S. Narayanan, “Thermal battery for portable climate control,” Appl.  Energy ,  vol.  149,  pp.  104 – 116,
2015.
[3] R.  Nivaskarthick,  “Analysis  of  Thermal  Energy Storage  system  using  Paraffin  Wax  as  Phase Change Material,” Int. Conf. Innov. Eng. Technol. , no. July, pp. 38 – 47, 2016.
[4] IEA  ETSAP  and  IRENA,  “Thermal  Energy Storage- Technology Brief,” no. January. 2013.
[5] A. Gautam and R. P. Saini, “A review on techni cal, applications  and  economic  aspect  of  packed  bed solar  thermal  energy  storage  system,” J.  Energy Storage , vol. 27, no. August 2019, p. 101046, 2020.
[6] D.  Dong,  “Thermal  optimisation  of  metal  hydride reactors  for  thermal  energy  storage  applications,” Sustain. Energy Fuels , vol. 1, no. 8, pp. 1820 – 1829,
2017.
[7]  Z. He, X. Wang, X. Du, M. Amjad, L. Yang, and C. Xu,  “Experiments  on  comparative  performance  of water  thermocline  storage  tank  with  and  without encapsulated  paraffin  wax  packed  bed,” Appl.
Therm. Eng. , vol. 147, pp. 188 – 197, 2019.
[8] D. C. Adhitya, “Penambahan Pasir Vulkanik untuk Meningkatkan  Sifat  Termal  Composite  PCM sebagai Thermal Energy Storage,” 2020.
[9] A. E. Kabeel, M. Abdelgaied, and A. Eisa, “Effect of  graphite  mass  concentrations  in  a  mixture  of graphite  nanoparticles  and  paraffin  wax  as  hybrid storage  materials  on  performances  of  solar  still,” Renew. Energy , vol. 132, pp. 119 – 128, 2019.
[10]  S.  Zhu,  G.  Yu,  X.  Li,  W.  Dai,  and  E.  Luo, “Parametric  study  of  a  free -piston  Stirling cryocooler  capable  of  providing  350  W  cooling power  at  80  K,” Appl.  Therm.  Eng. ,  vol.  174,  p. 115101, 2020.
[11] A. Dinker, M. Agarwal, and G. D. Agarwal, “Heat storage  materials,  geometry  and  applications:  A review,” Journal of the Energy Institute . 2017.
[12]  S.  Soprani . ,  “Design  and  testing  of  a  horizontal rock  bed  for  high  temperature  thermal  energy storage,” Appl.  Energy ,  vol.  251,  no.  November 2018, p. 113345, 2019.
[13]  H. Martin, Heat Exchangers . 1992.
[14] S.  Qian,  J.  Yu,  and  G.  Yan,  “A  review  of regenerative  heat  exchange  methods  for  various
cooling technologies,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 69, no. October 2016, pp. 535 – 550, 2017.
[15]  T.  Richter,  J.  H.  Witt,  J.  W.  Gesk,  and  A.  Albers,
“Identification  of  requirements  of  methods  and processes
for modeling objectives in predevelopment projects,” Procedia CIRP ,  vol. 84, pp. 419 – 427, 2019.
[16] J.  Gausemeier  and  S.  Moehringer,  “VDI  2206 -  A New  Guideline  for  the  Design  of  Mechatronic Systems,” IFAC Proc. Vol. , vol. 35, no. 2, pp. 785 – 790, 2002.
[17]  G.  P.  and  W.  Beitz, Engineering  Design  A Systematic Approach , 3rd ed. 2007.
[18] T.  Surdia  and  M.  S.  Met,  “Pengetahuan  Bahan Teknik,” Pt Pradnya Paramita , p. 372, 1999.
[19]  J.  W.  J.  M.  S.  Priest, Product  Development  and Design for Manufacturing , Second Edi. New York - BASEL: MARCEL DEKKER, INC, 2001.
[20]  A. Frazzica, M. Manzan, A. Sapienza, A. Freni, G. Toniato, and G. Restuccia, “Experimental testing of
a  hybrid  sensible-latent  heat  storage  system  for domestic  hot  water  applications,” Appl.  Energy , vol. 183, pp. 1157 – 1167, 2016.
[21] S.  Fischer  and  H.  Drück,  “Standards  and certification  schemes  for  solar  thermal  collectors, stores  and  systems  -  An  overview  about the  latest developments,” Energy  Procedia ,  vol.  57,  no. December, pp. 2867 – 2871, 2014.
[22]  D.  I. N. En  and  D.  I.  N.  En,  “EN  12977 - 3:2018,” no. July, 2018.
[23]  M.  Liu,  S.  Riahi,  R.  Jacob,  M.  Belusko,  and  F. Bruno, “Design of sensible and latent heat thermal energy  storage  systems  for  concentrated  solar power  plants:  Thermal  performance  analysis,” Renew. Energy , 2020.
[24]  D.  S.  Patil,  R.  R.  Arakerimath,  and  P.  V.  Walke, “Thermoelectric  materials  and  heat  exchangers  for power  generation – A  review,” Renewable  and Sustainable Energy Reviews . 2018.