KINERJA MODEL VACUUM FRYER MENGGUNAKAN PRINSIP BERNOULLI

Transkripsi

1 KINERJA MODEL VACUUM FRYER MENGGUNAKAN PRINSIP BERNOULLI Oleh : Usni Mubarok Dosen Pembimbing : Ir. Sarwono, MM LABORATORIUM REKAYASA ENERGI DAN PENGKONDISIAN LINGKUNGAN JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER Surabaya, 2009

2 Pendahuluan Teori Penunjang Metodologi & Data Analisa & Pembahasan Grafik Hasil simulasi Kesimpulan saran Daftar pustaka Lampiran

3 Latar Belakang Adanya peristiwa karamelisasi pada buah dan sayuran Gambar keripik pisang dengan penggorengan biasa Gambar keripik pisang dengan penggorengan vakum Hasil penelitian dari J. Garayo dan Moreira, tekanan vakum sebaiknya diatas 6.65 kpa

4 Pemanfaatan renewable dan sustainable energi Gambar air terjun baung camp Pemanfaatan prinsip Bernoulli Gambar air terjun cuban rondo

5 Permasalahan Bagaimana merancang ulang sistem vacuum fryer Bagaimana mengetahui hubungan variabel yang paling berpengaruh terhadap vakum yang dihasilkan Bagaimana menganalisa distribusi tekanan dan temperatur dengan menggunakan simulasi CFD Gambar vacuum fryer lama

6 Tujuan Membuat rancangan ulang vacuum fryer agar dapat dimanfaat untuk praktikum Melakukan analisa hubungan antar variabel yang paling berpengaruh terhadap tekanan vakum Melakukan analisa distribusi tekanan dan temperatur dengan menggunakan simulasi CFD.

7 Batasan Masalah Fluida yang digunakan adalah fluida dinamis dan internal flow Aliran laminar dan tanpa gesekan. Pengaruh suhu lingkungan (ambient) di abaikan. Fluida gas adalah fluida gas ideal Pengujian yang dilakukan dengan pembuatan mini plant

8 Manfaat Mengetahui aplikasi dari prinsip bernoulli yang didapat dari bangku kuliah Membantu memecahkan permasalahan di bidang pengolahan hasil pertanian Mengetahui pemanfaatan terhadap energi terbarukan Alat vacuum fryer bisa dimanfaatkan untuk praktikum.

9 Teori Penunjang Fluida dinamis Prinsip bernoulli Gas ideal Diagram fasa Speed driver pompa Computed fluid dinamics

10 Fluida dinamis Fluida dinamis merupakan fluida yang bergerak dalam ruang tertentu. Pembahasan pada fluida dinamis ini meliputi : aliran fluida yang tunak (steady), tak kental (non viscous), tak temampatkan (incompressible) dan tak berotasi (irrotational)

11 Fluida dinamis Aliran fluida tunak (steady) aliran dimana kecepatan setiap partikel di suatu titik selalu sama. Aliran fluida yang tak kental (non viscous). viskositas atau kekentalan merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Contohnya zat cair. Aliran fluida yang tak temampatkan(incompressible). aliran fluida yang tidak mengalami perubahan volum atau massa jenis ketika ditekan. Aliran fluida yang tak berotasi (irrotational)

12 Aliran Fluida Aliran laminer, Re < 2300 Aliran turbulen, Re > 2300 Gambar pola aliran laminer dan turbulen

13 Debit Fluida Debit itu menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui penampang tertentu dalam sela ng waktu tertentu. Secara matematis, bisa dinyatak an sebagai berikut : Gambar aliran fluida yang melalui sebuah pipa

14 Persamaan kontinuitas untuk fluida tak termampatkan Gambar debit aliran dalam pipa Persamaan diatas dikenal dengan persamaan kontinuitas

15 Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa di mana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi. Asumsi yang digunakan Aliran tunak (steady) Aliran tak mampat (incompressible) Aliran tanpa gesekan (inviscid/non viscous) Aliran menurut garis arus (sepanjang streamline)

16 Persamaan Bernoulli Gambar aliran dalam pipa yang berbeda ketinggihan

17 Aplikasi prinsip bernoulli pada venturi Gambar aliran dalam pipa venturi

18 Tekanan vakum Merupakan tekanan yang dibawah tekanan atmosfir atau di kenal dengan tekanan negatif Tabel klasifikasi vakum

19 Gas Ideal Gas terdiri dari partikel yang sangat banyak dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik Partikel gas tersebar merata dalam ruang Interaksi antar partikel hanya terjadi saat tumbukan Tumbukan (antar partikel, partikel dan dinding) Berlaku hukun newton tentang gerak.

