Simulasi distribusi temperatur dan kelembaban relatif pada steamer menggunakan metode CFD menunjukkan bahwa variasi kecepatan masuk uap 33,22 m/s memiliki persebaran yang paling merata. Simulasi ini dapat digunakan untuk memaksimumkan proses pelayuan daun teh."
1. SIDANG TUGAS AKHIR
SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN KELEMBABAN
RELATIF PADA STEAMER DENGAN MENGGUNAKAN
METODE COMPUTATOINAL FLUID DYNAMICS (CFD)
TOMMY IVANTORO
21050111130059
5. Latar Belakang
Panning
Memiliki tingkat polusi yang tinggi karena
zat karsinogen yang berasal dari
pembakaran kayu
Steamer
Uap dihasilkan dari Boiler dengan bahan
bakar bensin, solar, atau minyak tanah
6. Latar Belakang
Steamer
Merupakan alat penunjang produksi daun teh, dimana digunakan
untuk melayukan daun teh. Cara kerja dengan menyemburkan
uap ke dalam ruang pelayuan.
7. Tujuan Penelitian
Untuk mengetahui distribusi
temperatur, kecepatan dan fraksi
massa uap pada Steamer dengan
menggunakan metode
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Mengetahui pengaruh variasi
kecepatan fluida steam terhadap
distribusi temperatur, kecepatan dan
fraksi massa uap pada Steamer
8. Batasan Masalah
Fluida yang digunakan steam dan udara lingkungan 1 atm.
Jenis aliran multi-fasa.
Aliran yang terjadi turbulen.
Aliran diasumsikan inkompresibel.
Pemodelan dibuat dengan menggunakan perangkat lunak
SOLIDWORKS 2014 dan disimulasikan pada ANSYS 14.5.
Simulasi 3 dimensi (3D).
Model simulasi k-epsilon Enhanced wall treatment, Mixture,
Species Transport.
14. No Parameter Keterangan
1 Multiphase Mixture
2 Energy On
3 Viscous K-e Realizable
4 Species Species transport
No Parameter Keterangan
1 Kecepatan masuk 3 m/s
2 Dinding adiabatik 27°C
3 Dinding kondensasi 30°C
4 Tekanan Keluar 1 atm
5 Densitas multifasa Incompressible ideal gas
Tabel. Parameter Model
Tabel. Parameter Kondisi Batas
16. Grafik Hasil pada simulasi dibandingkan dengan Ladislav
Vyskocil, 2014
Dari hasil simulasi diketahui error maksimum yang didapat pada masing-
masing grafik kecepatan, temperatur, dan fraksi massa uap adalah 17.86%,
6.43%, dan 16.67%
Grafik
fraksi massa uap vs sumbu Y
Grafik
kecepatan vs sumbu Y
Grafik
temperatur vs sumbu Y
18. Simulasi Steamer
Geometri Steamer
Geometri yang sudah didesain di SOLIDWORKS
disimpan dengan format .IGS kemudian dimasukkan ke
dalam design modeller yang terdapat dalam ANSYS agar
dapat dimeshing dan untuk menentukan kondisi batas
dari geometri tersebut. Karena keterbatasan dalam
penggenerasian mesh maka domain komputasi yang
digunakan yaitu, dengan pengurangan silinder plat
metal.
Geometri assembly steamer
19. Simulasi Steamer
No Parameter Keterangan
1
2
Kecepatan masuk
Temperatur masuk
33,22 m/s; 43,22 m/s;
53,22 m/s
100°C
3 Dinding adiabatic 87°C
4 Dinding kondensasi 75°C
5 Tekanan Keluar 1 atm
6 Densitas multifasa Incompressible ideal gas
Tabel. Kondisi Batas
21. Kontur kecepatan masuk tampak isometrik
33,22 m/s
43,22 m/s
53,22 m/s
.
