Konveksi Paksa Internal: Logarithmic Mean Temperature Diffference (LMTD)

Sebelumnya kita telah membahas konveksi paksa internal dengan asumsi fluks kalor konstan, yaitu fluks aliran kalor antara permukaan pipa dan fluida dianggap konstan. Kali in kita akan membahas tentang konveksi paksa internal dengan asumsi temperatur permukaan pipa konstan. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah ini:

Dalam kasus ini temperatur permukaan pipa dia

sumsikan sama sepanjang pipa. Karena temperatur pipa berbeda dengan temperatur fluida yang mengalir maka terjadilah perpindahan kalor antara pipa dan fluida secara konveksi. Besarnya konveksi kalor ini disederhanakan dengan hukum pendinginan Newton, yaitu:

Pada kasus ini, temperatur pipa konstan sepanjang pipa namun temperatur fluida tidak konstan. Misalnya suhu pipa lebih tinggi dibandingkan suhu fluida yang masuk, maka fluida akan mengalami pemanasan sepanjang pipa. Artinya semankin jauh fluida mengalir di pipa maka temperatunya semakin tinggi mendekati temperatur pipa. Dalam persamaan di atas, ΔT adalah perbedaan temperatur antara permukaan pipa dan fluida. Akibatnya ΔT saat masuk akan berbeda dengan ΔT saat keluar pipa karena temperatur fluida berubah sepanjang pipa. Lalu, bagaimana menentukan (ΔT)_avg ini? Setidaknya ada dua pendekatan untuk hal seperti ini: yaitu dengan aritmatika sederhana dan dengan menerapkan kesetimbangan energi.

Pendekatan aritmatika

Perhitungan (ΔT)_avg dengan pedekatan pertama hanyalah dengan merata-ratakan perbedan tempeartur saat masuk dan keluar atau dapat dituliskan:

Dengan cara seperti ini maka temperatur fluida dianggap naik secara linear sepanjang pipa. Hal seperti ini mungkin dapat dikatakan sangat jarang terjadi. Oleh karena itu kita bisa gunakan pendekatan kedua, yaitu dengan menggunakan kesetimbangan energi, atau lebih dikenal dengang logarithmic mean temperature difference (LMTD).

logarithmic mean temperature difference (LMTD).

Dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi maka berlaku seperti ini:

Perbedaan antara kedua ΔT tersebut dapat digambarkan oleh grafik dibawah ini:

 

Konveksi paksa internal: Fluks kalor konstan

Ketika fluida dialirkan melalui pipa yang memiliki temperatur berbeda dengan fluida, maka terjadilah perpindahan kalor antara keduanya. Perpindahan kalor ini disebut dengan konveksi paksa internal. Karena perpindahan kalor inilah temperatur fluida saat masuk menjadi berbeda dengan temperatur fluida saat keluar pipa. Sebagai contoh: air dingin yang mengalir melalui pipa yang panas akan naik temperaturnya saat keluar dari pipa tersebut. Air ini menerima kalor dari permukaan pipa yang panas. Oleh karena itu berlaku hubungan seperti ini:

Untuk penyederhaan ada dua tipe perpinahan kalor secara konveksi paksa internal, yaitu: fluks kalor konstan dan temperatur permukaan konstan. Fluks kalor adalah besarnya kalor yang berpindah dari permukaan ke fluida untuk setiap satu satuan luas, sehingga dapat dituliskan seperti ini:

Oleh karena itu untuk hubungan antara aliran kalor dan fluidanya adalah sebagai berikut:

Untuk lebih jelasnya mari kita kerjakan contoh soal berikut:

Sebuah pipa panas yang berfungsi sebagai pemanas (water heater) dengan flux panas 1000 W/m2 teraliri air dengan debit 0.1 m³/jam. Pipa tersebut memiliki panjang 1 m dengan diameter 2 inci. Jika pada saat masuk air bertemperatur 25 ^oC maka berapa temperatur air saat keluar dari pemanas tersebut?

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

 

Konveksi paksa internal: Aliran dalam pipa

Konveksi paksa internal terjadi pada aliran fluida yang mengalir di sebuah saluran seperti ducting atau pipa. Oleh karena itu pemahaman tentang aliran fluida dalam pipa perlu dibahas terlebih darhulu.

Aliran Turbulen dan Laminar

Ada dua jenis tipe aliran dalam pipa yaitu: laminar dan turbulen. Pada aliran laminar, pergerakan molekul fluida terjadi secara teratur. Sebaliknya, aliran fluida menjadi acak pada aliran turbulen. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini..

Aliran laminar dan turbulen (sumber gambar: https://www.cfdsupport.com/)

Terjadinya kedua tipe aliran ini dikarenakan banyak faktor antara lain geometri pipa, viskositas fluida, kecepatan fluida, jenis fluida, dan lain-lain. Bilangan Reynold sering kali digunakan untuk menntukan apakah aliran dalam pipa menjadi turbulen atau laminar. Bilangan Reynold sendiri adalah sebuah bilangan tak berdimensi yang merupakan rasio antara gaya inersia dang gaya viskos, yaitu:

Untuk saluran yang bernampang tidak bulat (contoh: ducting), maka besarnya diameter hidrolik adalah:

Dengan A adalah luas penampang saluran dan p adalah keliling penampang pipa.

Hampir semua kondisi aliran dalam pipa berlaku bahwa bilangan Reynold kritisnya adalah 2300. Artinya jika sebuah aliran memiliki bilangag Reynold kurang dari 2300, maka aliran tersebut menjadi laminar. Sebaliknya, jika aliran fluida memiliki bilangan Reynold lebih dari 2300, maka di anggap turbulen.