20 Hukum Gay - Lussac Pada volume konstan, tekanan gas berbanding lutus dengan temperatur Gambar chamber dimana volumenya konstan

21 Diagram Fasa Diagram fasa adalah grafik yang menunjukkan wujud zat sebagai fungsi tekanan dan temperatur Gambar diagram fasa

22 Kecepatan Putaran Pompa Definisi pompa Pompa merupakan mesin yang menambahkan energi atau mengambil energi dari fluida karena adanya sistem yang berotasi dalam mesin tersebut Fungsi utama pompa Memindahkan cairan dari satu tempat ke tempat lainnya. Mensirkulasikan cairan sekitar sistem.

23 Kecepatan Putaran Pompa Parameter kinerja pompa (debit alir, head, daya) akan berubah dengan bervariasinya kecepatan putaran. Untuk mengendalikan kecepatan yang aman pada kecepatan yang berbeda-beda maka penting untuk mengerti hubungan antara keduanya. Persamaan yang menjelaskan hubungan tersebut dikenal dengan Hukum Afinitas : Debit aliran berbanding lurus dengan kecepatan putaran Head berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan putaran Daya berbanding lurus dengan kubik kecepatan putaran

24 Grafik pada hukum afinitas Hubungan Kecepatan Putaran Pompa Terhadap Debit Debit Kecepatan Putaran Pompa N terhadap Q Hubungan Kecepatan Putaran Pompa Terhadap Head Hubungan Kecepatan Putaran Pompa terhadap Daya Head N terhadap H Daya N terhadap P Kecepatan Putaran Pompa Kecepatan Putaran Pompa

25 Computed Fluid Dinamics Suatu teknologi komputasi yang memungkinkan kita untuk mempelajari dinamika dari bendabenda atau zat-zat yang mengalir (Tuakia,2008). Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan persamaan matematika (model matematika).

26 Proses simulasi CFD Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD, seperti membuat model, mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat sifat fluidanya. Solving menghitung kondisi kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing Postprocessing Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD

27 Software CFD GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang didesain untuk membantu membuat model dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk analisis CFD. FLUENT menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh(grid) yang tidak tersruktur sekalipun dengan cara yang relative mudah.

28 METODOLOGI DAN DATA Diagram alir penelitian Variasi pengujian alat Metode analisa Grafik dan CFD

29 Diagram alir penelitian tidak ya

30 Design alat sebelum design ulang

31 Design ulang alat Pengukuran tekanan vakum Savety valve Speed driver pompa Gambar rancangan ulang vacuum fryer

32 Keterangan gambar T1 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal sebelum fluida masuk venturi (C) T2 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal setelah fluida keluar venturi (C) T3 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal dalam chamber (C) T4 = Suhu yang terukur pada bak penampung air (C) P1 = Tekanan yang terukur oleh pressure gauge sebelum fluida masuk venture (psi) P2 = Tekanan yang terukur oleh pressure gauge setelah fluida keluar venturi (psi) P3 = Tekanan yang terukur oleh vacuum gauge (psi) Qp = Debit yang di hasilkan pompa (m3/s)

33 Vacuum fryer dan alat ukurnya Gambar vacuum fryer sebelum design ulang Gambar vacuum fryer setelah design ulang

34 Prinsip kerja pada venturi Gambar Prinsip kerja pada venturi

35 Control Volume Pengujian POMPA VENTURI KOMPOR CHAMBER Keterangan = Aliran fluda cair = Aliran udara (tekanan) = Aliran temperatur

36 Speed Driver Variasi Pengujian alat Variasi Pengujian Dengan Tanpa Tertutup Savety Valve Terbuka Tertutup + Chamber R R

37 Data dari pengujian pertama

38 Data dari pengujian kedua

39 Data dari pengujian ketiga

40 Data dari pengujian keempat

41 Data dari pengujian kelima

42 Metode Analisa Grafik Hubungan suhu terhadap waktu Hubungan debit air terhadap waktu Hubungan tekanan terhadap waktu Hubungan tekanan terhadap Waktu Hubungan tekanan vakum terhadap tekanan pompa Hubungan suhu terhadap tekanan vakum Metode Analisa CFD Analisa persebaran temperatur dan tekanan Gambar control volume pengujian

43 Pembuatan geometri pada GAMBIT Nama Geometri Ukuran (m) Panjang pipa inlet 0.1 Panjang pipa outlet 0.1 Diameter pipa Panjang venturi 0.25 Diameter inlet venturi Diameter outlet venturi Lubang dalam venturi Panjang saluran pipa 0.25 Diameter chamber 0.2 Tinggi chamber 0.14 Gambar GAMBIT vacuum fryer

44 Penentuan Kondisi Batas dan Kontinuum Nama Type Continuum Pipe Wall Fluid Venturi Wall Fluid Vacuum channel Wall Fluid Chamber Wall Fluid Inlet Pipe Velocity Inlet Fluid Outlet Pipe Pressure Outlet Fluid

