Karakteristik Perpindahan Panas Peleburan Parafin-Al2O3

Sebagai Material Penyimpan Panas

Dailami

1, Hamdani

2, Ahmad Syuhada

2, Irwansyah

2

1) Program Magister Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Syiah Kuala

2) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, (23111 )

Jln. Syech Abdul Rauf No.7 Banda Aceh, e-mail : hamdani_umar@yahoo.com

Abstrak

Pemanfaatan energi surya secara optimal sebagai energi alternatif masih terkendala akibat perubahan

lingkungan, geografis dan sifat radiasi surya yang tidak berlangsung terus menerus. Perkembangan teknologi

penyimpan energi surya memperlihatkan prestasi yang menjanjikan untuk mengatasi permasalahan tersebut.

Diantara teknologi yang popular adalah penggunaan material berubah fasa (phase change material, PCM)

sebagai media penyimpan energi surya dalam bentuk panas laten. Namun demikian, material tersebut

memiliki konduktivitas termal yang rendah sehingga mempengaruhi daya penyimpanan panas dan membatasi

penerapannya pada beragam aplikasi. Tujuan penelitian ini untuk mempelajari karakteristik perpindahan

panas peleburan material paraffin yang ditaburi partikel Al2O3. Penelitian ini dilaksanakan dengan terlebih

dahulu melakukan pengujian sifat termal lilin parafin (paraffin wax) sebagai material penyimpan panas

menggunakan peralatan DSC (Differential Scanning Calorimetry). Dilanjutkan dengan persiapan dan

pengujian karakteristik perpindahan panas peleburan material penyimpan panas yang ditaburi partikel

alumina (Al2O3) dengan perbedaan fraksi massa 2%, 4%, 6%, 8% dan 10%. Berdasarkan hasil pengujian

ditemukan bahwa lilin paraffin-Al2O3 memiliki kapasitas penyimpan panas yang kecil dibandingkan dengan

lilin parafin, akan tetapi memiliki laju perpindahan panas yang lebih tinggi. Pada material lilin paraffin,

perpindahan panas yang terjadi selama proses peleburan dan solidifikasi didominasi oleh perpindahan panas

konduksi. Sedangkan pada material lilin parafin-4% Al2O3, didominasi perpindahan panas konveksi.

Pengaruh partikel alumina terhadap konduktivitas termal teramati jelas dalam proses solidifikasi

dibandingkan pada proses peleburan (melting). Hal ini disebabkan pada proses solidifikasi perpindahan panas

sangat didominasi oleh konduksi.

Kata kunci: penyimpan energi surya, paraffin-Al2O3, laju perpindahan panas

Notasi:

Q jumlah energi panas yang disimpan atau

dilepaskan dalam bentuk panas sensibel (kJ),

Ti suhu awal (℃),

Tf suhu akhir (℃),

m massa bahan yang digunakan untuk

menyimpan energi termal (kg),

Cp panas jenis bahan yang digunakan untuk

menyimpan energi panas (kJ/kg.℃ )

hm panas laten fusi atau penguapan (kJ/kg).

Pemanfaatan energi terbarukan sebagai penyedia

energi ditujukan untuk mengurangi biaya awal dan

mengurangi dampak lingkungan yang diakibatkan

oleh pengggunaan bahan bakar fosil (Sharma et al,

2009). Salah satu pemanfaatan energi terbarukan

yang paling banyak digunakan adalah pemanfaatan

energi surya untuk penghasil energi listrik atau

sebagai pemanas air (Buddhi D, 1977). Namun,

masalah utama pada pemanfaatan energi surya

adalah sifat radiasi surya yang intermiten, dan

besarnya radiasi yang tersedia dipengaruhi oleh

waktu, kondisi cuaca dan posisi lintang. Untuk

pemecahan permasalahan tersebut, teknologi yang

dianggap sangat cocok adalah penyimpanan energi

termal (Thermal Energy Storage, TES) (Sharma et

al, 2009). Sistem ini terdiri dari material dengan

massa tertentu yang mampu menyimpan energi

termal dalam bentuk panas atau dingin.