Daerah masukkan (Entrance Region)

Pada saat aliran fluida memasuki pipa, maka profil kecepatannya tidak langsung terbentuk. Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini. Ketika aliran fluida memasuki pipa, kecepatan aliran sepanjang sumbu arah jari-jari adalah sama. Maksudnya adalah kecepatan aliran di tengah pipa maupun di dekat dengan dinding pipa masih sama. Namun, seiring bergeraknya fluida di sepanjang pipa maka profil kecepatan mulai berubah. Jarak yang diperlukan fluida dari saat masuk ke pipa hingga terbentuk profil kecepatan tidak berubah dinamakan daerah masukkan (entrance region). Daerah setelah profol kecepatan tidak berubah dinamakan daerah terbangun penuh (fully developed region). Tidak hanya kecepatan, profil temperatur juga memiliki entrance region dan fully developed region.  

Aliran dalam pipa (sumber gambar: Wikipedia.org & researchgate.net)

Panjang entrance region ini secara empiris dapat ditentukan dengan rumus berikut:

Untuk lebih jelasnya mari kita bahas contoh soal berikut:

Air mengalir dalam sebuah pipa berdiameter 2 inci dengan kecepatan 5 m/s. Jika bilangan Prandtl  air adalah 6.14, massa jenis air 1000 kg/m³ dan viskositas dinamisnya 0.891 x 10^-3 kg/m.s, Tentukan

1. Bilangan Reynold
2. Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk kecepatan fluida
3. Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk temperatur

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Konveksi paksa eksternal

Konveksi paksa adalah perpindahaan kalor secara konveksi yang pergerakan molekul mediunnya tejadi karena gaya eksternal seperti kipas atau pompa. Konveksi paksa dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu eksternal dan internal. Untuk lebih jelasnya lihat bagan di bawah ini.

Kali ini kita akan membahas tentang konveksi paksa eksternal. Kenapa dinamakan eksternal? Karena aliran fluidanya tidak berada dalam sebuah saluran (kanal), melainkan di geometri yang terbuka. Perhatikan gambar di bawah ini:

Aliran fluida pada pelat horizontal

Pada gambar terlihat sebuah aliran udara (gas) yang melewati pelat horizontal. Saat sebelum memasuki area pelat, kecepatan udara seragam sepanjang sumbu y. Namun, begitu memasuki area pelat, maka udara yang paling bawah (menempel dengan permukaan pelat) diasumsikan diam (tidak bergerak). Hal ini disebut dengan (no slip condition). Lalu, bagian atasnya bergerak dengan kecepatan rendah. Bagian atasnya lagi bergerak lebih cepat dibandingkan dibawahnya, Begitu seterusnya hingga kecepatan udaranya sama dengan kecepatan udara saat sebelum memasuki wilayah pelat. Hal ini dikarenakan oleh sifat viskositas dari fluida. Garis batas antara kecepetan yang masih terpengearuh oleh keberadaan pelat dan tidak dinamakan boundary layer. Saat mulai masuk ke area pelat, aliran fluida membentuk lapisan-lapisan kecepatan yang teratur, jenis aliran ini dinamakan aliran laminar. Namun seiring berjalannya udara di atas pelat, maka aliran fluida mulai tidak teratur, jenis aliran ini dinamakan aliran turbulen. Untuk menentukan di mana aliran mulai berubah menjadi tidak laminar lagi, digunakanlah konsep bilangan Reynold, yaitu rasio antara gaya inersia dan gaya viskos. Untuk kasus pleat seperti ini, aliran akan mulai tidak laminar lagi jika bilangan Reynoldnya lebih dari 5 x 10⁵.  

Mari kita kerjakan contoh kasus berikut:

Sebuah plat horizontal sepanjang 5 meter memiliki lebar 50 cm. Plat ini kemudian daliri oleh udara dengan kecepatan 2 m/s. Apakah aliran udara menjadi turbulen? Jika iya, tentukanlah jarak dari ujung pelat hingga posisi aliran udara menjadi turbulen!

Jawaban:

Karena di dapat bahwa aliran akan menjadi turbulen jika panjang pelat setidaknya 3.95 m, sedangkan panjang pelat pada kasus ini adalah 5 m, maka Ya aliran akan menjadi turbulen. Jarak dari ujung pelat hingga posisi aliran menjadi turbulen adalah 3.95 m.

Pembahasan di atas belum memperhitungkan perpindahan kalor. Untuk kasus konveksi paksa eksternal dengan geometri pelat sejajar, maka bilangan Nusseltnya dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini:

Untuk lebih jelasnya mari kita kerjakan contoh soal berikut:

Minyak pada temperature 60 ^oC mengalir diatas sebuah plat sepanjang 5 m dengan lebar 1 m. Plat bertermperatur 20 ^oC dan minyak mengalir kecepatan 2 m/s. Tentukan laju aliran kalor dari proses ini!

Jawaban:

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

 

Konveksi Kalor: Bilangan Nusselt

Konveksi kalor secara sederhana dapat dirumuskan dengan menggunakan hukum pendinginan Newton, yaitu:

Yang jadi permasalahan dalam konveksi adalah penentuan besarnya koefsien konveksi (h). Konveksi kalor melibatkan pergerakan fluida sehingga analisisnya menjadi sangat rumit. Setidaknya ada dua metode untuk menghitung perpindahan kalor secara konveksi, yaitu secara analitik dan empirik. Untuk metode yang pertama (analitik), perhitungannya membutuhkan perangkat komputer karena harus menyelesaiakan beberapa persamaan differensial yang cukup rumit. Sedangkan metode kedua (empiris), perhitungannya lebih sederhana namun rumus-rumus yang digunakan hanya berlaku untuk kasus-kasus tertentu saja. Yang akan dibahas kali ini adalah penyelesaian persolanan konveksi kalor secara empirik.