45 Pembuatan Meshing dan Grid Gambar Grid Beserta Kondisi Batas Gambar Meshing

46 ANALISA DAN PEMBAHASAN Grafik Hasil simulasi CFD

47 Grafik hubungan suhu terhadap waktu GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU U SU H T1 T2 T3 T4 U S U H T1 T2 T3 T4 WAKTU (menit) WAKTU (menit) Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

48 Grafik hubungan debit terhadap waktu GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU A I R D E B I T WAKTU (menit) Q pompa A I R D E B I T WAKTU (menit) Q pompa Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

49 Grafik hubungan tekanan terhadap waktu GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU A N (kpa) TEK A N P1 P2 P3 A N (k P a ) T E K A N P1 P2 P3 WAKTU (menit) WAKTU (menit) Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

50 Grafik hubungan tekanan terhadap debit GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR TEKANA AN (kpa) P1 P2 P3 T EK A N A N (kpa ) P1 P2 P3 DEBIT AIR DEBIT AIR Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

51 Grafik hubungan vakum terhadap tekanan pompa GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA TEK A N A N V A K U M (kpa ) TEKANAN POMPA (kpa) P2 terhadap P1 TEKANAN VAK KUM (kpa TEKANAN POMPA (kpa) P2 terhadap P1 Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

52 Grafik hubungan suhu terhadap tekanan dalam chamber GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM SUHU U T2 terhadap P2 SUHU T2 terhadap P TEKANAN VAKUM (kpa) TEKANAN VAKUM (kpa) Gambar saat savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver Gambar saat savety valve tertutup dan menggunakan speed driver (R9)

53 Hasil simulasi menggunakan CFD Gambar distribusi tekanan pada kecepatan fluida 3.36 m/s

54 Hasil simulasi menggunakan CFD Gambar distribusi tekanan pada kecepatan fluida 3.36 m/s

55 Hasil simulasi menggunakan CFD Gambar distribusi temperatur pada kecepatan fluida 3.36 m/s

56 Hasil simulasi menggunakan CFD Gambar distribusi temperatur pada kecepatan fluida 3.36 m/s

57 Kesimpulan Dari mini plant yang telah dibuat, didapatkan vakum sampai 7.99 kpa, dengan rasio luasan inlet, lubang dalam dan luasan outlet venturi seluas 42 mm : 6 mm : 28 mm. Hasil ini lebih baik dari 6.65 kpa. Dari 5 variasi pengujian yang telah dilakukan. didapatkan variabel yang paling berpengaruh terhadap vakum yang dihasilkan adalah tekanan pompa (P1), yaitu : Pada saat tekanan pompa (P1) kpa dihasilkan vakum sebesar 7.99 kpa pada pengujian savety valve tertutup tanpa menggunakan speed driver pompa. Pada saat tekanan pompa (P1) kpa dihasilkan vakum sebesar 6.4 kpa pada pengujian savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver. Dari hasil simulasi dengan fluent 6.2 didapatkan nilai persebaran tekanan sekitar 2.5 kpa sampai kpa. Sedang nilai persebaran temperaturnya berkisar 302 K sampai 303 K.

58 Saran Mengubah ubah penggunaan rasio dimensi dari venturi yang berbeda - beda untuk menghasilkan tekanan vakum yang lebih besar dari sebelumnya. Design baru alat, bisa dilakukan pada simulasi CFD terlebih dahulu sebelum ada perbaikan lebih lanjut. Penelitian lebih lanjut dengan melibatkan perubahan suhu dan dalam chamber dikasih irisan buah, sehingga bisa di analisa sejauh mana hubungan tekanan vakum yang dihasilkan dengan perubahan suhunya dan kondisi buah dalam chamber tersebut.

59 Daftar Pustaka Granda, Claudia., G. Moreira, ROSANA Kinetics of Acrylamide Formation During Traditional and Vacuum Frying of Potato Chips. Journal of Food Process Engineering 28. Texas : Department of Biological and Agricultural Engineering Texas A & M University M. Olson, Reuben., J.Wright, Steven Dasar Dasar Mekanika Fluida Teknik Edisi Kelima. Jakarta : PT Gramedia Pustaka Utama Marquardt, Niels. Introduction To The Principles Of Vacuum Physics. Germany : Institute for Accelerator Physics and Synchrotron Radiation University of Dortmund

60 Joachim, Kopp. Benno, Grolik The Basics of Vacuum Technology Heeley, David Understanding Pressure and Pressure Measurement. Arizona : Freescale Semiconductor, Inc. Venturi Vacuum Generators What They Are and How to Design Them Into Your System. Melbourne : Teknocraft Inc UNEP Peralatan Energi Listrik Pompa dan Sistim Pemompaan. India : National Productivity Council Tuakia, Firman Dasar-Dasar CFD Menggunakan FLUENT. Bandung : Informatika Bandung.

61