## STUDI NUMERIK: PENGARUH DEBIT INLET TERHADAP KARAKTERISTIK PELELEHAN PARAFFIN WAX PADA TABUNG SILINDER

## (NUMERICAL STUDY: THE EFFECT OF FLOWRATE ON PCM MELTING CHARACTERISTIC IN CYLINDER TUBE)
Fajar Anggara 1 , Henry Carles 1 , Pathur Razi Ansyah 2
1 Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin, Universitas Mercu Buana Jalan Meruya Selatan No.1, (021) 5840816
3 Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin, Universitas Lambung Mangkurat JL. Akhmad Yani Km.36 Banjarbaru, Kalimantan Selatan
fajar.anggara@mercubuana.ac.id

## Abstract
Latent  Heat  Thermal  Energy  Storage  (LHTES)  is  the  method  to  store  thermal energy by changing the phase of Phase Change Material (PCM). This method is being developed to store heat loss for increasing energy efficiency. In this paper, the effect of variation flow rate on the melting characteristics PCM was investigated by three-dimensional numerical simulation using ANSYS FLUENT 17. The set-up of  this  research  was  carried  out  on  concentrically  two  cylindrical  tubes  with diameter outer tube 10 cm and length 60 cm while diameter inner tube 5 cm and length 50 cm. The inner tube is used as a PCM container and the outer tube which has bottom and top hole is used as Heat Transfer Fluid (HTF) circulation. Variation HTF or hot water flowrate was carried out by 4L / min, 8L / min and 12 L / min while the temperature is kept at 75 o C, then flowed through bottom hole and out to top hole. From this study it was found that the variation flow rate did not have significant effect on the melting pattern, only the greater flow rate, the smaller melting time. Natural convection is the main role of heat transfer when melting.
Keywords: PCM, LHTES, FLUENT, melting, natural convection

## PENDAHULUAN
Kecendrungan dalam upaya  melakukan efesiensi  energi  dan pemanfaatan energi terbarukan  sudah  mulai  meningkat. Latent  heat  thermal  energy  storage (LHTES) merupakan salah bentuk upaya dalam meningkatkan efesiensi energi termal/panas.
Panas buang yang berlebih bisa disimpan dalam wujud perubahan fase dari material penyimpannya atau sering disebut phase change material (PCM). Karakteristik pelelehan pada  PCM  menjadi  kunci  pembahasan  yang  menarik  untuk  diteliti  karena  karakteristik pelelehan PCM berhubungan erat dengan energi termal yang disimpan.
Pengamatan  karakteristik  pelelehan  pada  PCM  secara  eksperimen  dan  simulasi numerik sudah banyak dilakukan (Anggara et al., 2018; Ansyah, Waluyo, Suhanan, Najib, &  Anggara,  2018;  Bechiri  &  Mansouri,  2019;  Motahar  &  Khodabandeh,  2016;  Pahamli, Hosseini, Ranjbar, & Bahrampoury, 2018). Beberapa keuntungan dari simulasi numerik antara  lain  sebagai  berikut:  menghemat  waktu  dan  biaya,  bisa  dimanfaatkan  untuk
melakukan optimasi model LHTES (Al-Abidi, Bin Mat, Sopian, Sulaiman, & Mohammed, 2013).  Pengaruh  konveksi  natural  berperan  penting  terhadap  transfer  kalor  didalam wadah PCM (Motahar & Khodabandeh, 2016) dan semakin dominan ketika fase dari PCM semakin cair (Ansyah et al., 2018).
Beberapa  penulis  membagi  arah  orientasi  inlet  HTF  dan  wadah  PCM  sebagai berikut: wadah PCM vertikal dan HTF mengalir dari bagian atas menuju ke bagian bawah, wadah  PCM  vertikal  dan  HTF  mengalir  dari  bawah  menuju  ke  atas,  dan  yang  terakhir wadah PCM horizontal  (Agyenim, Hewitt, Eames, & Smyth, 2010).
Penelitian  berupa  eksperimen  sudah  dilakukan  dengan  orientasi  pipa  horizontal pada  model heat  pipe (Yusuf  Yazici,  Avci,  Aydin,  &  Akgun,  2014).  Hasil  penelitian  ini meyimpulkan bahwa pergerakan pipa pemanas HTF menuju bagian bawah dari  wadah PCM  maka melting  time semakin  kecil.  Hasil  eksperimen  ini  juga  didukung  dengan simulasi numerik yang sudah dilakukan oleh (Pahamli et al., 2018).
Pada  paper  ini  dilakukan  investigasi  dengan  jenis  PCM  RT  52  dengan  orientasi wadah  PCM  horizontal  dengan  model  silinder.  Validasi  mengenai  simulasi  numerik  ini sudah  dilakukan  dan  konfigurasi  yang  digunakan  sama  persis  dengan  pada  penelitian sebelumnya (Anggara et al., 2018).

