## KAJI EKSPERIMENTAL PERBEDAAN PERPINDAHAN PANAS PELEBURAN PARAFIN SEBAGAI MATERIAL PENYIMPAN PANAS PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA MULUS DAN PIPA BERSIRIP

## Zulkifli
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh - Medan, Km.280,3. Buket Rata, Lhokseumawe, 24301 E-mail: pullyzulkifli@yahoo.co.id

## Abstrak
Dalam  penelitian  ini,  kajian  eksperimental  berkaitan  dengan  perpindahan  panas  laten  dan  penyimpanan  energi termal  menggunakan  tabung  pipa  mulus.  Sebuah  unit    eksperimental  terdiri  dari  akuisisi  data, heat  exchanger jenis shell and tube digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas, pipa fluida panas dirancang mulus (tanpa sirip).  Lilin  parafin  digunakan  sebagai  media  penyimpanan  termal.  Karakteristik  perpindahan  panas  dari  fluida ke  lilin  parafin  diselidiki  dalam  kondisi  fluks  panas  yang  berbeda.  Hasil  percobaan  menunjukkan  bahwa karakteristik transfer panas  menunjukkan  kesamaan untuk tabung penukar panas. Pada proses pemanasan awal didominasi oleh konduksi, tetapi pada suhu leleh didominasi oleh perpindahan panas konveksi.
Kata kunci : Parafin, perpindahan panas, penyimpanan panas, pipa mulus, pipa bersirip

## 1. Pendahuluan
Sebuah  sistem  penyimpanan  termal  memiliki beberapa  keunggulan,  seperti  kemampuan  untuk menyimpan  energi  panas  yang  besar  dengan  unit penyimpanan yang relatif kecil. Hal ini dimungkinkan  karena  panas  laten  dari  bahan penyimpanan panas jauh lebih besar dari pada panas spesifik.  Sistem  ini  tidak  hanya  mampu  beroperasi pada  isotermal  dengan  perubahan  yang  relatif  kecil dalam  volume  selama  proses  perubahan  fasa,  tetapi juga  mampu  memberikan  beberapa  penyimpanan panas waktu peleburan bahan.
Bahan  yang  digunakan  untuk  penyimpanan panas  laten  disebut  bahan  perubahan  fasa  (PCMs). PCMs umumnya dibagi menjadi tiga kategori utama: organik,  senyawa  anorganik  dan  eutektik.  PCMs suhu  rendah  (<200)  (organik,  anorganik  atau eutektik) terutama digunakan dalam sistem pemanfaatan  kembali  limbah  panas  dan  bangunan. Sementara  PCMs  suhu  tinggi  (>200)  anorganik digunakan  dalam  pembangkit  listrik  tenaga  surya dan aplikasi temperatur tinggi lainnya [1,2].
Ada  beberapa  metode  untuk  meningkatkan kecepatan  transfer  panas  pada  sistem  penyimpanan panas  laten.  Lacroix  telah  melakukan  studi eksperimental  dan  teoritis  untuk  memprediksi karakteristik transien pipa dan tabung unit testing [3]. Tes  menggunakan  pipa  halus  dan  annular  sirip dengan  bahan  perubahan  fasa  diisi ke dalam tabung dan  bekerja  aliran  cairan  melalui  dalam  pipa.  Hasil eksperimen  menunjukkan bahwa dengan sirip dapat meningkatkan  tingkat  penyerapan  untuk  bahan
perubahan  fasa.  Velraj  et  al,  mempelajari  dampak dari  sirip  memanjang  internal  pada  tabung  silinder vertikal  diisi  dengan  lilin  parafin  [4].  Mereka menyimpulkan bahwa menambahkan sirip mengurangi  waktu  pemadatan  dengan  faktor  1/n, dimana  n  adalah  jumlah  sirip.  Sebuah  studi eksperimental karakteristik perpindahan panas peleburan  dari shell  and  tube, air  sebagai  fluida panas  mengalir  dalam  pipa.  Parafin  sebagai  bahan penyimpanan  panas  diisi  ke shell  yang dilakukan dalam  penelitian  ini.  Tujuan  dari  penelitian  ini adalah  untuk  mengetahui  deskripsi  penyimpanan energi  termal  karakteristik  parafin.  Jadi,  hasilnya akan  berguna  sebagai  informasi  dasar  untuk mengembangkan  sistem  penyimpanan  panas  laten bekerja pada aplikasi kisaran suhu rendah.