Sebelum membahas lebih jauh mengenai konveksi, perhatikan gambar berikut ini. Anggapalah ada dua buah permukaan dengan temperatur yang berbeda yaitu T1 dan T2 yang diantaranya terdapat fluida. Jika T2 lebih tinggi dari pada T1 maka terjadilah aliran kalor ke atas (dari permukaan 2 ke permukaan 1). Apakah perpindahan kalor ini terjadi secara konveksi atau konduksi? Jawabannya adalah tergantung terjadi perpindahan molekul atau tidak. Seandainya tidak terjadi pergerakan molekul, maka perpindahan kalornya terjadi secara konduksi. Sebaliknya jika terjadi perpindahan molekul, maka terjadi konveksi kalor.

Dengan adanya pergerakan molekul, maka laju aliran kalor menjadi lebih besar dibandingkan dengan murni konduksi. Rasio antara besarnya konveksi dan konduksi dalam kasus ini dinamakan bilangan Nusselt, yaitu:

Jika nilai bilangan Nusselt adalah 1 maka perpindahan kalornya murni konduksi. Sedangkan jika lebih dari 1 artinya terjadi konveksi kalor. Penentuan bilangan Nusselt inilah yang akan dipelajari untuk menentukan berapa koefisien konveksi kalor.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Mekanisme Konveksi Kalor

 Salah satu metode berpindahnya kalor adalah dengan cara konveksi, yaitu perpindahan kalor disertai dengan adanya pergerakan fluida. Pergerakan fluida ini dapat terjadi  secara alami (konveksi alami) dan secara paksa (konveksi paksa). Pada konveksi alami, pergerakan fluida diakibatkan oleh gaya apung/buoyancy. Sedangkan pada konveksi paksa, pergerakan fluida terjadi dengan adanya perangkat penggerak fluida seperti kipas atau pompa., Untuk lebih jelasnya perhatikan ilustrasi berikut:

Ilustrasi Konveksi alami

Pada gambar terlihat ada sebuah silinder yang betemperatur tinggi yang diletakkan di temperatur ruang sehingga terjadi konveksi secara alami. Karena ada perbedaan temperatur antara permukan silinder dengan udara sekitarnya maka terjadilah perpindahan kalor. Udara yang berada di dekat dengan permukaan silinder akan lebih panas dibandingkan dengan udara yang jauh dari permukaan silinder. Udara yang lebih panas akan memuai akibatnya massa jenisnya menjadi lebih ringan. Gaya apung terjadi karena perbedaan massa jenis antara udara yang lebih panas dengan yang lebih dingin. Oleh karenanya udara yang berada di dekat permukaan silinder akan begerak ke atas dengan kecepatan rendah. Tempat yang ditinggalkan oleh udara panas ini digantikan oleh udara yang lebih dingin yang kemudian menjadi panas juga karena dekat dengan permukan silinder. Proses ini terus berlangsung selama ada perbedaan temperatur.

Ilustrasi konveksi paksa (sumber gambar: https://www.cradle-cfd.com/)

Pada kasus konveksi paksa, aliran fluidanya adalah karena gaya eksternal seperti kipas atau pompa. Seperti terlihat pada gambar di atas, sebuah kipas menyebabkan aliran udara di atas permukaan yang panas. Saat udara melewati permukaan panas tersebut maka terjadi perpindahan kalor dari permukaan ke udara. Akibatnya udara yang bersentuhan atau dekat dengan permukaan tersebut menjadi lebih panas. Kemudian udara panas itu terus terdorong searah dengan aliran udara yang disebabkan oleh kipas.

Perpindahan kalor secara konveksi memerlukan perhitungan yang rumit jika ditinjau secara analitik karena terlalu banyak variable yang berkaitan dengan mekanika fluida dan termal seperti viskositas, beda temperatur, panjang karakteristik, bentuk geomteri, dan lain-lain. Oleh karena itu, pendekatan empiris, yaitu perumusan berdasarkan hasil eksperimen, terkadang dirasa lebih praktis dalam perhitungannya.  

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Konduksi Kalor pada geometri silinder dan bola

Sering kali analisis perpindahan kalor dilakukan untuk geometri berbentuk silinder dan bola. Maksudnya arah perpindahan kalornya adalah dari dalam keluar atau sebaliknya. Sebagai contoh: saat fluida yang panas mengalir dalam sebuah pipa di ruangan yang lebih dingin, maka terjadilah konduksi kalor dari dinding pipa bagian dalam ke dinding pipa bagian luar. Untuk kasus seperti ini, arah aliran kalornya parallel dengan jari-jari pipa. Hal ini berbeda dengan kasus yang arah perpindahan kalornya searah dengan panjang benda seperti kasus pemanasan batang logam di salah satu ujungnya. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat gambar di bawah ini:

Untuk mengetahui besarnya laju kalor secara konduksi pada geometri silinder, maka perlu diturunkan dari Hukum Fouriernya, yaitu:

Dengan cara yang sama, perhitungan laju aliran kalor secara kondukis pada geometri bola dapat diturunkan juga dengan hukum Fouriernya:

Untuk lebih memahami konsep ini, maka berikut contoh soalnya:

Lapisan insulasi dengan ketebalan 1cm yang memiliki konduktifitas termal 0.5 W/mK digunakan sebagai pengaman pipa tipis yang mengalirkan steam bertemperatur 650 oC sepanjang 1 m. Jika jari-jari pipa tersebut 1 cm dan laju aliran kalor yang keluar dari pipa tersbut sebesar 1000 W, berapakah temperatur di permukaan luar insulator?? (asumsikan suhu bagian dalam insulasi sama dengan suhu steam)

Prinsip Konduksi Kalor (Heat Conduction)

Konduksi kalor (heat conduction) adalah salah satu dari mekanisme perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konduksi membutuhkan medium tapi mediumnya tidak berpindah. Jadi hanya kalornya saja yang mengalir. Contoh sederhana konduksi kalor adalah seperti gambar dibawah ini:

Ilustrasi Konduksi kalor (https://commons.wikimedia.org/)

Terlihat bahwa ada sebuah benda (misal: batang logam) yang dipanaskan pada salah satu ujungnya dengan api. Akibatnya temperatur di ujung tersebur lebih tinggi dibandingkan dengan ujung lainnya. Karena ada perbedaan temperatur ini, maka kalor berpindah dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Saat kalor berpindah, molekul-molekul batang logam tetap di posisinya atau dengan kata lain tidak berpindah. Perpindahan kalor ini dapat dirasakan dengan tangan yang memegang ujung dingin. Walaupun ujung yang dingin (awalnya) ini tidak dipanaskan oleh api, tapi dapat dirasakan makin lama makin panas juga. Hal ini dikarenakan adanya kalor yang berpindah dari ujung yang dipanasi oleh api ke ujung yang dipegang dengan tangan.

Konduksi kalor umumnya terjadi di benda padat. Secara mikroskopis proses terjadinya konsumsi dapat dilihat di gambar di bawah ini.

Ilustrasi konduksi secara mikroskopis (sumber gambar:https://intl.siyavula.com/)

Terlihat pada gambar bahwa molekul yang dipanaskan (diberi kalor) hanya satu saja, yaitu molekul yang berada di kiri bawah (gambar a). Dengan dipanaskan maka energi kinetik molekul ini menjadi lebih besar dengan bervibrasi. Vibrasi ini molekul ini kemudian merambat the molekul di dekatnya sehingga energi kinetik mokelu disekitanya juga meningkat (gambar b). Kemudian semakin lama perambatan vibrasi ini semakin meluas. Perpindahan kalor secara konduksi tidak membuat posisi molekul berpindah tempat.

Besarnya kalor yang berpindah secara konduksi berbanding lurus dengan luas permukaan (A) dan perbedaan temperatur (ΔT), tapi berbanding terbalik dengan panjang benda (L), atau secara simbol dituliskan seperti ini:

Konduksi juga dipengaruhi oleh jenis bahan, oleh karena itu dibutuhkan suatu besaran yang menunjukkan sebarapa baik bahan dapat menghantarkan kalor secar konduksi. Besaran ini disebut dengan konduktifitas termal. Oleh karena itu besarnya kalor yang berpindah secara konduksi dapt dituliskan sebagai berikut:

Persamaan di atas berlaku jika luas permukaan sepanjang arah perpindahan kalor tidak berubah (konstan). Secaru umum perpindahan kalor secara konduksi dimodelkan dengan hukum Fourier, yaitu:

Tanda negatif di ruas kiri adalah diperlukan untuk menyesuaikan dengan arah perpindahan kalor. Hukum Fourier ini akan digunakan untuk menganalisis perpindahan kalor jika bentuk geometri benda memiliki luas permukaan yang tidak konstan sepanjang arah aliran kalornya, seperti silinder dan bola.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Membangun solar panel (PLTS) di rumah, apakah menguntungkan?

Kali ini kita akan bahas seberapa menguntungkan jika kita menggunakan solar panel di rumah kita. Setidaknya ada dua jenis pemasangan sistem solar panel, yaitu: on-grid dan off-grid. Untuk perbedaaan antara keduanya bisa di sini: PLTS on grid dan off grid

Jika lokasi rumah kita sudah terjangkau listrik PLN, maka saat ini sistem off-grid bukanlah pilihan yang menguntungkan. Oleh karena itu yang kita bahas sekarang adalah sistem on-grid dengan memanfaatkan sistem ekspor impor listrik dengan PLN.

Untuk memudahkan analisis investasi solar panel ini, mari kita bahas contoh kasus saja. Saya akan coba gunakan asumsi senyata mungkin di tahun 2021 ini. Misalnya si Panjul ingin memansang solar panel dengan sistem on-grid dan export-import di rumahnya yaitu di Jakarta. Panjul saat ini berlangganan listrik dari PLN dengan 2200 W. Tagihan listrik perbulannya rata-rata 500 ribu rupiah. Kondisi tersebut adalah sebelum dipasang solar panel. Untuk detil perhitungan selanjtnya dapat dilihat gambar di bawah ini:

Kapasitas panel surya yang dipasang memiliki daya puncak 1800 Wp. Total pengeluaran biaya pemasangan sistem solar panel on-grid ini adalah sekitar 28.1 juta. Biaya ini sudah termasuk biaya solar panel, sertifikat laik operasi, dan administrasi lainnya. Beberapa asumsi yang saya gunakan untuk estimasi ini: peak sun hour sebesar 4.5 jam/hari dan rugi-rugi (kabel dan inverter) sebesar 14%. Perlu diketahui bahwa tidak semua listrik yang dihasilkan oleh solar panel in diekspor ke PLN, tapi yang diekspor adalah kelebihan listrik. Contohnya pada siang hari saat terik, listrik yang dihasilkan oleh sistem solar panel adalah 1500 W, tetapi yang dikonsumsi hanya 1000 W. Artinya ada kelebihan 500 W, nah inilah yang diekspor ke PLN. Untuk penyederhanaan perhitungan, saya asumskan 70 %dari listrik yang dihasilkan digunakan untuk keperluan sendiri dan sisanya (30%) diekspor ke PLN. Oleh karena itu besarnya faktor ekspor ini diasumiskan dengan nilai tersebut.