Pada dasarnya penyimpan energi termal dapat

diklasifikasikan sebagai penyimpan energi dalam

bentuk panas laten, panas sensibel dan termo-

kimia. Diantara jenis penyimpanan energi tersebut,

yang paling menarik adalah penyimpan energi dalam

bentuk panas laten menggunakan materi perubahan

fasa (phase change material, PCM). Keuntungan

menggunakan material perubah fasa adalah mampu

menyimpan kalor dalam kapasitas besar dengan

volume material yang kecil dan proses penyerapan

dan pengeluaran energi panas terjadi pada

temperatur yang hampir konstan (Buddhi D, 1977).

Dalam sistem penyimpanan energi panas laten,

salah satu elemen penting adalah material

penyimpan kalor. Kebanyakan kajian dilakukan

untuk pemanfaatan material penyimpan panas dari

hidrat garam, parafin, dan senyawa organik

(Abhat,1981). Namun, material tersebut memiliki

konduktivitas termal yang rendah dan sehingga

membutuhkan waktu yang cukup untuk proses

peleburan dan pemadatan, yang mengurangi daya

keseluruhan dari perangkat penyimpanan panas dan

dengan demikian akan membatasi aplikasi (Buddhi

D, 1977).. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai

penelitian telah dilakukan untuk mengidentifikasi

konsep-konsep peningkatan laju perpindahan panas,

diantarannya menggunakan pengaduk, atau

mengalirkan slurry dalam alat penukar panas. Akan

tetapi, metode ini akan meningkatkan biaya

pembuatan alat penukar kalor dan menambah

kompleknya pembuatan unit penyimpanan energi

termal.

Berdasarkan pertimbangan diatas dapat

disimpulkan bahwa masih diperlukan penelitian

lanjutan guna melakukan kajian peningkatkan laju

perpindahan panas dalam material penyimpan energi

dalam bentuk panas laten. Penelitian tersebut dapat

diarahkan pada pemilihan material dan perancangan

alat penukar kalor. Pada penelitian ini akan

dilakukan kajian peningkatan konduktivitas termal

lilin paraffin (paraffin wa) sebagai material

penyimpan kalor dengan cara menyebarkan partikel

alumina (Al2O3) dalam lilin parafin. Untuk

memperoleh informasi kehandalan lilin parafin-

partikel alumina sebagai material penyimpan panas

akan dikembangkan alat uji berupa alat penukar

panas untuk mengetahui kemampuan penyimpanan

kalor melalui siklus termal penyerapan dan

pengeluaran kalor.

Penyimpan Energi Panas

Energi panas dapat disimpan dalam bentuk panas

sensibel dan panas laten atau gabungan panas

sensibel dan panas laten. Pada penyimpan panas

sensibel energi panas disimpan dengan menaikkan

temperatur suatu medium padat atau cair dengan

menggunakan kapasitas panas yang dimiliki bahan.

Jumlah energi panas yang tersimpan dalam bentuk

panas sensibel dapat dihitung dengan :

∫

……………………...…….. (1)

Mengacu pada persamaan (1) terlihat bahwa

jumlah energi panas yang tersimpan dalam bentuk

panas sensibel tergantung pada massa, nilai panas

spesifik dari bahan yang digunakan untuk

menyimpan energi panas dan perubahan suhu. Pada

prinsipnya penyimpan panas laten adalah

menyimpan panas memanfaatkan panas laten dari

bahan. Panas laten adalah jumlah panas yang diserap

atau dilepaskan selama perubahan fasa dari material

penyimpan panas.Ada dua jenis panas laten, panas

laten fusi dan panas laten penguapan. Panas laten

fusi adalah jumlah panas yang diserap atau

dilepaskan ketika perubahan fase padat ke fase cair

material atau sebaliknya, sedangkan panas laten

penguapan adalah jumlah energi panas yang diserap

atau dilepaskan ketika perubahan fase cair ke fase

uap material atau sebaliknya. Jumlah energi panas

yang tersimpan dalam bentuk panas laten dalam

suatu material dapat dihitung dengan:

∫

∫

(2)

Persamaan (2) menjelaskan bahwa jumlah energi

panas yang tersimpan sebagai panas laten tergantung

pada massa dan nilai panas laten dari bahan yang

digunakan. Bahan yang digunakan untuk

menyimpan panas energi dalam bentuk panas laten

disebut material berubah fasa (phase change

material, PCM).