## 2. Metode Penelitian
Dalam  penelitian  ini,  teknis  pengukuran dilakukan  untuk  bahan  perubahan  fasa  dan fluida  kerja.  Kedua  hal  ini  diukur  saat    suhu  leleh perubahan  fasa  bahan  (diukur  pada  tiga  titik  yang berbeda). Inlet dan outlet adalah    suhu  fluida  kerja (air)  dan  laju  aliran  massa  fluida  yang  dilakukan selama periode pengujian.
Dalam pengujian ini, parafin murni adalah (n- octadecane/C18H18)  digunakan  sebagai  bahan penyimpan panas yang merupakan senyawa hidrokarbon  organik  dengan  n-alkana  sebagai komponen utama dan memiliki perilaku thermophysic seperti yang ditunjukkan dalam bb Tabel b 2.1.
Tabel 2.1. Sifat Thermophysical  parafin Melting temperature 46.7 ºC Thermal conductivity ( solid )          0.1383W/m.ºC Thermal conductivity ( liquid )         0.1383W/m.ºC Specific heat ( solid )                        2890  J/kg.K Specific heat ( liquid )                      2890  J/kg.K Density ( solid )                                947  kg/m 3
Density ( liquid )                              750  kg/m 3
Latent heat 209000  J/kg
Shell  and  tube penukar  kalor  ini  diposisikan secara  vertikal  dan  terhubung  ke  pemanas  sumber, data  akuisisi  peralatan  dan  sumber  listrik  yang digunakan  dalam  tes  sebagai  ditunjukkan  dalam Gambar  2.1.  Dua  jenis  pipa,  halus  dan  annular bersirip  digunakan  dalam  tes  ini.  Panjang  pipa masing-masing  dari shell  and  tube sekitar  1  m. Diameter penghantar fluida panas adalah 20 mm dan 21,6  mm.  sedangkan  diameter  dalam  dan  luar shell adalah  43  mm  dan  46  mm.  Sirip  yang  terbuat  dari paduan  dan  disolder  ke  pipa  dengan  jarak  60  mm untuk satu sama lain memiliki ketebalan 0,8 mm dan 35  mm diameter luar.  Termokopel  terletak  5 mm  ke dalam  dari  permukaan  bahan  untuk  mengukur  tiga poin  yang  berbeda  pada  penyimpanan  bahan  termal yaitu:  50  mm,  500  mm,  dan  950  mm  poin  masing- masing. Untuk  mengukur suhu  fluida pada inlet dan pipa outlet ,  termokopel  ditempatkan  50  mm  dari inlet dan  pipa outlet. Tabung  diisolasi  dengan  busa dan  dilapisi  dengan  plester  isolasi  untuk  mencegah kehilangan  panas.  Bentuk  dan  ukuran  pipa  bersirip dan tabung seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Unit fasilitas pengujian.
Sumber  panas  untuk  tes  air  panas  oleh pemanas listrik hingga mencapai 130  C. Suhu leleh di  atas  termal  penyimpanan  bahan  dan  dijaga konstan.  Suhu  air  diukur  dengan  menempatkan termometer di dalam reservoir .  Sebuah pompa  yang digunakan untuk mensirkulasikan air  melalui bagian dalam  peralatan  pengujian.  Pada  tahap  awal pengujian, penyimpanan bahan termal telah dipanaskan dalam tungku anil pada suhu leleh, 46.70  C,  selama  60  menit.  Selama  proses  pemanasan, suhu tungku annealing telah dijaga konstan sehingga proses  pencairan  bisa  menjalani  dengan  baik  dan homogen.  Setelah  proses  itu,  parafin  cair  kemudian