Dengan asumsi sepert ini, maka Panjul dapat memproduksi listrik sebesar 2543 kWh per tahun. Sebagian besarnya (70%) digunakan untuk keperluan di rumah dan sisanya (30%) diekspor ke PLN. Jumlah listrik yang diekspor sebenarnya mencapai 763 kWh per tahunnya, namun yang diakui oleh PLN hanya 65% saja yaitu sekitar 496 kWh per tahunnya. Oleh karena itu, Panjul hanya membayar tagihan listrik sekitar 2.7 juta setiap tahunnya (yang tadinya 6 juta per tahun). Artinya ada penghematan biaya tagihan listrik sebensar sekitar 3.3 juta rupiah per tahun. Di sisi lain, Panjul juga ingin PLTSnya terawat dengan baik sehingga Panjul mengeluarkan biaya perawatan sebesar 630 ribu rupiah pertahunnya. Jadi penghematan bersih yang panjul dapatkan adalah sekitar 2.6 juta per tahun. Jika dihitung-hitung, sistem PLTS panjul akan mendapatkan break even point (BEP) di sekitar tahun ke 10. Jika sistem ini dapat dimanfaatkan hingga sampai 20 tahun maka keuntungan bersih Panjul total mecapai 22 juta rupiah. Kalau bisa sampai 25 tahun maka keuntungan Panjul mecapai 38 juta.

Sebenarnya kita bisa mendapatkan keuntungan lebih jika kita tidak mengekspor listrik ke PLN, kenapa? Karena saat ini listrik yang kita ekspor hanya diakui 65% nya saja. Jadi semakin sedikit listrik yang diekspor maka kita sebenarnya lebih untung. Namun, kita harus jeli dalam menentukan kapasitas PLTS yang di pasang. Untuk menghindari ekspor listrik ke PLN, kita perlu memperhitungkan agar listrik yang dihasilkan oleh sistem PLTS tidak pernah melebihi konsumsi listrik kita. Dengan cara seperti ini maka tidak ada produksi listrik yang dibuang.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Penyulingan air laut dengan tenaga matahari (Solar Still)

Solar Still adalah salah satu perangkat yang memanfaatkan energi matahari untuk penyulingan air laut. Seperti yang kita ketahui bahwa air laut mengandung mineral garam sehingga rasanya asin dan tidak dapat digunakan untuk berbagai macam keperluan manusia seperti minum, mencuci, irigasi, dan lain-lain. Penyulingan (distilasi) air laut membutuhkan energi kalor untuk menguapkan air laut. Uap air yang dihasilkan adalah air murni (tanpa kandungan garam) yang berwujud uap. Jika uap ini diembunkan (kondensasi), maka didapatkanlah air tawar.

Gambar dibawah ini adalah skematik dari Solar Still. Perangkat ini terdiri dari atap berupa kaca sehingga memungkinakan radiasi matahari masuk ke dalam ruang perangkat. Radiasi matahari ini akan diserap oleh air asin (air laut) yang berada di bawah. Karena menerima radiasi termal dari matahari, maka temperatur air asin ini meningkat dan terjadilah penguapan. Uap air yang dihasilkan ini, akan bergerak ke atas hingga menyentuh permukaan dalam kaca. Temperatur kaca lebih rendah dibandingkan uap air yang dihasilkan dari penguapan air laut. Akibatnya terjadi pendinginan dari uap air ini sehingga terjadi pegembunan di permukaan kaca. Kaca in dirancang memiliki kemiringan tertentu sehingga embun air yang menempel di permukaan dalam kaca dapat bergerak turun karena gravitasi sepanjang kaca. Akhirnya embun air ini sampai ke ujung bawah kaca dan dikumpukna di sebuah wadah. Air dalam wadah inilah menjadi tempat air tawar yang diproduksi oleh sistem ini.

Perangkat ini dapat sangat bermanfaat untuk diterapkan di pulau-pulau kecil di mana sumber air tawarnya sangat terbatas. Solar still jenis ini pertama kali dibangun dengan kapasitas besar pada tahun 1872 oleh seorang insinyur berkebangsaan Swedia bernama Charles Wilson. Fasilitas ini dibangun di bagian utara Chile. Di saat musim panas, perangkat solar still ini dapat menghasilkan sekitar 4.9 kg air per hari untuk setiap meter perseginya. Fasilitas ini dibangun dengan total luas kaca 4450 m²  dan dapat menghasilkan 22.7 m³ air tawar setiap harinya. Sayangnya, fasiliats ini sudah tidak beroperasi sejak 1912.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Adakah material konduktor panas tapi isolator listrik?

Untuk keperluan tertentu, terkadang para insinyur dan peneliti membutuhkan material yang bisa menghantarkan panas dengan baik (konduktor panas), tapi sulit menghantarkan listrik (isolator listrik). Contohnya adalah pada desain modul pendingin termoelektrik (TEC). Modul TEC ini terdiri dari sejumlah pasangan bahan semi konduktor yang disusun secara seri (lihat gambar di bawah ini). Dengan desain seperti ini maka kedua jenis junction menghasilkan perbedaan temperatur yang signifikan.