Perbandingan Penyimpan Panas Laten dengan

Penyimpan Panas Sensibel

Pada penyimpan panas laten volume yang

dibutuhkan lebih kecil dibandingkan dengan

penyimpan panas sensibel. Penyimpan panas laten

mampu menyimpan sebagian besar energi panas

dengan perubahan temperatur yang kecil, akan tetapi

aplikasi penyimpan panas laten masih menghadapi

banyak kendala seperti tingginya harga material

penyimpan panas laten, stabilitas sifat-sifat

termodinamik material setelah mengalami siklus dan

konduktivitas termal material yang rendah.

Material Penyimpan Panas Laten

Semua material dapat digolongkan sebaga

material berubah fasa, yang membedakan hanyalah

adalah temperatur perubahan fasa. Masing-masing

material memiliki temperature perubahan fasa yang

berbeda. Hal yang penting dalam memilih material

penyimpan panas panas laten adalah temperature

berubah fasa yang sesuai dengan range temperature

aplikasinya. Oleh karena itu, tidak ada material

yang spesifik yang disebut sebagai material ideal

untuk digunakan sebagai material perubah fasa [1].

Peningkatan Konduktivitas Termal Material

Penyimpan Panas Laten

Banyak penelitian yang telah dilakukan dalam

usaha peningkatan konduktivitas panas PCM,

diantaranya dengan membubuhkan material additive.

Namun sampai saat ini masih sangat terbatas

literatur yang menjelaskan secara detail metode

tersebut. Hoover et al, merupakan kelompok peneliti

pertama yang berusaha menggunakan partikel

terdispersi untuk meningkatkan konduktivitas panas

PCM (LiNO3-3H2O), partikel yang digunakan bubuk

aluminium dan bubuk alumina (Al2O3).

Chow et al, mengusulkan dua teknik untuk

meningkatkan konduktivitas termal material

penyimpan panas menggunakan Li untuk aplikasi

pada suhu tinggi. Ide dari teknik peningkatan

pertama adalah menggunakan bentuk wadah yang

berbeda untuk merangkum PCM berbasis LiH. Pada

lapisan antar permukaan di isi dengan logam Li.

Teknik peningkatan kedua mengusulkan komposit

yang terdiri dari logam Ni dan LiH. Hasil

menunjukkan bahwa kedua teknik tersebut ternyata

dapat meningkatkan konduktivitas termal dari PCM

asli.

Hal ini menunjukkan dengan jelas bahwa ide

untuk menggunakan komposit PCM mungkin

menjadi cara yang efektif untuk lebih meningkatkan

konduktivitas termal dari PCM asli. Baru-baru ini,

Mettawee dan Assassa, menyiapkan komposit dari

lilin parafin melalui pemenambahan bubuk

aluminium berukuran mikron (80 m).

PCM komposit ini kemudian diuji di satu sektor dari

kolektor surya kompak. Telah diamati bahwa waktu

pengisian panas (pada temperatur leleh) karena

pemanfaatan komposit 0,5% berat menurun sebesar

60%. Ho dan Gao, menaburkan nanopartikel

alumina (Al2O3) dalam n-octadecane (C18H38).

Konduktivitas termal dari sampel NePCM (0,5 dan

10% berat) diukur dengan menggunakan teknik

THW. Nilai-nilai konduktivitas termal hasil

pengukuran pada temperatur dan fraksi massa yang

berbeda. Peningkatan konduktivitas termal secara

konsisten diamati sebagai fraksi massa dinaikkan

pada suhu konstan. Tingkat peningkatan juga

diamati lebih besar pada suhu yang lebih tinggi.

Alumina (Al2O3) adalah salah satu dari nanopartikel

yang paling umum dan murah digunakan oleh

banyak peneliti dalam penyelidikan eksperimental

mereka.

Metodologi Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan dalam tahap

pengujian sifat termal lilin parafin (paraffin wax)

sebagai material penyimpan panas menggunakan

peralatan DSC (Differential Scanning Calorimetry).