## Model Numerik
Terdapat  beberapa  macam  pemodelan  yang  sudah  digunakan  oleh  beberapa penulis  seperti  yang  sudah  dilakukan  oleh  (Al-Abidi  et  al.,  2013)  yang  menggunakan hukum termodinamika satu dan dua sebagai konsep penghitungan.
Bentuk  pemodelan  pada  penelitian  ini  menggunakan  entalphy-porosity,  dengan persamaan  energinya  berbentuk  entalpi  dan  terdapat source  porosity pada  persamaan momentumnya (Anggara et al., 2018).
Bentuk persamaan  yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
𝜕𝜌
𝜕𝑡 + 𝛻. (𝜌𝑉 ⃗ ) = 0 (1)
Persamaan kekekalan momentum:
𝝏𝝆𝒗
𝝏𝒕 + 𝜵𝝆𝒗𝑽 ⃗⃗  = −𝜵𝑷 + 𝝁. 𝜵 𝟐 𝒗 + 𝝆𝒈 − 𝑺 (2)
Bentuk source ,  S,  dapat  didefinisikan  oleh  (Brent,  Voller,  &  Reid,  1988)  sebagai berikut :
𝑆 = (1−𝑓) 2 𝑓 3 +𝜀 𝐴𝑚𝑢𝑠ℎ𝑉 ⃗ (3)
Pengaruh nilai mushy-zone , 𝑨 𝒎𝒖𝒔𝒉 menurut beberapa penulis dapat mempengaruhi karakteristik pelelehan pada simulasi numerik antara lain: melting time dan melting contour (Anggara et al., 2018).
Nilai yang digunakan adalah 1.4 x 10^7, adapun bentuk mesh adalah heksahedral dan  jumlah  mesh  yang  digunakan  adalah  144.000  sesuai  Anggara  et  al.,  2018. Nilai  ε adalah 0.001 agar nilai S tidak tak hingga ketika f atau liquid fraction adalah 0.
Bentuk persamaan f dapat didefinisikan sebagai berikut:
𝑓 = { 0 𝑇−𝑇 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑢𝑒 𝑇 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑢𝑠 −𝑇 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑢𝑒 1 T ⊲  T Solidue 𝑇 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑢𝑠 ≤ 𝑇 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑢𝑠 𝑇 ⊳ 𝑇 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑢𝑠 } (4)
𝑻 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒖𝒔 dan 𝑻 𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒖𝒔 suhu pembekuan dan suhu pelelehan pada PCM.
Persamaan kekekalan energi:
) .( T k HV t H   =  +     (5) fL h
H + =
(6)
H merupakan enthalpi yang dimiliki pada PCM. Sedangkan L merupakan kalor laten dari PCM.
Sifat  karakteristik  dari  PCM  yaitu  densitas  yang  dimiliki  ketika  berwujud  cair  dan padat berbeda, sehingga untuk mengakomodasi nilai ini dibuatlah persamaan weight yang dapat dijelaskan sebagai berikut:
𝛼 = 𝑓𝛼1 + (1 − 𝑓)𝛼𝑠 (7)
Dengan mendifinisikan 𝜶 𝒍 dan 𝜶 𝒔 adalah densitas saat berwujud cair dan padat. Persamaan ini juga sudah banyak digunakan untuk memodelkan karakteristik termal PCM (Rösler & Brüggemann, 2011).