diisi  ke  dalam  ruang  antara  pipa  dan shell diatur vertikal  kemudian  mendapatkan down dingin  dan membeku.  Sebelumnya,  tes  dimulai,  ambien,  dan suhu parafin telah diukur. Data diambil  setiap menit selama  dari  proses  pemanasan  hingga  mencapai beberapa derajat di atas suhu leleh.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  percobaan  dari  penelitian  ini  antara lain,  bahan  penyimpanan  panas  mulai  dari  suhu pemanasan  awal  (29  C)  sampai  temperatur  leleh beberapa  derajat  di  atas  setiap  titik  diukur.  Karena karakteristik  leleh yang sama untuk setiap titik  yang diukur,  baik  dari  aliran  massa  halus  dan  pipa bersirip.    Variasi  cenderung  sama  pada  setiap  titik pengukuran, dipilih untuk dilakukan kajian  ini, titik 2,  sebagai  sampel  ditunjukkan  pada  Gambar  4.1 sampai 4.3. Kajian pada titik 2 adalah muncul bahwa tingkat  panas  penyerapan  oleh  parafin  padat  cepat pada  tahap  awal  pemanasan,  ditandai  dengan peningkatan  yang  signifikan  dalam  temperatur,  dari 29  ºC  ke  beberapa  derajat  di  bawah  titik  leleh (sekitar 45  C). Pada proses pemanasan  awal, panas mengalir  dari  permukaan  pesawat  pemanasan  dan melintasi  solid  untuk  bahan  penyimpanan  panas konduksi.  Bahan  berubah  dari  padat  ke  cair  di sekitar leleh  suhu (46,7  C).  Dengan  meningkatkan tingkat  suhu  secara  bertahap  sampai  dengan  materi melebihi  suhu  leleh.  Suhu-meningkatkan  tingkat terus secara bertahap dimulai dari 50  C, sedangkan pada  titik  ini,  konveksi  bebas  telah  mengambil bagian dan menjadi modus panas utama transfer.
Gambar 3.1.  Hasil eksperimen pipa mulus.
Tes menggunakan pipa bersirip dengan aliran massa  0,23  kg  /  menyajikan  lebur  yang  sama karakteristik dengan pipa halus menguji seperti yang ditunjukkan  pada  Gambar  4.2.  Namun,  perpindahan panas lebih cepat dan  proses penyerapan panas oleh parafin  lebih  tinggi.  Sementara  itu,  pada  pengujian pipa  halus  menunjukkan  bahwa  aliran  menyimpan panas  dengan  pipa  bersirip  tidak  jauh  berbeda,  tapi
konduksi  perpindahan  panas  di  lapisan  padat  dari material  tetap  berjalan  sampai  mencapai  suhu  leleh (46  C). Pada titik leleh, penyerapan panas menurun seiring  waktu.  Dimulai  dari  49  C,  temperatur  naik secara  bertahap  sebagai  konveksi  bebas  mengambil bagian.  Lebur  tingkat  karena  konveksi  adalah dilakukan lebih cepat. Dan dengan waktu yang sama, pipa  bersirip  bisa  mentransfer    panas  dalam  jumlah yang lebih besar dibandingkan dengan  pipa halus.
Gambar 3.2. Hasil Eksperimen untuk Pipa Bersirip

