Peningkatan Kinerja Kolektor Surya Tipe V-Corrugated Absorber Plate Menggunakan Obstacle Yang Ditekuk Secara Vertikal

Handoyo, Ekadewi Anggraini (2014) Peningkatan Kinerja Kolektor Surya Tipe V-Corrugated Absorber Plate Menggunakan Obstacle Yang Ditekuk Secara Vertikal. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 2109301201_Desertation.pdf Download (6MB)

Abstract

Perpindahan kalor terjadi dalam berbagai proses seperti pemanasan, pengeringan, pemasakan, maupun pendinginan. Besar perpindahan kalor bergantung pada luasan, beda temperatur, sifat-sifat/properties media, bentuk geometri, dan mekanisme terjadinya perpindahan kalor tersebut. Salah satu peralatan penukar kalor yang menguntungkan dipakai di daerah tropis adalah kolektor surya. Fluida kerja yang umum dipakai dalam kolektor surya adalah air atau udara. Kolektor surya pemanas udara mempunyai banyak keuntungan dibandingkan pemanas air, seperti lebih ringan, tidak memiliki masalah dengan kebocoran, dan tidak bersifat korosif. Namun, udara mempunyai konduktivitas termal dan koefisien perpindahan kalor konveksi yang lebih rendah daripada air. Dua temuan yang terbukti dapat meningkatkan kinerja kolektor surya pemanas udara adalah: 1) plat penyerap v-corrugated sebagai pengganti plat datar, 2) penambahan obstaclesdalam aliran udara pada kolektor saluran plat datar. Namun, hingga saat ini belum ditemukan adanya penelitian yang menggabungkan keduanya. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui dampak penambahan obstacles terhadap kinerja kolektor surya pemanas udara dengan plat penyerap jenis v-corrugated. Penambahan obstacle dipilih dengan pertimbangan: dapat mengarahkan aliran ke plat penyerap dan meningkatkan turbulensi aliran dalam kolektor. Mengingat obstacle juga dapat menghambat aliran yang menyebabkan penurunan tekanan aliran yang besar, maka dalam penelitian ini juga diteliti pengaruh dari penekukan obstacle secara vertikal terhadap perpindahan kalor dan penurunan tekanan dalam kolektor surya.Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dan numerik. Simulasi numerik dengan Gambit 2.4.6 dan Fluent 6.3.26 dilakukan untuk aliran tanpa obstacle, aliran dengan obstaclelurus, obstacle dengan sudut tekuk 10o, 20o, 30o, dan 40o. Domain dari simulasi adalah aliran udara dalam saluran berpenampang segitiga. Langkah awal dari simulasi numerik adalah pengujian grid independency mesh yang dibangun dan validasi model viscous yang digunakan terhadap hasil eksperimen. Dari simulasi numerik didapatkan vektor kecepatan aliran ketika mendekati, mengenai, dan melalui obstacle. Aliran mengalami separasi ketika melalui obstacle dan mengalami olakan atau aliran balik di belakangnya. Aliran balik berkurang dengan ditekuknya obstacle. Di daerah yang terdapat aliran balik, vektor kecepatan di sisi dekat plat penyerap lebih tinggi. Hal ini menyebabkan perpindahan kalor konveksi meningkat dan temperatur udara ke luar saluran lebih tinggi ketika diberi obstacle, namun juga memperbesar penurunan tekanan. Obstacle yang ditekuk vertikal dengan sudut lebih besar membuat aliran balik berkurang dan vektor kecepatan di sisi dekat plat juga berkurang. Hal ini menyebabkan perpindahan kalor konveksi ke udara, temperatur udara ke luar saluran, dan penurunan tekanan aliran ikut berkurang ketika obstacle ditekuk dengan sudut besar. Distribusi temperatur aliran menunjukkan kenaikan temperatur di sepanjang saluran dengan temperatur udara di bagian yang menempel plat penyerap lebih tinggi. Sudut tekuk obstacle membuat temperatur udara ke luar saluran lebih rendah dibanding obstacle yang lurus. Obstacle yang lurus (0o) ketika ditambahkan dalam aliran membuat temperatur udara di dekat plat penyerap lebih cepat mencapai nilai temperatur ‘free stream’, T dan memberikan temperatur T yang tertinggi. Semakin besar sudut tekuk obstacle, semakin rendah T udara yang dihasilkan.Eksperimen dilakukan di dalam ruangan