ANALISIS PROSES PERPINDAHAN PANAS DUA DIMENSI PADA DUA DAERAH ALIRAN FLUIDA YANG TERPISAH OLEH SEBUAH PELAT DENGAN PERANGKAT LUNAK FLUENT V5

Transkripsi

1 44 ISSN V.I.S. Wardhan, dkk. ANALISIS PROSES PERPINDAHAN PANAS DUA DIMENSI PADA DUA DAERAH ALIRAN FLUIDA YANG TERPISAH OLEH SEBUAH PELAT DENGAN PERANGKAT LUNAK FLUENT V5 V.I.S. Wardhan, Henky P.R, Efrzon Umar Pusat Peneltan Dan Pengembangan Teknk Nuklr ABSTRAK ANALISIS PROSES PERPINDAHAN PANAS DUA DIMENSI PADA DAERAH ALIRAN FLUIDA YANG TERPISAH OLEH SEBUAH PELAT DENGAN PERANGKAT LUNAK FLUENT V5. Untuk menggambarkan dan menganalss proses perpndahan panas yang sesungguhnya terad pada suatu mesn penukar kalor merupakan persoalan yang cukup rumt. Karena tu perlu dlakukan tahap-tahap penyederhanaan dalam mensmulaskannya. Tahap yang palng sederhana adalah dengan analss dua dmens pada dua daerah alran fluda yang terpsah oleh sebuah pelat sepert yang dlakukan d sn. Analss dlakukan dengan perangkat lunak FLUENT V5. Hasl analss yang berupa harga-harga karakterstk fluda sepert dstrbus kecepatan maupun dstrbus temperatur dapat dtamplkan dalam bentuk grafk. Kata kunc : Fluent V5, mesn penukar kalor, karakterstk fluda. ABSTRACT THE ANALYSING OF THE HEAT TRANSFER PROCESS TWO DIMENSIONAL ON THE TWO REGIONS FLUID FLOW SEPARATED BY A PLATE, BY USING FLUENT V5 SOFTWARE. Descrbng and analysng the heat transfer process on the heat exchanger s become rather complcated problem. On smulatng ths problem, t can be solved n step by step. A smplest case, as s wrtten here, ths two regons flud flow separated by a plate problem s analysed by two dmensonal. Ths s analysed by usng Fluent V5 software. The result of ths analysng s flud characterstcs, such as velocty and temperature dstrbuton that can be descrbed as a graphcs. Key words : Fluent V5, heat exchanger, flud characterstcs. PENDAHULUAN P erpndahan panas yang terad pada sstem penukar kalor melbatkan proses konduks dan konveks. Untuk mengetahu dan memaham proses perpndahan panas yang terad, perlu dlakukan analss terhadap sstem tersebut. Analss yang demkan cukup rumt oleh karena tu perlu dlakukan penyederhanaan, sepert yang dlakukan pada penulsan d sn, yatu mengassumskan terlebh dahulu sebaga masalah dengan dua daerah alran fluda yang terpsah oleh sebuah pelat dalam bentuk dua dmens. Langkah n merupakan langkah awal dar target yang lebh auh lag yatu analss tga dmensonal pada sstem perpndahan panas yang terad pada mesn penukar kalor. Analss dlakukan dengan menggunakan program Fluent V5. Hasl analss berupa dstrbus kecepatan, maupun dstrbus temperatur pada fluda yang mengalr maupun pada pelat pemsah ke dua daerah alran fluda yang dgambarkan dalam bentuk grafk. Fluent V5 adalah suatu program komputer yang dtuls dengan bahasa C yang dapat memodelkan alran fluda dan proses perpndahan panas yang terad pada geometr dua dmens maupun tga dmens. Persamaan atur yang dselesakan adalah persamaan Naver Stokes yang melput tga hukum kekekalan, yatu kekekalan massa, kekekalan momentum dan kekekalan energ. Masalah-masalah alran fluda yang mampu dselesakan dengan Fluent V5 melput geometr 2D/3D, alran nkom-presbel/kompresbel, tunak/tak tunak, alran lamnar /turbulen, alran fluda Newtonan/non Newtonan, perpndahan panas konveks bak konveks alamah maupun konveks paksa, gabungan konduks/ konveks, radas dan ens alran pada lannya. Dengan melhat ke anekaragaman alran fluda yang mampu d-selesakan dengan Fluent V5, maka sangat beralasan bahwa program Fluent V5 n

