PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0 DAN PENGUJIAN

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0 DAN PENGUJIAN SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik WILLY AHTER SIRAIT PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2

3

4

5

6

7

8

9 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas segala karunia dan rahmat-nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Tugas Sarjana ini yang merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Sarjana yang dipilih, diambil dari mata kuliah Elemen Mesin, yaitu PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0 DAN PENGUJIAN. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua tercinta, ayahanda M. Sirait dan ibunda A.br Manurung dan segenap keluarga terima kasih atas doa serta dukungannya kepada penulis. 2. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktunya, membimbing dan memotivasi penulis untuk menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir.M.Syahril Gultom, MT, Selaku Ketua Dan Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 4. Seluruh Staf, Dosen dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin. 5. Mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya rekan-rekan sesama stambuk 2010 jalur Ekstensi, (Siwan Ediamanta Perangin-angin, Andri Parulian Siregar) yang selalu memberikan motivasi dan kerja sama kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Dalam penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis telah mencoba sebaik mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Untuk itu saran-saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Skripsi ini.

10 Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Medan, Oktober 2013 Penulis, Willy Ahter Sirait NIM

11 ABSTRAK Pengadukan (mixing) merupakan suatu aktivitas operasi pencampuran dua atau lebih zat agar diperoleh hasil campuran yang homogen. Pada media fase cair, pengadukan ditujukan untuk memperoleh keadaan yang turbulen (bergolak). Mesin mixer dengan daya pengaduk ¼ Hp putaran 2800 rpm dan perbandingan transmisi roda gigi 1;10 menjadikan putaran maksimal 280 rpm. Elemen pemanas yang dipakai jenis stripe Heater dengan daya 2500 watt menghasilkan temperatur maksimal 300 o C. LDPE (Low density polyethylene) adalah sejenis bahan thermoplast dengan suhu didih sekitar o C. bahan ini akan diaduk/ dicampurkan dengan remafin blue sebagai pewarna bahan plastik. Pengadukan dilakukan ketika bahan telah dicairkan terlebih dahulu. Dengan kapasitas dari mixer 6,9 liter. Dan kinerja dari Pengaduk disimulasikan dengan ansys CFD (Computational Fluid Dynamic)14.0 Keyword ; Low Density Polyetylene (LDPE), Ansys CFD, Mixer

12 ABSTRAC Mixing is an operating activity mixing two or more substances in order to obtain a homogeneous mixture results. In the liquid phase medium, stirring aimed to obtain the turbulent state (turbulent). Engine with a power stirrer mixer ¼ hp 2800 rpm rotation and gear transmission ratio of 1, 10, made the rounds maximum 280 rpm. Type of heating element used stripe Heater with 2500 watts of power generating maximum temperature 300o C. LDPE is a kind of material THERMOPLAST the boiling temperature around o C. This material will be stirred / mixed with a blue dye remafin plastic material. Stirring is carried out when the material has melted first. With a capacity of 6.9 liter mixer. And the performance of the mixer is simulated with ansys CFD14.0 Keyword ; Low Density Polyetylene (LDPE), Ansys CFDCFD, Mixer

13 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Tujuan penelitian Batasan masalah Sistematika penelitian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengertian Mixing Proses Pencampuran Alat Pencampur Bahan Cair/liquid Alat Pencampur Bahan Padat Alat Pencampur Bahan Pasta/viscous Jenis Pengaduk (impeller) Pengaduk jenis baling baling (propeller) Pengaduk jenis Dayung (paddle) Pengaduk Jenis Turbin (turbine) Kecepatan Pengadukan Kecepatan putaran rendah Kecepatan putaran sedang Kecepatan putaran tinggi Jumlah Pengaduk Pemilihan jenis Pengaduk Aliran Fluida... 22

14 2.5.1 Macam aliran fluida Pola Alir Liquid Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk Polietilena Sifat sifat Polietilena Jenis Polietilena Polietilena berdensitas rendah Atau LDPE Elemen Pemanas Listrik Computational Fluid Dynamics (CFD) Perhitungan Dinamika Fluida (CFD) Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT BAB III PERHITUNGAN Objek Perancanganan Peralatan Perancangan Mesin Mixer Merencanakan Bejana aduk Menentukan Daya Motor Pengaduk Menentukan Putaran Pengaduk Merencanakan Pengaduk (blade) Menghitung gaya Pada sudu Pengaduk Menentukan jarak antara Pengaduk dengan Bejana aduk Perencanaan Elemen Pemanas (Heater) Pemilihan Jenis elemen Pemanas Merencanakan Panjang elemen Pemanas Pengukur Suhu (thermometer) System Pengontrol Suhu (Thermostat) System Pengontrol Kecepatan Timbangan Digital Bahan Pengujian LDPE (low density Polyethylene) Remafin Blue Proses Melakukan Pengujian... 57