Dilanjutkan dengan tahap penyiapan material

penyimpan panas yang dilengkapi dengan partikel

alumina (Al2O3) sebagai material pengisi untuk

meningkatkan konduktivitas termal material.

Usaha peningkatan konduktivitas dilakukan

dengan menaburkan partikel Al2O3 dalam lilin

parafin. Partikel Al2O3 yang digunakan adalah

partikel alumina yang dijual bebas dipasaran. Data

sifat-sifat fisik dan kimia untuk partikel alumina

(Al2O3) dirujuk pada literatur. Penyiapan material

penyimpan panas lilin parafin-partikel alumina

dimulai dengan memanaskan lilin parafin pada

temperatur konstan 10 oC diatas temperatur leleh

lilin parafin. Setelah lilin parafin mencair seluruhnya

kemudian partikel alumina ditabur dengan menjaga

terjadinya penyebaran yang merata. Perbandingan

fraksi volume partikel alumina yang digunakan

adalah 2%, 4%, 6%, 8% dan 10%.

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas

Material Penyimpan Panas

Salah satu tujuan penelitian ini adalah untuk

mempelajari karakteristik perpindahan panas

penggunaan lilin paraffin-partikel alumina (Al2O3)

sebagai material penyimpan panas. Untuk mencapai

tujuan tersebut akan buat alat uji berupa alat penukar

kalor tabung persegi empat yang dilengkapi dengan

pipa penghantar fluida pemanas. Komponen utama

peralatan uji yang digunakan terdiri dari alat penukar

kalor, tabung pemanas air, pompa, akusisi data dan

komputer. Gambar 1, memperlihatkan secara

lengkap rangkaian peralatan uji yang digunakan.

Hasil dan Pembahasan

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini berupa data

hasil pengujian menggunakan DSC berupa

temperatur lelah, entalpi panas laten dan kapasitas

panas lilin parafin sebagaimana ditunjukkan dalam

gambar 2 dan 3.

Gambar 2.

Hasil

Penukar Panas

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

Pencatat Data

Komputer

Termometer Pemanas Air Pengukur Aliran

Bejana Air Panas Bejana Air Dingin Pompa

Gambar 1. Sketsa perangkat pengujian karakteristik perpindahan panas

pengujian DSC untuk temperatur leleh

dan entalpi laten lilin parafin

Gambar 3. Hasil pengujian DSC untuk kapasitas

panas lilin parafin

Karakteristik perpindahan panas material penyimpan

panas ditunjukkan dalam bentuk perubahan

temperatur material pada proses peleburan dan

pembekuan. Hasil pengujian menggunakan lilin

parafin sebagai matetrial penyimpan panas

ditunjukkan dalam gambar 4.

Gambar 4. Distribusi temperatur parafin

Berdasarkan grafik tersebut terlihat bahwa, pada

awal pemanasan, hasil pengukuran T3 dan T6

menunjukkan temperatur meningkat secara cepat

sampai pada temperatur luluh parafin dan kenaikan

temperatur mulai melambat.

Hal ini dapat dinyatakan bahwa pada awal

pemanasan, lilin parafin menyerap panas sensibel

dan kemudian diikuti oleh penyerapan panas laten

yang berlangsung pada temperatur hampir konstan.

Grafik tersebut juga memperlihatkan perpindahan

panas yang terjadi selama proses peleburan sangat

didominasi oleh perpindahan panas konduksi.

Sedangkan pada proses pembekuan, temperatur

parafin menurun dengan cepat, dan perpindahan

panas seluruhnya terjadi secara konduksi.

Gambar 5. Distribusi temperatur lilin parafin - 4%

Al2O3

Namun demikian, karakteristik perpindahan

panas lilin parafin dengan sebaran dispersi - 4%

Al2O3 menunjukkan bahwa pada saat awal proses

pemanasan, temperatur PCM meningkat dengan

cepat sampai temperatur leleh parafin dan setelah

temperatur mencapai 60 oC, kenaikan temperatur

cererung konstan, sebagaimana diperlihatkan pada

gambar 5. Hal ini menunjukkan bahwa setelah PCM

melebur dan mencapai fasa cair, perpindahan panas

yang dominan terjadi adalah perpindahan panas

konveksi.Berdasarkan grafik juga terlihat temperatur

pada T1 dan T2 tidak mencapai 55 oC, hal ini juga

membuktikan bahwa PCM yang berada pada bagian

atas pipa telah mencair seluruhnya dan akibat

adanya konveksi alamiah dalam fasa cair yang

mengakibatkan pergerakan fluida ke bagian atas

menuju permukaan tabung penukar panas.