yang dikondisikan dengan empat lampu halogen sebagai sumber radiasi pengganti matahari. Pemasangan alat ukur dalam peralatan eksperimen mengikuti ketentuan ASHRAE. Sebuah blower digunakan untuk mengalirkan udara secara paksa. Eksperimen dilakukan untuk lima laju aliran udara, tiga intensitas radiasi, dan sembilan sudut tekuk obstacle yang berbeda. Agar hasil eksperimen dapat dibandingkan, maka laju aliran udara dalam saluran dijaga sama ketika eksperimen dilakukan untuk intensitas radiasi yang berbeda atau sudut tekuk obstacle yang berbeda. Pengaturan laju aliran dilakukan dengan menggunakan variable-frequency drive (VFD) untuk mengatur frekuensi putaran motor blower.Sedang empat dimmer terpisah digunakan untuk memastikan keseragaman intensitas radiasi di sepanjang kolektor. Variabel yang diukur adalah temperatur udara masuk dan ke luar kolektor, temperatur plat penyerap, kecepatan udara di keluaran, dan intensitas radiasi. Dari serangkaian eksperimen yang telah dilakukan pada aliran dengan bilangan Reynolds antara 2000 hingga 10000, didapatkan bahwa kenaikan temperatur udara tertinggi sebagai hasil perpindahan kalor dari plat penyerap, yaitu 34.9oC, dicapai ketika intensitas radiasi 716 W/m2, kecepatan udara dalam saluran 1.3 m/s (bilangan Reynolds 2000), dan diberi obstaclelurus yang dipasang dengan spasi 1x tinggi dengan penurunan tekanan aliran sebesar 6.5 Pa. Efisiensi kolektor tertinggi, yaitu 0.85, dicapai ketika intensitas radiasi 430 W/m2, kecepatan aliran udara dalam saluran 6.5 m/s (bilangan Reynolds 10000), dan diberi obstaclelurus yang dipasang dengan spasi 1x tinggi dengan penurunan tekanan aliran sebesar 409 Pa. Efisiensi kolektor berkurang ketika obstacle ditekuk, tetapi penurunan tekanan juga menjadi berkurang. Untuk mencari sudut tekuk obstacle yang optimal dibuat rasio (P/Eff).Kinerja optimal kolektor ditandai dengan rasio (P/Eff) yang tinggi. Obstacle yang memberikan kinerja optimal adalah ketika ditekuk dengan sudut 30o. Dari eksperimen yang dilakukan, persamaan empiris yang menghubungkan bilangan Nusselt dengan bilangan Reynolds dan Prandtl untuk aliran dengan obstacle yang ditekuk 30oadalah: Nu = 0.00064 Re1.386 Pr0.4
====================================================================================================================================
Heat transfer is involved in some processes such as heating, drying, cooking, and cooling. The amount of heat transferred depends on the area, temperature difference, fluid properties, geometry of duct, and heat transferred mechanism. An advantageous heat exchanger for tropical country is a solar collector. Water or air is the common fluid heated in the collector. The air solar heater is better in some ways compare to water solar heater, such as it is lighter, no leakage problem, and not corrosive. Unfortunately, air has much less thermal conductivity and convection heat transfer coefficient than water. Two of many findings that are proven able to improve the air solar heater’s performance are: 1) using v-corrugated absorber plate instead of flat plate, 2) inserting obstacles in a flat plate air solar collector. Yet, no research was conducted to combine both. This research was done to find the effect of inserting obstacles on the bottom plate to the performance of a v-corrugated-air solar heater. Obstacles are chosen because it directs the flow toward the absorber plate and increase the turbulence in the air flow. Since obstacles increase the pressure drop, it will be better if we fold the obstacles. So, the effect of folding obstacles vertically on the heat transfer and pressure drop inside air collector is observed in this research, too. The research was conducted experimentally and numerically. Gambit 2.4.6 and Fluent 6.3.26 are used for numeric simulation. The simulation was conducted for no obstacle-air flow, straight (0o) obstacle air flow, and other obstacle angles, i.e. 10o, 