15 3.4.1 Waktu dan Tempat Komposisi Material Pengujian Proses Pengujian Proses Melakukan Simulasi CFD Fluent Proses Pre-processing Pembuatan model 3D pengaduk Pembuatan Model 3D bejana aduk Pembuatan Model 3D penutup atas bejana aduk Pengabungan dari Model 3D Pengaduk dan bejana aduk Proses Grid Generation (Pembuatan Mesh) Meshing pada penutup atas bejana aduk Meshing pada dinding bejana aduk Meshing pada pengaduk Menentukan solution solver Menentukan Jenis aliran Menentukan Jenis material Menentukan Kondisi Batas (boundary conditions) Menjalankan Simulasi (Run) Diagram Alir Proses Simulasi BAB IV PENGUJIAN MESIN DAN SIMULASI Hasil dari Pengujian Alat Hasil dari Simulasi Kontur temperature di sekitar Pengaduk Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Kontur Tekanan Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Kontur kecepatan disekitar Pegaduk Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Kontur kecepatan Arah Vertikal... 80

16 Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Kontur Arah Putaran Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Kontur kecepatan Daerah Streamline Langkah Menampilkan Kontur Hasil dari Simulasi Hasil Simulasi Pada Putaran 100 rpm Kontur temperature di sekitar pemutar Kontur Tekanan Kontur kecepatan disekitar Pegaduk Kontur kecepatan Arah Vertikal Kontur Arah Putaran Kontur kecepatan Daerah Streamline Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Pengujian Karakteristik Aliran Fluida Karakteristik aliran fluida Newtonian BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran Daftar Pustaka... 94

17 DAFTAR TABEL Table 2.1 Kondisi Untuk Pemilihan Pengaduk Table 2.2 Daerah penggunaan berbagai type pengaduk Tabel 3.1 Faktor faktor koreksi daya yang ditransmisikan Tabel 3.2 Parameter dari LDPE Tabel 3.3 Spesification Of refalin Tabel 3.4 Perbandingan campuran material Tabel 3.5 Standarisasi bilangan Reynold Tabel 3.6 Penentuan jenis aliran pada simulasi Tabel 3.7 material spesifikasi Tabel 3.8 menentukan kondisi batas... 69

18 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pengaduk Memakai Baffle... 7 Gambar 2.2 Aliran yang terjadi dalam bahan... 7 Gambar 2.3 Jenis Pengaduk propeller Gambar 2.4 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle) Gambar 2.5 Pengaduk Turbin pada bagian variasi Gambar 2.6 Pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis pengaduk yang berbeda, (a) Impeller, (b) Propeller, (c) Paddle dan (d) Helical ribbon Gambar 2.7 Struktur Etilen dan Polietielena Gambar 2.8 Konservasi massa pada elemen fluida Gambar 2.9 Konservasi momentum pada elemen fluida Gambar 2.10 Konservasi enenergi pada elemen fluida Gambar 3.1 Bejana Aduk Gambar 3.2 Ukuran Utama dari Pengaduk Gambar 3.3 Gaya yang bekerja pada pengaduk Gambar 3.4 Jarak Pengaduk dengan Tabung Gambar 3.5 Elemen Pemanas Type Stripe Heater Gambar 3.6 Permukaan Elemen Pemanas Gambar 3.7 Thermometer BL type Gambar 3.8 Thermostat Gambar 3.9 Speed Control Gambar 3.10 Timbangan Digital Gambar 3.11 Biji Plastik LDPE (Low Density Polyethylene) Gambar 3.12 Refalin Blue Gambar 3.13 LDPE (Low Density Polyethylene) Gambar 3.14 Refalin blue Gambar 3.15 Proses Persiapan Alat Gambar 3.16 Pencapaian Suhu C Gambar 3.17 Proses Perubahan Fasa Gambar 3.18 Proses Pengadukan Gambar 3.19 Proses Pengeluaran Hasil Gambar 3.20 Pembuatan Model Mengacu Pada Kapasitas Maksimum... 61