Berdasarkan hasil pengujian yang ditunjukkan

dapat disimpulkan bahwa pengaruh partikel alumina

jauh lebih jelas dalam proses pemadatan dari pada

proses peleburan. Karena, pada proses menjadi

padat, perpindahan panas didominasi oleh konduksi.

Disamping itu, selama proses menjadi padatan,

lapisan padat terbentuk dari permukaan perpindahan

panas dan tetap bergerak dengan pola sejajar.

Meskipun konveksi alami terjadi pada PCM cair di

tahap sebelumnya, laju perpindahan panas ini

berkurang cepat karena proses menjadi padatan

berlangsung dan modus perpindahan panas menjadi

didominasi oleh perpindahan panas konduksi.

Kesimpulan

1. Penambahan partikel yang memiliki

kondukstivitas termal tinggi, akan mampu

meningkatkan konduktivitas termal lilin parafin,

untuk pemakaian sebagai material penyimpan

panas.

2. Penambahan partikel yang memiliki

kondukstivitas termal tinggi, akan menurunkan

panas laten material penyimpan panas, dan hal

ini juga mengakibatkan perpindahan panas yang

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5000 10000 15000 20000 25000

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (s)

T air masuk

T1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10000 20000 30000

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (s)

T air masuk T1T2 T3T4 T5

terjadi selama proses peleburan dan pemadatan

didominasi oleh perpindahan panas konduksi.

3. Pengaruh partikel alumina jauh lebih jelas

teramati pada proses solidifikasi dari pada proses

peleburan. Karena, proses solidifikasi,

berlawanan dengan proses peleburan, yang

didominasi oleh konduksi. 4. Partikel yang terdispersi pada PCM,

dibandingkan dengan PCM tanpa partikel, dapat

memiliki tingkat ekstraksi panas jauh lebih tinggi

selama proses solidifikasi karena panas laten

yang lebih rendah dan konduktivitas termal lebih

tinggi.

Daftar Pustaka

Sharma A, V.V. Tyagi, C.R. Chen D. Buddhi.,

Review on thermal energy storage with phase

change materials and applications’, Renewable

and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318–

345

Buddhi D. Thermal performance of a shell and tube

PCM storage heat exchanger for industrial waste

heat recovery. Presented at solar world congress,

Taejon, Korea, August 24–30, 1977.

Abhat A. Performance studies of a finned heat pipe

latent heat thermal energy storage system. Sun,

NY: Pergamon Press; 1981. pp. 541–546.

Maccracken CD. PCM bulk storage. In:

Proceedings of the international conference on

energy storage; 1981. p. 159–65.

Smith RN, Ebersole TE, Griffin FP. Solar Energy

Eng 1980;102:112.

Morcos VH. Investigation of a latent heat thermal

energy storage system. Solar Wind Technol, Vol.

7 (2/3), pp. 197–202, 1990.

Mettawee Eman-Bellah S. and Assassa Ghazy

M.R.,“Thermal Conductivity Enhancement in a

Latent Heat Storage System’’, Solar Energy, Vol.

81, pp. 839-845, 2007.

Agyenim Francis, Eames Philip, and Smyth

Mervyn,“Experimental Study on the Melting and

Solidification Behaviour of a Medium

Temperature Phase Change Storage Material

(Erythritol) System Augmented with Fins to

Power a LiBr/H2O Absorption Cooling System’’,

Renewable Energy, Vol. 36, pp. 108-117, 2011.

Arasu.A.V, Agus P.Sasmito, A.S.Mujamdar.’

Numerical Performance Study Of Paraffin Wax

Dispersed With Alumina In A Concentric Pipe

Latent Heat Storage System