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  dalam  skala  besarnya  dibagi  menjadi  dua  yaitu  eksperimen  dan simulasi.  Adapun  fokus  pada  jurnal  ini  hanya  pada  bagian  simulasi.  Hasil  dari  simulasi perlu  dilakukan  validasi  agar  hasilnya  tidak  menyimpang  dengan  eksperimen.  Namun pembahasan mengenai validasi sudah dipublikasikan pada jurnal sebelumnya (Anggara et al., 2018).
Penjelasan mengenai tahapan metode penelitian ini dapat dijelaskan secara detail pada Gambar 1. Terlihat pada Gambar 1 urutan tahapan-tahapan yang dilakukan adalah studi literatur, pembuatan geometri, pembuatan mesh , pengecekan mesh , konfigurasi dan simulasi Ansys Fluent 17, yang terakhir adalah pembahasan.
Studi literatur merupakan tahapan awal yang perlu dilakukan dengan  tujuan untuk memfokuskan skope penelitian. Dengan membandingkan dan mengumpulkan data dari penelitian-penelitan  sebelumnya  diharapkan  dapat  memperjelas  skope  penelitian  ini. Setelah  selesai  dengan  tahapan  ini,  dilanjutkan  dengan  pembuatan  geometri  yang menggunakan software  solidwork .  Ukuran  dari  geometri  tabung  dalam  dan  luar  harus disesuaikan dengan ukuran yang sama pada eksperimen sesuai dengan Gambar 2.
Tahapan selanjutnya adalah pembuatan mesh, untuk memastikan mesh yang dibuat bagus  sehingga  menghasilkan  simulasi  yang  baik  perlu  dipastikan  kembali  nilai-nilai parameter yang ada. Salah satu parameter nya adalah skewness . Nilai skewness yang baik umumnya berada pada rentang 0.9 sampai 1, namun untuk penelitian ini skewness yang  dihasilkan  adalah  kurang  dari  0.6.  Dengan  melihat  nilai  dari  parameter  ini  bisa dipastikan bahwa kualitas mesh yang dihasilkan pada penelitian ini sudah sangat baik.
Hasil  pembuatan mesh yang  sudah  baik  ini  diekspor  ke  Ansys  Fluent  17  untuk kemudian  dilakukan  simulasi  komputasi  numerik.  Hasil  dari  simulasi  ini  diolah  datanya pada tahapan result. Data yang sudah didapat kemudian dibahas dengan detil mengenai temperature contour , melting contour, melting time , dan suhu. Posisi pengambilan suhu pada  simulasi  sama  dengan  posisi thermocouple pada  eksperimen  sesuai  dengan Gambar 3.  Pembahasan mengenai set-up pada software Ansys Fluent dibahas dengan detil pada bab setelah ini.
Mulai Studi Literatur Pembuatan Geometri Pembuatan Mesh Result dan Pembahasan Cek Kualitas Mesh Sk ew nes s> 0 .6 Skewness<0.6 Konfigurasi dan Simualasi Ansys Fluent 17 Selesai
Gambar 1 Metode Penelitian