Produk TEC yang dijual di pasaran tidak hanya seperti itu, melainkan masing masing jenis junction (panas dan dingin) perlu di lindungi oleh suatu lapisan. Mengapa harus dulindungi? Pertama agar permukaannya rata sehingga lebih mudah diaplikasikan. Kedua untuk melindungi bahan semi-konduktor di modul TEC. Lapisan ini haruslah bersifat konduktor panas dan isolator listrik. Kenapa?

Pertama, Jika lapisan tersebut bersifat dapat menghantarkan listrik maka akan terjadi arus singkat (short circuit) antara pasangan semikonduktor yang satu dengan yang lainnya. Kalau sudah terjadi seperti ini maka efek pendiginannya hilang. Kedua, jika lapisan tersebut bersifat konduktor panas maka temperatur yang diinginkan dari efek pendinginan menjadi tidak signifikan. Perhatikan gambar dibawah ini untuk lebih jelasnya

Hingga saat ini material yang umum digunakan untuk keperluan seperti itu adalah material keramik (ceramic). Salah keramik untuk keperluan seperti itu adalah keramil Alunina (Al2O3)

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Mengapa kita tetap dapat bernafas di ruangan tertutup ber-AC?

Sebagai makhluk hidup, bernafasnya adalah suatu keharusan agar dapat tetap hidup. Untuk bernafas, kita membutuhkan oksigen yang ada di udara. Lalu, mengapa kita tetap dapat bernafas di ruangan tertutup ber-AC?

Sebenarnya ruangan dengan AC maupun tanpa AC tidak ada hubungannya dengan bisa bernafas atau tidak. Nah, kalau memang ruangan tertutup, kok kita tetap bisa bernafas?

Ruangan yang kita tempati itu sudah berisi sejumlah udara. Artinya kita bisa gunakan udara tersebut untuk bernafas. Tapi kan lama-lama udaranya habis kita hirup? Ya benar, saat kita bernafas okisgen kita gunakan dan kira keluarkan karbondioksida (CO2). Lama kelamaan, jika sama sekali tidak ada ventilasi maka ruangan tersebut akan mengandung banyak CO2. Jika terlalu banyak CO2 gimana? Gajalanya adalah kita menjadi gampang ngantuk.

Kok kita bisa bernafas seperti biasa berjam-jam di ruangan ber-AC tertutup?

Kebutuhan udara segar untuk manusia di ruangan berdasarkan ASHRAE adalah sekita 5-10 cfm atau setara dengan 8.5 -17 m³/h untuk satu orang. Kita bisa perkirakan jika ruangan itu benar-benar tertutup, maka ada berapa banyak udara dalam ruangan tersebut dan berapa lama kita bisa bernafas dengan nyaman. Misal kita sedang sendiri berada di ruangan yang berdimensi 3 x 3 x2 (p x lx t). Ruangan ini bisa diisi dengan udara sebanyak 18 m³. Artinya, jika ruangan tersebut benar-benar tertutup (kedap udara), maka kita bisa bernafas dengan nyaman di ruangan tesebut selama kurang lebih 2 jam.

Menagapa kadang kita bisa bernafas lebih dari itu?

Pertama, kita dapat berlama-lama di ruangan ber-AC itu karena adanya inflatrasi udara, yaitu celah-celah dalam ruangan yang memungkinkan adanya udara masuk atau keluar. Inflirtasi ini bisa berasal dari celah-celah pintu atau jendela.

Ilustrasi inflitrasi (https://www.aerobuild.com/)

Kedua, ruangan yang kita tempati tidak selalu tertutup dalam jangka waktu yang lama. Tentunya kita pasti keluar ruangan untuk berbagai keperluan. Saat kita keluar dari ruangan tersebut, maka pasti kita buka pintunya. Nah, saat pintu terbuka maka akan udara segar yang masuk ke ruangan tesebut.

 

Skema AHU dan Ducting

Sebenarnya, kualitas udara dalam ruangan merupakan topik khusus yang diperhatikan dalam merancang sistem AC khususnya untuk bangunan komersial seperti Mall dan perkantoran. Berbeda dengan kasus ACsplit rumahan yang penghuni kamarnya hanya 1-2 orang per kamar, bangunan komersial diisi oleh banyak orang. Lokasi jendela atau pintu terkadang sangat jauh dari tempat orang beraktifitas. Oleh karenanya udara segar (fresh air) sengaja dialirkan ke dalam ruangan tersebut dengan menggunakan sistem ducting. Udara segar memang sengaja dicampur dengan udara return ruangan tesebut untuk memenuhi kebutuhan udara segar.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Bagaiamana menentukan bahwa suhu absolut nol adalah -273 Celsius?

Suhu 0 Kelvin adalah suhu terendah yang mingkin dicapai dan secara teori tidak mungkin ada yang bisa lebih dingin dari pada suhu ini. Pada titik ini tidak ada energi kalor yang dimiliki oleh zat. Telah disepakati bahwa 0 Kelvin ini setara dengan -273.15 ^oC.

Apakah pernah ada experimen yang dapat mencapai suhu ini?

Jawabannya tidak (belum ada). Pada tahun 1994 tercatat bahwa NIST (National Institute of Standards and Technology) dapat mencapai 700 nK. Lalu pada tahu 2003, para peneliti di MIT memecahkan rekor di 450 pK.