20o, 30o, and 40o. Domain of the numerical simulation is the same as for the experimental studies. It is air flow in a duct which cross section is triangle. The duct is comprised of absorber plate in upper and a flat plate in bottom. The first step in numerical simulation is ensuring the grid independency and then choosing the suitable viscous model. When the grid size does not change the result of simulation, then it satisfies the gr ndependency. The suitable viscous model is chosen when it gives the same result with experiments. Numerical simulation gives detail velocity vector of air flow when it is near, struck, and over the obstacles. The flow separation happens near the tip of the obstacles and the vortex is formed at the downstream of the obstacles. Vortex formation is reduced when the obstacle is folded vertically. The velocity vector of air between the tip of obstacles and absorber plate is high in downstream of the flow where vortex happens. This high velocity improves the convection heat transfer and increases the outlet air temperature when obstacles are inserted in the flow. Yet, obstacles increase the pressure drop, too. The larger the angle of obsacles folded vertically, less vortex and lower velocity near plate is found. These makes convection heat transfer, outlet air temperature, and pressure drop are reduced when obstacles folded with large angle. Temperature distribution show the temperature increase along the duct. Obstacles folded vertically lower the outlet air temperature compare to straight obstacles. The temperature distribution shows that air temperature reaches its ”free stream” temperature (T) faster with straight (0o) obstacles than folded obstacles. The larger the angle of obstacles, the lower the air free stream temperature T.Experiment conducted indoor to maintain the room in fix condition. Four halogen lamps are used to replace Solar with four adjuster separately to emit the same radiation on the cover glass. The measurement devices are installed complied with ASHRAE’s regulation. A blower is used to draw air. There will be five different air flow rates, three different radiation intensities, and nine different obstacle angle. A variable-frequency drive (VFD) is used to adjust the rotation of blower’s motor to maintain the same air flow rate during an experiment. The variables to be measured are inlet and outlet air temperature, absorber plate temperature, air velocity at outlet, and radiation intensity. Fro xperiments conducted between 2,000 and 10,000, it was found that the highest air temperature was 34.9oC. It happened when the radiation intensity was 716 W/m2, Reynolds number was 2,000 with straight obstacle which spacing is 1 x its height and gave 6.5 Pa of pressure drop. The highest efficiency was 0.85 when the the radiation intensity was 430 W/m2, Reynolds number was 10,000 with straight obstacle which spacing is 1 x its height and gave 409 Pa of pressure drop. The collector’s efficiency is reduced when the obstacle is folded, but its pressure drop is reduced, too. A rasio (P/Eff) is created to obtain the optimal obstacle’s angle. The high rasio shows the optimal collector. From the experiment, it was found that the optimal angle is 30o. From the experiment, the empirical equation of Nusselt number as a function of Reynolds and Prandtl numbers for air flow with 30o obstacle folded vertically is Nu = 0.00064 Re1.386 Pr0.4.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Additional Information:	RDM 621.472 Han p
Subjects:	T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ810.5 Solar energy
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Mechanical Engineering > 21001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Mr. Marsudiyana -
Date Deposited:	25 May 2023 07:14
Last Modified:	07 Jun 2023 07:56
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/98002

Actions (login required)

View Item