## Seting  ANSYS Fluent 17
Cara  penyetingan  pada  simulasi  ANSYS  Fluent  17  dibahas  detil  pada  bab  ini. Penelitian  ini  difokuskan  kan  untuk  melihat  pengaruh  variasi  debit  HTF  terhadap karakteristik pelelehan PCM pada pipa silinder. Secara umum bentuk geometri bisa dilihat pada  Gambar  2.  Penyederhanaan  geometri  pada  ANSYS  dilakukan  dengan menghilangkan  penyangga  atau  dudukan  tabung  silinder  dalam.  Penyederhanaan  ini dilakukan bertujuan untuk menghasilkan mesh yang sangat baik dengan asumsi bahwa menghilangkan  komponen  tersebut  tidak  mempengaruhi  pola  aliran  HTF  pada eksperimen.
Mula-mula keadaan awal dari PCM diberikan asumsi dengan suhu T o =28 o C, suhu HTF dijaga konstan THTF =75 o C dan variasi debit HTF (4L/min, 8L/min dan 12 L/min). Asumsi  lain  yang  perlu  ditambahkan  bahwa  tabung  HTF  dianggap  sebagai  isolator sempurna. Sifat properti termal dari PCM yang digunakan dapat ditabelkan pada Tabel 1.
Gambar 2. Bentuk Geometri Tabung PCM Inlet Outlet Tabung PCM Tabung HTF

## Tabel 1

## Sifat Properties PCM
Peletakan pengambilan data suhu bisa dilihat pada Gambar 3. Pengambilan data T1-T5 ditujukan untuk melihat distribusi suhu arah radial pada penampang radial. Untuk melihat distribusi suhu aksial dapat dilihat pada pengambilan data suhu T6-T8.
Gambar 3. Posisi Pengambilan Data Suhu
Prosedur Simulasi
Pada penelitian ini menggunakan simulasi transient tiga dimensi untuk melihat pola pelelehan  dan melting  time dari  PCM. Pressure  discretitation yang  digunakan  adalah couple dan skema yang digunakan untuk pressure-velocity coupling adalah coupled .
Properti Satuan Nilai Rentang Pelelehan °C 49 – 53 Kapasitas Penyimpan an Panas kJ/kg 173 Densitas Fase Padat *T= 15°C kg/m3 880 Massa Jenis Fase Cair *T= 80°C kg/m3 760 Volume Ekspansi % 16 Konduktivit as Termal W/(mK) 0,2 Viskositas Kinematik m 2 /s 31,28 x 10 -6 Konduktivit as Termal (Akrilik) W/(mK) 0,17- 0,21
T8 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 Tout Tin 10 cm 15 cm 15 cm 1 ,1 cm
Untuk  diskretisasi  persamaan  momentum  menggunakan second  order  upwind sedangkan untuk persamaan turbulent menggunakan first order upwind . Untuk inisialisasi menggunakan hybrid inisialization .
Delta  time  step yang  digunakan  sebanyak  0.1  dengan  total time  step- nya  95000. Untuk max iteration nya adalah 10 iterasi. Semua setingan yang digunakan sesuai dengan penelitian sebelumnya (Anggara et al., 2018).