2 45 ISSN V.I.S. Wardhan, dkk. dapat daplkaskan pada analss terhadap prosesproses yang terad pada banyak nstrument, antara lan mesn penukar kalor, kondensor, evaporator, sstem pempaan, sstem ventlas dan sebaganya. [2] TEORI Karakterstk fluda yang mencermnkan keadaan alran fluda sebenarnya d alam adalah kompresbel (massa ens tdak konstan), rotasonal (partkel fluda berputar), tak tunak (tdak tetap) dan vskos (terdapat geseran dengan permukaan). Per-samaan atur dnamka fluda yang dapat menggam-barkan semua konds d atas dkenal dengan nama persamaan Naver Stokes [4]. Perangkat lunak FLUENT V5 mampu menyelesakan persamaan Naver Stokes dengan dasar persamaan kekekalan massa, kekekalan momentum serta kekekalan energ untuk alran fluda yang melbatkan proses perpndahan panas. Persamaan kekekalan massa atau lebh dkenal dengan persamaan kontnyutas dapat dtulskan sebaga berkut [3] : dengan: : massa ens t : waktu x : arah aksal u : kecepatan ( u ) S t x S m : massa yang dtambahkan m () Persamaan kekekalan momentum dalam arah dalam kerangka acuan nerta dapat dtulskan sebaga berkut (3) : t p ( u ) ( u u ) g F (2) x x x dengan : p : tekanan stats : tensor tegangan g : gaya gravtas F : gaya-gaya luar dalam arah Tensor tegangan dberkan dengan : Dengan adalah vskostas molekuler, sementara suku ke dua pada ruas kanan adalah pengaruh dar dlatas volume. Pada alran fluda yang melbatkan proses perpndahan panas, sepert kasus yang akan danalss d sn harus dtambahkan pula persamaan kekekalan energ yang dapat dtulskan dalam bentuk enthalp h sebaga berkut [3] : T ( h) ( u h) ( k kt ) t x x x Dp h ( ) x dengan : k k t J S h u k eff h (4) Dt xk : konduktvtas molekuler : konduktvtas turbulen : fluks dffus dar speses S : sumber-sumber panas yang ddefnskan Enthalp h ddefnskan sebaga : h m dengan m adalah fraks massa dar proses dan T h (5) h c dt p, (6) Tref dengan T ref = 298,5 o K FLUENT V5 menyelesakan persamaan kekekalan energ (4) dengan menggunakan temperatur sebaga varable bebas. Ruas kr dar persamaan (4) dtransformaskan dalam bentuk temperatur dengan menggunakan persamaan (5) dan (6). Pada daerah padatan (sold), FLUENT V5 menyelesakan persamaan konduks sederhana yang melbatkan fluks panas karena konduks dar sumber-sumber panas volumetrk dalam padatan (sold) [3] : T h k q t x x (7) u x u x 2 u 3 x (3) dengan : : massa ens h : entahalp, k : konduktvtas

3 V.I.S. Wardhan, dkk. ISSN T : temperatur q : sumber panas volumetrk Persamaan (7) dselesakan secara smultan dengan persamaan kekekalan energ (4) untuk mempredks proses perpndahan panas gabungan konduks/ konveks. D sampng solus terhadap ke tga persamaan kekekalan d atas, FLUENT V5 uga menyedakan fasltas pemodelan turbulens. Turbulens d-modelkan dengan model turbulen dua persamaan. Dalam model dua persamaan n, efek turbulen drepresentaskan dengan vskostas sotropk eddy atau turbulen yang devaluas dengan mengguna-kan dua buah besaran yatu: energ knetk turbulen (k) dan lau dsspas (). Ke dua besaran turbulen n, k dan dperoleh dar solus persamaan model transport. FLUENT menyedakan dua plhan model k - sebaga berkut: model k - standard model k - berdasarkan Renormalsas Group (RNG) Pemlhan bentuk model turbulen yang dgunakan tergantung dar pemahaman terhadap konds alran yang danalss. Langkah-Langkah Perhtungan [2] 6. Memlh ens persamaan dasar yang harus dselesakan yatu lamnar atau turbulen (atau tdak vskos), reaks-reaks kma (optonal), model-model perpndahan panas dan lan-lan. 7. Menentukan ens materal 8. Menentukan harga-harga konds batas 9. Mengatur parameter- parameter kontrol solus 0. Menentukan konds awal alran fluda. Melakukan proses perhtungan 2. Mempelaar dan mengevaluas hasl-hasl perhtungan 3. Menympan hasl-hasl perhtungan Langkah dan 2 memerlukan perangkat lunak untuk membuat model geometr dan arngan ks yatu perangkat lunak gambt verson.. Langkah-langkah selanutnya dlakukan dengan menggunakan menu-menu yang terdapat dalam perangkat lunak FLUENT V5. Batasan Masalah Kasus yang akan danalss d sn adalah konds dua alran fluda dengan arah yang berlawanan, yang dpsahkan oleh sebuah pelat yang akan dmodelkan secara dua dmens sepert dgambarkan pada Gambar. Dengan memaham dan mengetahu masalah yang akan dselesakan, langkah berkutnya adalah memodelkan dan menganalss bentuk model tersebut dengan menggunakan perangkat lunak Gambt vers. dan Fluent V 5. Prosedur langkah yang harus dlakukan dapat dtulskan sebaga berkut :. Menggambarkan bentuk geometr model 2. Membuat arngan ks pada geometr model 3. Menentukan ens perangkat lunak yang akan dgunakan, serta menentukan dmens model yang akan dselesakan 4. Menympan arngan ks yang terbentuk 5. Mengevaluas arngan ks yang terbentuk Gambar. Konds alran yang akan dmodelkan. Settng Konds Batas [2] Konds batas pemodelan akan dlakukan dengan menggunakan menu-menu yang terdapat pada FLUENT V5, dapat dlhat pada Gambar 2.