## Longitudinal
Berdasarkan  pada  hasil  uji  titik  4  dengan m  =  0,19  kg/s,  tingkat  panas  menyimpan  untuk kedua pipa  yang relatif sama dengan  m  = 0,23 kg/s. Angka  ini  menunjukkan  bahwa  tingkat  penyerapan panas  parafin  meningkat  ketika  material  pada kisaran  suhu  fusi,  tapi  sebagai  konsekuensi  dari perbedaan dalam jumlah pasokan panas  dan tingkat panas  fluida  kerja,  waktu  yang  dibutuhkan  untuk mendekati  titik  leleh  dan  titik  di  mana  konveksi bebas dimulai adalah sedikit lebih lama. Cairan yang lebih tinggi aliran massa sehingga energi panas lebih cepat  menyimpan.  Ini  terjadi  karena  perbedaan jumlah  panas  penyerapan  materi  melewati  fase perubahan,  selain  perbedaan  aliran  massa  yang membuat perbedaan dalam mekanisme aliran fluida.
Gambar 3.3.  Perbandingan tingkat menyimpan panas untuk pipa bersirip longitudinal

## 4. Kesimpulan
Pada  proses  peleburan  tahap  awal  parafin. Dengan  suhu  bahan  meningkat  beberapa  derajat  di bawah  suhu  leleh,  tingkat  penyerapan  panas berkurang.  Itu  terjadi  karena  resistansi  termal peningkatan  hasil  lapisan  cair  dibuat  dalam  antar muka  perpindahan  panas.  Setelah  suhu  mencapai material  penyimpan  panas  ke  titik  leleh,  temperatur meningkat  secara  bertahap  dan  relatif  konstan.  Ini berarti  bahwa  awal  konveksi  bebas  modus  terjadi. Selain itu, ia menemukan bahwa menggunakan pipa bersirip  suhu  tingkat  penyerapan  lebih  cepat  dari pada  menggunakan  pipa  halus.  Jadi,  menerapkan sirip di dalam tabung adalah cara yang efektif untuk meningkatkan tingkat  peleburan (penyerapan panas) dari materi, cairan yang lebih tinggi aliran massa dan lebih  cepat  proses  penyerapan  panas  dari  parafin, sementara waktu kekurangan yang dibutuhkan untuk mencapai suhu leleh (46,7  C). Sebagai perbandingan  untuk  pipa  mulus  diambil  26  dan  27 menit,  untuk  m  =  0,23  dan  0,19  kg/s,  sedangkan untuk  bersirip  pipa  diambil  21  dan  23  menit,  untuk m = 0,23 dan 0,19 kg/s.

## Daftar Pustaka
[1] M. H. Zalba, B, Marin J, Cabeza L, “Review on thermal  energy  storage  with  phase  change: materials, heat transfer analysis and applications”, Applied Thermal Engineering, vol. 23, no. 3, pp. 251-283, Feb. 2003.
[2] S. Farid, M, Khudhair, K, Razack, S, Hallaj, “A review  on  phase  change  energy  storage: materials  and  applications”,  Energy  Conversion and  Management,  vol.  45,  no.  9-10,  pp.  1597- 1615, Jun. 2004.
[3] M. Lacroix, “Study of the heat transfer behavior of a  latent heat thermal energy storage unit with a finned tube”, International Journal of Heat and Mass  Transfer,  vol.  36,  no.  8,  pp.  2083-2092, 1993
[4] M. Lacroix, “Study of the heat transfer behavior of a  latent heat thermal energy storage unit with a finned tube”, International Journal of Heat and Mass  Transfer,  vol.  36,  no.  8,  pp.  2083-2092, 1993
[5]  R.  Velraj,  R.  Seeniraj,  B.  Hafner,  C.  Faber,  and K.  Schwarzer,  Experimental  analysis  and numerical  modelling  of  inward  solidification  on a  finned  vertical  tube  for  a  latent  heat  storage unit  ,  Solar  Energy,  vol.  60,  no.  5,  pp.  281  290, 1997.
[6]  Zhongliang  Liu,  Xuan  Sun  and  Chongfang  Ma, Experimental
Investigations on The Characteristics  of  Melting  Process  of  Stearic Acid  in  An  Annulus  and  Its  Thermal Conductivity  Enhancement  by  Fins.  Energy Conversion  and  Management,  no.  15,  pp.  959- 969, 2005.