19 Gambar 3.21 Model 3D Pengaduk Gambar 3.22 Model 3D Bejana Aduk Gambar 3.23 Model 3D Tutup Atas Bejana Aduk Gambar 3.24 Model 3D Pengabungan dari model pengaduk dan bejana.. 64 Gambar 3.25 Meshing pada tutup bejana Gambar 3.26 Meshing Pada dinding bejana aduk Gambar 3.27 Meshing pada pengaduk Gambar 3.28 Meshing keseluruhan Gambar 3.29 Diagram Alir Proses Simulasi Gambar 4.1 Material sebelum pengadukan Gambar 4.2 Hasil Pengujian Gambar 4.3 Tampilan utama menu result ansys Gambar 4.4 Tampilan ansys kontur temperature dari atas Gambar 4.5 Tampilan ansys kontur temperature Tampak depan Gambar 4.6 Kontur temperatur tampak atas Gambar 4.7 Kontur temperature tampak dari depan Gambar 4.8 Tampilan ansys kontur tekanan dari atas Gambar 4.9 Tampilan Ansys kontur temperature tampak depan Gambar 4.10 Kontur tekanan tampak atas Gambar 4.11 Kontur tekanan tampak depan Gambar 4.12 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak atas Gambar 4.13 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak depan Gambar 4.14 Kontur kecepatan tampak atas Gambar 4.15 Kontur kecepatan tampak depan Gambar 4.16 Tampilan Kontur Kecepatan Arah Vertikal Gambar 4.17 Tampilan Kontur Kecepatan Arah Vertikal Gambar 4.18 Kontur kecepatan arah vertikal Gambar 4.19 Kontur kecepatan arah vertical tampak depan Gambar 4.20 Tampilan kontur arah putaran Gambar 4.21 Kontur arah putaran Gambar 4.22 Tampilan ansys kontur kecepatan daerah streamline Gambar 4.23 Kontur kecepatan daerah streamline... 85

20 Gambar 4.24 Kontur temperature disekitar pengaduk Gambar 4.25 Kontur Tekanan Gambar 4.26 Kontur Kecepatan di Sekitar Pengaduk Gambar 4.27 Kontur Kecepatan Arah Vertikal Gambar 4.28 Kontur Arah Putran Gambar 4.29 Kontur Kecepatan Daerah Steamline Gambar 4.30 Pengadukan pada pengujian Gambar 4.31 Pola aliran menggunakan pengaduk propeller Gambar 4.32 Pola aliran pengadukan LDPE... 92

21 DAFTAR NOTASI QQ = Laju perpindahan panas (W) k = Konduktivitas Termal ( W / (m.k)) A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m 2 ) T 2 T 1 L R = Temperatur akhir ( C) = Temperatur awal ( C) = Tebal plat (m) = Resistansi thermal ( C/m) T s = Temperatur plat ( K ) T f = Temperatur fluida ( K ) N u R e = Bilangan Nusselt = Bilangan Reynold ρ = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) U = Kecepatan aliran fluida (m/s) μ = Viskositas (Ns/m 2 ) Ra L = Bilangan Rayleigh β =1/ T r g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s 2 ) T s T r α v P Fc P d n = Temperatur permukaan plat (K) = Temperatur referensi (K) = Difusivitas thermal = Viskositas kinematik = Daya nominal motor sebesar = Faktor koreksi daya = Daya perencanaan = Putaran normal KK tt = Faktor koreksi yang dipilih adalah 3 C b = Faktor koreksi yang dipilih adalah 2,3 TT = Momen puntir d s τ a σσ bb = Diameter poros motor = Tegangan geser yang diijinkan = Kekuatan tarik bahan poros

22 SSSS 1 = Faktor keamanan yang diambil (6) SSSS 2 = Faktor keamanan yang diambil (3) b = Lebar pasak t = Tinggi pasak τ = Tegangan geser l = Panjang pasak d 1 d 2 ɑ H m cc kk Z t e εε v F t F r = Diamter lingkar jarak roda gigi penggerak (mm) = Diamter lingkar jarak roda gigi penerus (mm) = Jarak sumbu poros (mm) = Kedalaman puncak = Modul = Kelonggaran puncak = Panjang lintasan kontak = Jarak bagi normal = Perbandingan kontak = Kecepatan keliling = Gaya tangensial = Beban radial F a = Beban aksial = 0 x = Faktor beban radial = 1 y = Faktor beban aksial = 0 v = Pembebanan pada cincin dalam yang berputar = 1 f n f h C L n = Faktor keamanan = Faktor umur = Kapasitas nominal dinamis = Umur nominal bantalan a 1 = Faktor keandalan 95%, = 0,62 (tabel 4.10 Lit 1 hal 137) a 2 a 3 L b D rg z 1 = Faktor bahan = 1 (baja dicairkan secara terbuka) = Faktor kerja = 1 (kondisi kerja normal) = Umur bantalan = diameter roda gigi = Jumlah gigi Penggerak

23 z 2 n 1 n 2 h jj DD jj k L B N ρρ μμ C μμ ww = Jumlah gigi yang digerakkan = Putaran Penggerak (rpm) = Putaran yang direncanakan (rpm) = koefisien perpindahan panas dari atau ke bejana berjaket = diameter bejana = konduktivitas termal fluida cair = panjang dayung (paddle) = jarak antara dayung dengan dasar bejana = kecepatan agitator = massa jenis fluida = viskositas fluida = kapasitas panas = viskositas fluida pada jarak temperatur dinding TT ww

24 DAFTAR LAMPIRAN 1. Spesifikasi dari LOW DENSITY POLYETYLENE RESIN 2. Spesifikasi dari Remafin Blue MX-ST 3. Spesifiakasi dari Remafin White MX-ST