4 47 ISSN V.I.S. Wardhan, dkk. Settng pada nflow adalah VELOCITY INLET dengan kecepatan 4,5 m/s dan temperatur 300 K, sementara settng pada nflow 2 adalah VELOCITY INLET dengan kecepatan 4,5 m/s dan temperatur 38 K. Settng konds batas hargaharga kecepatan dan temperatur tersebut merupakan harga pendekatan pada konds alran fluda pendngn prmer dan sekunder yang terad pada penukar kalor d reactor Trga Settng pada dndng dbarkan bebas dengan fluks panas sama dengan 0 (nol). Jens fluda adalah ar (H 2 0) sementara pelat pemsah terbuat dar baa. Pembuatan Jarngan Ks [] Ttk-ttk pembentuk arngan ks pada ssss nflow maupun nflow 2 dbuat merapat ke permukaan dndng maupun pelat dengan pertmbangan bahwa parameter-parameter alran fluda d dekat permukaan dndng ataupun pelat akan mengalam perubahan karakterstk fluda Gambar 2. Konds batas pada model. yang sangat sgnfkan. Jumlah ttk ks dalam arah alran fluda (arah x) sebanyak 250, sementara dalam arah melntang terhadap alran ( arah y) sebanyak 240 dengan rato kerapatan masngmasng sebesar.3. Bentuk arngan ks dapat dlhat pada Gambar 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Krtera konvergens dlakukan terhadap 6 (enam) buah nla parameter yatu kontnyutas, kecepatan arah x, kecepatan arah y, turbulens (k), dan epslon () masngmasng dengan nla konvergens 0,00, sementara nla konvergens resdual energ sebesar e -6 (3). Dengan nla-nla resdual tersebut d atas dan umlah arngan ks sebesar dapat dlhat bahwa solus akan konvergen setelah 395 teras, sepert dlhat pada Gambar 4. Gambar 3. Bentuk arngan ks yang terad.

5 V.I.S. Wardhan, dkk. ISSN Gambar 5 menunukkan vektor kecepatan, d mana kecepatan d daerah fluda bagan atas mempunya arah yang berlawanan dengan kecepatan d daerah fluda bagan bawah, sementara dbagan pelat tdak terdapat vektor kecepatan. Dengan membuat arngan ks yang sangat rapat d permukaan dndng, dapat dlhat tmbulnya efek vskostas yatu terbentuknya Gambar 4. Resdual vs teras. lapsan tps d dekat permukaan dndng, d mana terad perubahan harga kecepatan fluda dar hampr mendekat 0 (nol) pada permukaan dndng sampa mencapa harga kecepatan alran fluda bebas (dalam hal n sebesar 4.5 m/s) pada daerah yang menauh dar permukaan dndng. Lapsan tps tersebut dkenal dengan nama lapsan batas. Gambar 6 menunukkan vektor kecepatan yang berubah karena adanya efek vskostas. Gambar 5. Vektor kecepatan pada daerah alran fluda.