Kalau memang belum ada eksperimen yang dapat mencapai suhu 0 K, bagaiaman para ilmuwan memiliki teori bahwa -273.15 ^oC adalah suhu terendah yang mungkin dicapai?

Penentuan suhu absolut nol ini diperoleh dari ekstrapolasi hasil eksperimen. Mari kita bahas pelan-pelan. Jika ada sebuah wadah kokoh tertutup berisi gas maka di dalam wadah tersebut akan memiliki tekanan tertentu. Asumsikan bahwa volume wadah teresbut tidak berubah, maka tekanan pada wadah itu akan naik jika suhunya naik, begitu juga sebaliknya tekanan akan turun jika suhunya turun. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat digambar ini:

Ilustrasi tekanan

dan suhu di dalam wadah

Dengan eksperimen, kita dapat mengambil data kedua besaran tersbut. Misalnya begini, pertama kita panaskan wadah tersebut, akibatnya tekanan dalam wadah tesebut tinggi. Dengan mengguanakan alat ukur, kita bisa ukur dan catat berapa tekanan dan berapa suhunya. Lalu, kita tunggu beberapa saat sehingga suhunya turun. Dengan suhu yang lebih rendah maka tekanannya pun juga rendah. Lagi, dengan cara yang sama kita catat berapa tekanan dan suhunya. Begitu seterusnya hingga kita bisa dapatkan beberapa pasangan data. Kalau data-data ini kita buat dalam grafik maka kurang lebih gambarnya akan seperti ini:

Ilustrasi grafik suhu dan tekanan pada wadah tertutup

Titik-titik merah didapat dari data percobaan. Dari data tesebut kita bisa buat “trendline” atau “fitting curve”, ditunjukkan oleh garis biru. Nah, kalau kita panjangkan (ekstrapolasi) garis tersbut sampai tekanan 0 kPa, maka kita bisa dapatkan suhunya adalah di sekitar -273 ^oC. Semakin baik alat ukur dan peralatan eksperimen maka kita bisa dapatkan hasil yang lebih akurat.

Secara teori kinetik gas, molekul gas yang berada di dalam wadah selalu bergerak dengan kecepatan tertentu. Akibtanya molekul-molekul gas ini memiliki energi kinetik. Molekul-molekul gas ini saling menumbuk satu sama lain dan juga menumbuk dinging wadah. Hal ini mengakibatkan adanya tekanan dalam wadah. Saat suhunya tinggi, maka kecepatan bergerak molekul makin cepat, energi kinetik meningkat, dan tekanan juga meningkat. Begitu pula sebaliknya, saat suhunya turun, molekul-molekul gas bergerak lebih lambat, energi kinetik menurun dan tekanan menurun. Nah, berdasarkan ekstrapoalasi, pada saat tekanannya nol, suhunya adalah sekitar -273 ^oC. Tekanan nol ini dapat juga diartikan energi kinetik molekul gas dalam wadah juga nol. Hal in berimplikasi bahwa molekul-molekul gas tidak bergerak. Itulah mengapa secara teori pada saat suhu berada di 0 K (-273.15 ^oC) dikatakan bahwa molekul pada sebuah zat akan diam.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Membangun sistem PLTS sendiri efektifkah? Mungkinah kita tidak menggunakan PLN?

Untuk menilai sistem PLTS, saya akan coba gunakan BEP (break even point). Pertama setidaknya ada dua macam cara instalasi solar panel yaitu offgrid dan ongrid. Bedanya apa?

Gambar dari: jensysenergy.com

Kalo ongrid, kita masih pake PLN, artinya saat solar panel kita tidak dapat memenuhi kebutuhan listrik kita (contoh saat mendung atau malam hari), maka kita gunakan PLN sebagai back up. Karena ada backup dari PLN maka, sistem ongrid ini tidak perlu baterai. Dengan menggunakan solar panel ongrid, kita bisa mendapatkan penghematan tagihan listrik PLN. Dengan perhitungan kasar, BEP memasang solar paling cepat adalah sekitar 7–8 tahun.

Kalo offgrid, sistem solar panel terpisah dengan jaringan PLN. Artinya kita butuh baterai untuk mangatur energi listrik yang dihasilkan oleh solar panel.Saat energi listrik yang dihasilkan lebih tinggi dari pada yang dikonsumsi, maka kelebhan listrik tersebut disimpan di baterai. Begitu pula sebaliknya, energi listrik dari baterai digunakan saat malam hari. Dengan menggunakan sistem offgrid, kita tidak perlu lagi menggunakan PLN. Lalu berapa lama BEPnya? sayang sekali, untuk saat ini sistem offgrid tidak akan mencapai BEP selamanya. Kanapa? karena jika dihitung-hitung, harga produksi listrik sistem offgrid lebih mahal dibandingkan dengan harga listrik PLN. Kok bisa mahal? Hal ini dikarenakan harga baterai masih mahal saat ini. Kapasitas baterai yang didesain untuk sistem offgrid biasanya 3–4 hari autonomi. Misal kebutuhan perhari anda 50 Wh, maka kebutuhan kapasitas baterainya 150–200 Wh. Anda bisa survey sendiri harga baterai untuk kapasitas sebesae itu. Ditambah lagi, umur baterai itu pendek, 4 tahun saja sudah bagus. Artinya setiap 4 tahun kita harus ganti baterai baru.