## Hasil Penelitian dan Pembahasan
Beberapa topik uraian yang dibahas antara lain: karakteristik pelelehan PCM, kontur pelelehan, distribusi suhu dan melting time . Pengamatan kontur pelelehan dilakukan pada waktu 2010 detik, 3000 detik, dan 4020 detik dengan posisi penampang radial dan aksial seperti pada Gambar 3(A,B,C). Kontur pelelehan bisa diamati dengan jelas pada Gambar 3(A,B,C). Pada awal mula pelelehan proses transfer kalor dominan terjadi secara konduksi hal ini bisa dilihat pada Gambar 3(A) yang menunjukan pola pelelehan masih simetris.
Namun semakin banyak lapisan PCM yang bewujud cair di dalam wadah, pengaruh konveksi natural semakin besar. Peran dari konveksi natural ini mengakibatkan sirkulasi flow  yang  terjadi  didalam  wadah  PCM  sangat  dipengaruhi  oleh  densitas  lapisan  PCM. Semakin ringan densitas lapisan PCM maka lapisan ini bergerak menuju bagian sisi atas wadah PCM. Karena pergerakan inilah transfer kalor lebih mudah ke bagian atas wadah PCM.  Sehingga  menyebabkan  bagian  atas  lebih  banyak  mengalami  pelelehan dibandingkan  sisi  bagian  bawah  tabung  seperti  pada  Gambar  3(B)  dan  Gambar  3(C), meskipun HTF memanasi PCM lebih dulu pada bagian bawah wadah PCM.
Pengaruh variasi debit pada kontur pelelehan untuk debit 4 L/min, 8 L/min dan 12 L/min pada Gambar 3(A,B,C) tidak menunjukan perbedaan yang signifikan pada masing- masing  kontur  pelelehan.  Untuk  melihat  distribusi  suhu  ke  arah  radial  dan  aksial pengambilan  data  suhu  berupa  grafik  dapat  ditampilkan  pada  Gambar  6  (A,B,C)  dan Gambar7(A,B,C).  Dari  Gambar  6(A,B,C) bahwa  untuk variasi  debit  (4-12  L/min)  terlihat memiliki  pola  yang  serupa  untuk  sesama  kurva  suhu  pada  posisi  aksial.  Pola  yang terbentuk pada suhu aksial di Gambar 6, pada awal mula pemanasan semua garis suhu berimpit dalam hal ini T3, T6,T7 dan T8.  Namun pada detik diatas 4000 terdapat urutan kurva suhu yang mengalami kenaikan lebih dulu. Hal ini disebabkan karena posisi yang lebih dekat dengan lubang inlet HTF mengalami transfer kalor lebih lama.
(A) (B)
(C)
Gambar 3. Kontur Pelelehan Radial (A)  Detik ke 2010, (B) Detik ke 3000, (C) Detik ke 4020
(A)                                                               (B)
(C)
Gambar 6 Kurva Suhu Aksial (A)4 L/min 75 o C, (B) 8 L/min 75 o C, (C) 12 L/min 75
o C
Urutan kenaikan suhu dimulai dari suhu yang posisinya paling dekat dengan lubang inlet  HTF  kemudian  disusul  dengan  garis  suhu  yang  letaknya  semakin  jauh  dari  HTF. Urutan kenaikan suhu tersebut adalah T3, T6, T7 dan terakhir T8.
Pada Gambar 7 terlihat pola kurva suhu T1,T2,T3,T4 dan T5 posisi radial ketika awal mula pemanasan hingga mencair PCM sempurna. Pada awal mula pemanasan  kurva T1 dan T5 berhimpit sangat dekat dengan menunjukan nilai suhu yang hampir sama. Hal ini disebabkan karena posisi T1 dan T5 sangat dekat dengan dinding wadah PCM dan juga peran  konduksi  pada  transfer  kalor  didalam  wadah  PCM  masih  besar. Namun  setelah semakin tebalnya lapisan lilin yang meleleh, peran konveksi natural untuk transfer kalor menjadi  lebih  dominan.  Sehingga  menyebabkan  bagian  atas  wadah  PCM  mengalami pelelehan terlebih dahulu. Hal ini pun juga menyebabkan T1 dan T5 tidak lagi berimpit. Selain  itu  pengaruh  konveksi  natural  juga  dirasakan  suhu  T4  yang  menyebabkan peningkatan pada bagian pertengahan kurva suhu radial.
0 10 20 30 40 50 60 70 0 2000 4000 6000 S uh u ( o C) Waktu (detik) T3 T6 T7 T8 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2000 4000 6000 S uh u ( o C) Waktu (detik) T3 T6 T7 T8 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2000 4000 6000 S uh u ( o C) Waktu (detik) T3 T6 T7 T8
(A)                                                                  (B)
(C)
Gambar 7 Kurva Suhu Radial (A)4 L/min 75 o C, (B) 8 L/min 75 o C, (C) 12 L/min 75
o C
Sehingga seperti yang sudah disebutkan sebelumnya efek dari konveksi natural menyebabkan  pelelehan  terjadi  lebih  dulu  pada  bagian  atas  wadah  PCM  dan  urutan kenaikan suhu nya adalah T4,T3 dan T2 seperti terlihat pada Gambar 7.
Melting time merupakan salah satu dari karakteristik pelelehan sebagaimana yang sudah disebutkan sebelumnya. Pengaruh variasi debit memang tidak signifikan terhadap kontur pelelehan namun hal ini pun juga tidak terlihat perbedaannya pada melting time. Pada Gambar 8 menunjukan pengaruh variasi debit terhadap melting time .
Gambar 8. Pengaruh Variasi Debit Inlet HTF Terhadap Melting Time .
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 S uh u ( o C) Waktu (detik) T1 T2 T3 T4 T5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 S uh u (o C ) Waktu (detik) T1 T2 T3 T4 T5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 S uh u ( o C) Waktu (detik) T1 T2 T3 T4 T5 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 5 10 15
M el ti n g T im e (de ti k) Debit (L/min) 60 C 75 C 90 C