Variasi 1
Variasi 2
Variasi 3
(Bukurov M., 2002) Profil
kecepatan pada bagian
tertentu dari ruang
pencampuran memiliki
kecenderungan kecepatan
yang sama
22. Kontur kecepatan masuk tampak depan
33,22 m/s
43,22 m/s
53,22 m/s
• Kecepatan yang mula-mula sebesar 33,22
m/s turun berada dibawah 1,961 m/s.
• Kecepatan yang mula-mula sebesar 43,22
m/s turun berada dibawah 2,546 m/s
• Kecepatan mula-mula sebesar 53,22 m/s
turun berada dibawah 3,144 m/s.
• Persebaran kecepatan kearah dinding kanan
steamer lalu naik kebagian atas dan ada
yang turun kebagian bawah.
Apabila inlet uap dibandingkan dengan besarnya
volume steamer maka perbedaan yang terlihat cukup
signifikan yakni inlet memiliki diameter 1 cm
sedangkan ukuran steamer 270 cm x 90 cm x 83 cm
23. Kontur temperatur tampak isometrik33,22 m/s
43,22 m/s
53,22 m/s
• Pipa steam memiliki 6 lubang sebagai inlet
uap dan berdiameter 1 cm.
• Temperatur hembusan uap 100°C.
• volume steamer yang cukup besar dan pipa
steam yang berukuran kecil menyebabkan
penurunan temperatur.
• Penurunan temperatur juga diakibatkan
adanya udara yang masuk dari sisi belakang
steamer.
24. Kontur temperatur tampak depan33,22 m/s
43,22 m/s
53,22 m/s
• Variasi kecepatan 33,22 m/s memiliki
kontur temperatur rata-rata 79°C.
• Variasi kecepatan 43,22 m/s memiliki
kontur temperatur rata-rata 80°C.
• Variasi kecepatan 53,22 m/s memiliki
kontur temperatur rata-rata 81°C.
(Syaiful, 2009) udara panas yang keluar dari
dalam inlet dan masuk ke dalam ruang
pengering mengalami penurunan temperatur
yang disebabkan oleh adanya hembusan
udara.
25. Kontur fraksi massa uap pada penampang
isometrik
53,22 m/s
33,22 m/s 43,22 m/s
• Fraksi massa uap pada kecepatan masuk 33,22
m/s berada dikisaran 0,752-0,95
• Fraksi massa uap kecepatan masuk 43,22 m/s
berada dikisaran 0,691-0,95
• Fraksi massa pada kecepatan masuk 53,22 m/s
berada dikisaran 0,634-0,95
26. Kontur fraksi massa uap tampak depan
33,22 m/s
43,22 m/s
53,22 m/s
Kontur fraksi massa uap memperlihatkan variasi
33,22 m/s lebih baik dibandingkan dengan
variasi 43,22 m/s dan 53,22 m/s. Kondisi
kondensasi lebih cepat terjadi pada kecepatan
43,22 m/s, dan 53,22 m/s. Hal tersebut terlihat
dari kontur fraksi massa uap steamer. Sesuai
dengan eksperimen CONAN (CONdensation with
Aerosols and Noncondensable gases) yang
dilakukan (Ladislav V., 2014) dan pada PANDA
Test 9bis
28. Dari kontur distribusi kecepatan terlihat bahwa setelah uap keluar dari inlet pipa,
persebaran kecepatan tidak terlalu berbeda begitu juga pada distribusi temperatur
perbedaan temperatur rata-rata berkisar antara 5-10°C. Namun berbeda pada fraksi
massa uap, terlihat fraksi massa uap mengalami perubahan yang signifikan Dari
konsentrasi 0,95 menurun hingga 0.