Lalu apakah sistem off grid tidak efektif? Jawaban untuk saat ini Ya dan Tidak. Jika diterapkan di lokasi yang sudah terhubung dengan jaringan listrik, maka sistem offgrid tidak efektif. Tapi jika kita terapkan di daerah yang belum terhubung PLN (seperti pulau-pulau kecil atau daerah terpencil), maka sistem offgrid ini efektif. Hal ini dikarenakan untuk membangun infratruktur listrik ke PLN tidaklah mudah di daerah tesebut.

Apakah di kemudian hari hal ini bisa membuat kita meninggalkan produk/jasa dari penyedia listrik resmi?

Untuk ongrid, tidak bisa. Kan kita memang menggunakan PLN sebagai backup.

Untuk offgrid, bisa. Tapi untuk sekarang jatuhnya lebih mahal. Namun, di kemudian hari bukan tidak mungkin menjadi lebih murah. Yaitu saat harga baterai sudah murah dan umurnya juga lebih panjang. Para peneliti sedang berusaha untuk hal ini.

Berikut link jika tertarik mempelajari solar panel dan energu terbarukan:

Energi Terbarukan

Menghitung kebutuhan solar panel dan baterai untuk sistem off grid

Perbedaan off grid dan on grid pada solar panel

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Pembangkit listrik pada pesawat penjelajah luar angkasa (voyager)

Voyager adalah pesawat antarikasa tanpa awak yang menjelajah luar angkasa. Pesawat ini diluncurkan pada tahun 1977 untuk mempelajari tata surya. Pesawat ini dirancang untuk dapat bekerja selama mungkin, oleh karenanya dilengkapi sistem pembangkit listrik yang dapat dimanfaatkan dalam jangka waktu yang lama. Untuk melihat dimana pesawat ini berada sekarang, anda bisa kunjungi website nasa berikut:

https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/

Bagaimana sistem pembangkit listrik di pesawat voyager?

Radiosotope thermoelectric generator (sumber gambar: Wikipedia)

Pesawat voyager menggunakan pembangkit listrik yang disebut dengan Radiosotope Thermoelectric Generator (RTG). Sistem ini menggunakan bahan bakar nuklir (plutonium-238) untuk menghasilkan energi kalor (panas). Kemudian energi kalor ini dikonversikan menjadi energk listrik dengan menggunakan sistem thermoelectric. Secara sederhana thermoelectric memiliki dua sisi, jika dua sisi ini memiliki perbedaan suhu maka listrik DC akan dihasilkan. Dengan adanya panas dari reaksi nuklir maka thermoelectric dapat meyediakan listrik untuk keperluan pesawat voyager ini.

Mengapa tidak menggunakan solar panel saja?

Voyager ini dirancang untuk menjauhi matahari dan beroperasi selama mungkin. Artinya radiasi sinar matahari yang diterima oleh voyager semakin lama semakin kecil. Sedangkan prinsip kerja solar panel adalah dengan memanfaatkan radiasi matahari yang diterima ini. Sehingga solar panel tidak cocok untuk voyager.

Memangnya kalau menggunakan RTG bisa sampai berapa tahun?

Dengan menggunakan RTG yang digunakan pada voyager, RTG ini dirancang agar bisa menyediakan listrik untuk keperluan instrumennya setidaknya hingga tahun 2025. RTG pada voyager menggunakan 4.5 kg Pu-238 dan dapat menghasilkan kalor hingga puluhan tahun sejak thun 1977.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Kenapa lampu LED lebih hemat energi dibandingkan lampu pijar?

LED atau light emitting diode sebenarnya adalah sebuah dioda yang terdiri dari dua jenis tipe semikonduktor, yaitu semikonduktor tipe p dan tipe n dan terdapat junction di antaranya. Arus listrik dapat mengalir dengan mudah jika kutub positif sumber tegangan searah disambungkan ke semikonduktor tipe p dan kutub negative ke semikonduktor tipe n. Akibatnya mayoritas pembawa muatan di semikonduktor tipe p (hole) dan tipe n (elektron) terdorong kearah junction. Nah di junction inilah terjadi rekombinasi antara hole dan elektron. Bedanya dioda biasa dengan LED adalah saat rekombinasi ini. Di LED, fenomena rekombinasi disertai dengan pelepasan kalor dan cahaya. Itulah mengapa LED mengeluarkan cahaya dan juga menjadi panas saat dinyalakan. Energi dalam bentuk cahaya ini jauh lebih besar dibandingkan dengan energi kalornya. Inilah yang menyebabkan lampu LED menjadi hemat energi, yaitu sebagian besar energi listrik yang dicatu akan dikonversikan mejadi cahaya.

LED (sumber gambar: https://www.rohm.com/)

Bagaimana dengan dengan lampu pijar?

Lampu pijar sebenarnya hanyalah sebuah kawat filament wolfram. Kawat ini jika dialiri arus litrik maka suhunya akan naik drastis. Pada suhu tertentu (yang sangat tinggi), wolfram akan memancarkan radiasi berupa cahaya tampak. Artinya apa? Prinsip lampu pijar adalah dengan cara membuat filamen wolfram memiliki suhu yang sangat tinggi. Ini juga berarti energi yang dibutuhkan juga sangat tinggi. Karena prinisp inilah lampu pijar memiliki efisiensi yang sangat rendah. Hal ini dikarenakan hanya sebagian besar energi listrik dkonversikan menjadi energi kalor (panas), dan sebagian kecil energi listrik yang dikonversikan menjadi energi cahaya. Bahasa kasarnya adalah cahaya dari lampu pijar adalah efek samping dari pemanasan kawat wolfram.

Lampu pijar: sumber gambar (Wikipedia)

(Tri Ayodha Ajiwiguna)