6 49 ISSN V.I.S. Wardhan, dkk. Gambar 7 menunukkan kontur dstrbus temperatur pada daerah fluda bagan atas, pelat dan pada daerah fluda bagan bawah. Dengan ens materal pelat berupa baa dengan harga konduktvtas panas k = 6,27 W/m-K, harga koefsen perpndahan panas pada tekanan konstan Cp = 502,48 J/kg-K dan harga massa ens = 8030 kg/m 3, dapat dlhat teradnya perubahan temperatur pada pelat karena terdapatnya dua buah alran fluda yang berlawanan arah dengan harga Gambar 6. Vektor kecepatan d dekat permukaan. temperatur yang berlanan, pada permukaan atas dan bawah pelat. Gambar 8 menunukkan gambar dua dmensonal temperatur pelat pada x = 0. Dapat dlhat bahwa temperatur pada dndng yang bersentuhan dengan fluda yang lebh panas akan mempunya harga yang lebh tngg dan selanutnya akan menurun untuk daerah permukaan pelat yang bersentuhan dengan fluda yang lebh dngn. Gambar 7. Kontur temperatur.

7 V.I.S. Wardhan, dkk. ISSN Gambar 8. Kurva temperatur pada pelat arah melntang terhadap alran fluda. Gambar 9 dan Gambar 0 menunukkan dstrbus temperatur dalam arah alran fluda pada daerah fluda bagan atas dan daerah fluda bagan bawah. Dar Gambar 9 dan Gambar 0 dapat dlhat bahwa temperatur dalam arah alran fluda pada daerah alran fluda yang dekat dengan permukaan pelat akan terpengaruh oleh keberadaan alran fluda yang berlawanan, sementara temperatur fluda yang auh dar permukaan pelat hampr tdak terpengaruh. Harga temperatur alran fluda pada daerah temperatur fluda yang lebh dngn, yang dekat permukaan pelat akan mengalam kenakan, sebalknya harga temperatur alran fluda pada daerah temperatur fluda yang lebh panas, yang dekat permukaan pelat akan mengalam sedkt penurunan. Gambar 9. Dstrbus temperatur arah x pada daerah alran fluda atas.

8 5 ISSN V.I.S. Wardhan, dkk. Gambar 0. Dstrbus temperatur arah x pada daerah alran fluda bawah. KESIMPULAN Dar hasl analss dengan perangkat lunak Fluent V5, telah dapat dketahu dstrbus kecepatan dan temperatur pada dua buah alran fluda yang mempunya arah berlawanan dan terpsah oleh keberadaan sebuah pelat. Hasl analss uga dapat menunukkan dstrbus temperatur pada pelat yang menad pemsah ke dua alran fluda tersebut. Hasl analss yang lan yatu dapat dlhat efek vskostas pada kecepatan d dekat permukaan dndng. TANYA JAWAB Endah Pu H. Bagamana dasar pemlhan persamaan dasar lamnar/turbulen apabla blangan Re belum dketahu, ataukah Re dhtung sebaga nput? Dapatkah program Fluent dgunakan untuk mengetahu kontur suhu pada dndng reaktor aral vertkal dan horzontal (sebaga penggant program CFD)? DAFTAR PUSTAKA. ANONYMOUS, GAMBIT Tutoral Gude, Fluent Incorporated, Lebanon, May ANONYMOUS, FLUENT / UNS & RAMPANT 4.2 User s Gude vol., Lebanon, June ANONYMOUS, FLUENT / UNS & RAMPANT 4.2 User s Gude vol.2, Lebanon, June J.P. HOLMAN, Perpndahan Kalor Eds ke enam, Penerbt Erlangga, Indonesa, FRANK KREITH, Prnsp-prnsp Perpndahan Panas, Penerbt Erlangga, Indonesa, 999, 6. V. INDRIATI SRI WARDHANI, Karakterstk Termohdrolk Reaktor Peneltan Pada Daya 2 MW Dengan Fluks Panas Tak Seragam, Thess Magster, ITB-Bandung, 997. V.I.S. Wardhan Untuk mengetahu alran lamnar/turbulen, dhtung terlebh dahulu blangan Re kemudan d nputkan ke dalam Boundary Condton/konds batas. Program fluent adalah untuk analss CFD bak untuk 2D maupun 3D ad kemungknan dapat dpergunakan untuk mengetahu kontur T dndng reactor vertcal/horzontal, tergantung cara memodelkannya saa. Putu Sukmabuana Beda code Relap dan Fluent. Apakah bsa untuk alran fluda 2 phase. Untuk semua srp HE atau sebagan.

9 V.I.S. Wardhan, dkk. ISSN V.I.S. Wardhan Code Relap bsa dpergunakan untuk analss thermohdrolk dan neutronk tap lebh efektf untuk analss keselamatannya. Fluent menamplkan untuk semua problem yang berhubungan dengan CFD bak 2D/3D. Bsa untuk alran fluda phase maupun 2 phase. Dalam analss dsn hanya dwakl oleh buah pelat saa sudsh dspst mengkover hasl yang dharapkan.