KESIMPULAN
29. KESIMPULAN
Sedangkan dari perbandingan tiga variasi kecepatan yakni 33,22 m/s; 43,22 m/s; 53,22
m/s, kontur distribusi temperatur dengan variasi 53,22 m/s memiliki temperatur ruang
lebih tinggi dan merata dibandingkan dengan variasi lainnya. Dari kontur fraksi massa
uap dalam ruang steamer dapat buktikan bahwa variasi 33,22 m/s memiliki persebaran
distribusi fraksi massa lebih merata disemua sisi ruang. Secara keseluruhan dapat
disimpulkan pengkondisian ruang dengan kecepatan masuk 33,22 m/s memiliki
persebaran distribusi yang paling baik sehingga akan memaksimalkan proses pelayuan
daun teh.
30. SARAN
Karena simulasi ini masih bersifat awal untuk hasil yang lebih
bervariasi coba lakukan perubahan sudut pada pipa inlet dan
dengan penambahan injeksi.
Simulasikan dengan kondisi unsteady, karena kondisi
sesungguhnya aliran fluida tidak ada yang bersifat steady.
Untuk mempercepat proses iterasi, lakukan proses meshing
dengan jumlah cell sedikit karena pada metode ini
diperlukan adapsi Yplus.
Jika proses konvergensi sulit dicapai, lakukan pengurangan nilai
pada under relaxation factor.
Fenomena yang terjadi di dalam steamer pada inlet 1, inlet 2, inlet 3, inlet 4, inlet 5, maupun inlet 6 memiliki kecenderungan kontur yang sama. Hanya ada sedikit perbedaan ketika kecepatan turun hingga dibawah 3 m/s.
Sesuai dengan (Bukurov M., 2002) Profil kecepatan pada bagian tertentu dari ruang pencampuran memiliki kecenderungan memiliki kecepatan yang sama.
Apabila inlet uap dibandingkan dengan besarnya volume steamer maka perbedaan yang terlihat cukup signifikan yakni untuk inlet memiliki diameter 1 cm sedangkan ukuran steamer 270 cm x 90 cm x 83 cm. Hal ini mengakibatkan kecepatan masuk uap akan langsung mengalami penuruan. Gambar 4.4 memperlihatkan kecepatan masuk 33,22 m/s pada inlet 4 dimana setelah fluida yang berupa uap keluar dari dalam pipa, kecepatan yang mula-mula sebesar 33,22 m/s kemudian mengalami penurunan hingga berada dibawah 1,961 m/s. Begitu pula pada Gambar 4.5 dan Gambar 4.6 memperlihatkan kecepatan masuk 43,22 m/s dan 53,22 m/s pada inlet 4 dimana setelah fluida yang berupa uap keluar dari dalam pipa, kecepatan yang mula-mula sebesar 43,22 m/s dan 53,22 m/s kemudian mengalami penurunan hingga berada dibawah 2,546 m/s dan 3,144 m/s. Gambar 4.4-4.6 memperlihatkan bukti bahwa kontur distribusi temperatur disekitar salah satu inlet mengalami penurunan dengan persebaran kecepatan kearah dinding kanan steamer lalu naik kebagian atas dan ada yang turun kebagian bawah. Untuk kontur kecepatan dari beberapa sisi penampang yang berbeda dapat dilihat pada lampiran Tugas Akhir ini.
Namun karena pengaruh volume steamer yang cukup besar dan pipa steam yang berukuran kecil maka terjadi penurunan temperatur secara perlahan seperti Gambar 4.7 dan 4.8. Selain itu penurunan temperatur juga diakibatkan adanya udara yang masuk dari sisi belakang steamer. Berbeda dengan variasi 53,2 m/s, temperatur terlihat lebih merata persebarannya. Penurunan akan terlihat di daerah sekitar dinding. Kemudian untuk kondisi didinding pada steamer diasumsikan 75°C agar temperatur ruang steamer memiliki persebaran yang merata berkisar antara 75°C -100°C. Sedangkan untuk outlet diasumsikan pada suhu 52°C.