## Kesimpulan
Dari  penelitian  ini  dapat  simpulkan  bahwa  secara  umum  variasi  debit  tidak mempengaruhi karakteristik pelelehan. Distribusi suhu aksial dan radial pada penelitian ini juga tidak memberikan dampak yang begitu signifikan hanya saja suhu yang paling dekat dengan dinding mengalami kenaikan terlebih dahulu. Proses perpindahan kalor yang terjadi pada wadah PCM mula-mula adalah konduksi. Seiring dengan semakin menebalnya lapisan lapisan PCM berbentuk cair, konveksi natural menjadi semakin dominan.

## DAFTAR PUSTAKA
Agyenim, F., Hewitt, N., Eames, P., & Smyth, M. (2010). A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable and Sustainable Energy Reviews , 14 (2),
615 –628. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.10.015
Al-Abidi, A. A., Bin Mat, S., Sopian, K., Sulaiman, M. Y., & Mohammed, A. T. (2013). CFD applications for latent heat thermal energy storage: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews , 20 , 353 –363.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.079
Anggara, F., Waluyo, J., Rohmat, T. A., Fauzun, Pranoto, I., Suhanan, … Ansyah, P. R.
(2018). Simulation and validation of PCM melting in concentric double pipe heat exchanger. AIP Conference Proceedings , 2001 . https://doi.org/10.1063/1.5049967 Ansyah, P. R., Waluyo, J., Suhanan, Najib, M., & Anggara, F. (2018). Thermal behavior of melting paraffin wax process in cylindrical capsule by experimental study,
020008 , 020008. https://doi.org/10.1063/1.5049968
Bechiri, M., & Mansouri, K. (2019). Study of heat and fluid flow during melting of PCM inside vertical cylindrical tube. International Journal of Thermal Sciences ,
135 (September 2018), 235 –246. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.09.017 Brent, A. D., Voller, V. R., & Reid, K. J. (1988). Enthalpy-porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal. Numerical Heat Transfer , 13 (3), 297 –318.
https://doi.org/10.1080/10407788808913615
Motahar, S., & Khodabandeh, R. (2016). Experimental study on the melting and solidification of a phase change material enhanced by heat pipe. International Communications in Heat and Mass Transfer , 73 , 1 –6.
https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.02.012
Pahamli, Y., Hosseini, M. J., Ranjbar, A. A., & Bahrampoury, R. (2018). Inner pipe downward movement effect on melting of PCM in a double pipe heat exchanger. Applied Mathematics and Computation , 316 , 30 –42.
https://doi.org/10.1016/j.amc.2017.07.066
Rösler, F., & Brüggemann, D. (2011). Shell-and-tube type latent heat thermal energy storage: Numerical analysis and comparison with experiments. Heat and Mass Transfer/Waerme- Und Stoffuebertragung , 47 (8), 1027 –1033. https://doi.org/10.1007/s00231-011-0866-9
Yusuf Yazici, M., Avci, M., Aydin, O., & Akgun, M. (2014). Effect of eccentricity on melting behavior of paraffin in a horizontal tube-in-shell storage unit: An experimental study. Solar Energy , 101 , 291 –298. https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.01.007