Pada ketiga kontur temperatur terlihat persebaran perubahan temperatur terjadi dari bagian kanan menuju bagian kiri steamer. Berdasarkan Gambar 4.10 variasi kecepatan 33,22 m/s memiliki kontur temperatur rata-rata 79°C. Sedangkan pada Gambar 4.11 variasi kecepatan 43,22 m/s memiliki kontur temperatur rata-rata 80°C. Serta untuk Gambar 4.12 variasi kecepatan 53,22 m/s memiliki kontur temperatur rata-rata 81°C.. Pernyataan ini sesuai dengan M. Syaiful, udara panas yang keluar dari dalam inlet dan masuk ke dalam ruang pengering mengalami penurunan temperatur yang disebabkan oleh adanya hembusan udara[28]. Dengan temperatur yang optimal maka uap yang dihasilkan di dalam steamer mampu melayukan daun teh dengan lebih merata. Untuk kontur temperatur dari beberapa sisi penampang yang berbeda dapat dilihat pada lampiran Tugas Akhir ini.
Pada Gambar 4.13-15 terlihat fraksi massa uap setelah keluar dari inlet. Seiring dengan menurunnya kecepatan fluida dan temperatur steamer maka fraksi massa dari uap mengalami penurunan. Fraksi massa uap yang mula-mula memiliki konsentrasi 0,95 dari skala 1, lama kelamaan mengalami penurunan hingga mencapai konsentrasi 0. Dari penampang tersebut perbedaan kontur lebih terlihat pada bagian inlet hingga ke dinding bagian kanan. Fraksi massa dari uap pada kecepatan masuk 33,22 m/s berada dikisaran 0,95 sampai dengan 0,752 dengan intensitas terbanyak pada kisaran 0,810, untuk fraksi massa uap kecepatan masuk 43,22 m/s berada dikisaran 0,95 sampai dengan 0,691 dengan intensitas terbanyak pada kisaran 0,749 dan fraksi massa pada kecepatan masuk 53,22 m/s berada dikisaran 0,95 sampai dengan 0,634 dengan intensitas terbanyak pada kisaran 0,691.
Bila dilihat pada kontur disekitar inlet steamer maka akan berwarna merah muda. Warna merah muda menunjukkan tingginya konsentrasi fraksi massa uap sehingga menyebabkan uap mengalami kondensasi. Kondisi tersebut akan diperlihatkan pada Gambar 4.16-4.18 yang merupakan tampak depan dari steamer pada variasi kecepatan 33,22 m/s; 43,22 m/s; 53,22 m/s.
Dari simulasi diperoleh kontur fraksi massa uap yang memperlihatkan kondisi pada kecepatan 33,22 m/s lebih baik dibandingkan dengan kecepatan 43,22 m/s dan 53,22 m/s, maka dapat diperkirakan produk teh yang dihasilkan akan lebih prima. Kondisi kondensasi lebih cepat terjadi pada kecepatan 33,22 m/s, hal tersebut terlihat dari kontur fraksi massa uap steamer. Sesuai dengan eksperimen CONAN (CONdensation with Aerosols and Noncondensable gases) yang dilakukan Ladislav V., campuran udara dan uap mengalir kebawah melewati saluran vertikal berbentuk persegi. Dimana pada salah satu dinding didinginkan dengan air sehingga uap mengalami kondensasi. Begitu pula dengan simulasi pada PANDA Test 9bis dimana dua buah bejana tekan dihubungkan dengan pipa berisi udara, dan uap disemburkan ke dalam bejana tekan satu. Kondensasi terjadi didinding saat konsentrasi uap di dalam bejana bertambah. Ketika sejumlah uap dilepaskan ke dalam suatu ruang dan temperatur dinding lebih rendah dari pada temperatur saturasi dari uap, maka uap mulai mengalami kondensasi[26]. Untuk kontur fraksi massa uap dari beberapa sisi penampang yang berbeda dapat dilihat pada lampiran Tugas Akhir ini.