ANALISIS NUMERIK DAN PENGUJIAN OVEN GAS

Transkripsi

1 ANALISIS NUMERIK DAN PENGUJIAN OVEN GAS TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh Nicky Andra Febrian PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Lembaran Pengesahan Tugas Sarjana Analisis Numerik dan Pengujian Oven Gas Oleh: Nicky Andra Febrian Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: 15 Februari 2008 Pembimbing, Dr. Ir. Abdurrachim Halim NIP:

3 Judul Analisis Numerik Dan Pengujian Oven Gas Nicky Andra Febrian Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Oven merupakan alat yang digunakan untuk memanggang makanan dengan cara melewatkan gas panas yang berasal dari hasil pembakaran bahan bakar atau energi listrik. Oven yang menjadi objek studi penulis adalah oven yang telah dibuat dan diproduksi oleh mahasiswa lain, yang memiliki distribusi temperatur didalam oven yang hampir merata. Dalam tugas akhir ini penulis melakukan analisis numerik untuk memperoleh distribusi temperatur dan kecepatan gas didalam oven tersebut. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan disain oven yang memiliki temperatur dalam yang merata. Analisis numerik dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Fluent dan Gambit. Geometri dari oven yang dikaji dimodelkan dalam perangkat lunak Gambit, selanjutnya dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak Fluent. Untuk membandingkan hasil yang didapat dari analisis numerik, dilakukan pengujian untuk mengukur temperatur dalam oven pada titik-titik yang telah ditentukan. Pengukuran temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopel yang dihubungkan dengan sistem data akuisisi. Hasil analisis numerik dengan hasil pengujian menunjukkan kesesuaian yang baik. Perhitungan numerik dikembangkan untuk memperoleh distribusi temperatur yang lebih baik, dengan cara mengubah geometri isolasi dan luas penampang aliran gas masuk oven. Hasil yang diperoleh menunjukkan perbedaan temperatur maksimal yang terjadi didalam oven adalah sebesar 16,1 0 C untuk diameter penampang gas masuk bagian bawah dan tengah 7,5 mm serta diameter penampang bagian atas adalah 15 mm.

4 Title Numerical Analysis and Testing of Gas Oven Nicky Andra Febrian Major Mechanical Engineering Faculty of Mechanical Engineering and Aerospace Engineering Bandung Institute of Technology Abstract An oven is an appliance to cook food by means of passing hot gasses that hails from fuel combustions or electrical energy. The oven that is used as the object of study in this research is an already previously fabricated and produced by other students, which possess a uniform temperature distribution in the oven s interior. In this final project, a numerical analysis is conducted to find the temperature distribution and gas velocity inside the oven to find an oven design which has an even interior temperature. Numerical analysis is conducted by using Fluent and Gambit software s. The oven s geometry is modeled in Gambit and then afterwards it is analyzed by using Fluent. To evaluate the results from the numerical analysis, an experiment is conducted to measure the temperature inside the oven on predetermined points. Temperature is measured by using thermocouples connected to a data acquisition system. Agreement between numerical and experimental results is achieved. Numerical calculation is then carried out to find a better temperature distribution by changing the isolation geometry and the cross section area of the oven s gas inlet. The results shows that the maximum temperature difference inside the oven is 16,1 C for the inlet gas diameter of 7,5 mm each at lower to middle part and 15 mm each at the upper part of the oven.

5 Kata Pengantar Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat dan petunjuk-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Selama penyelesaian tugas sarjana ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang mudah-mudahan dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis. Tugas sarjana ini dapat terselesaikan berkat bimbingan, dukungan dan doa dari semua pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua penulis yang selalu memberikan dukungan tiada henti untuk belajar. 2. Bapak Dr. Ir. Abdurrahim Halim atas bimbingannya selama ini sehingga tugas akhir ini dapat selesai tepat pada waktunya. 3. Teman-teman angkatan 2003, khususnya Adrie, Faiza, Astrid, Adit, Ardaya, Arno, dan Ikun yang telah bersedia membantu dalam kelancaran menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Teman-teman asisten laboratorium surya yang sudah bersedia membantu mengangkat oven bila diperlukan. 5. Teman dekat penulis yaitu Ayu Wulandari yang selalu memberikan dukungan moral. 6. Para teknisi laboratorium Surya yang selalu bersedia membantu bila penulis mendapatkan kesulitan. 7. Mas Jusman yang telah meluangkan waktunya untuk berkonsultasi. 8. Semua pihak yang belum penulis sebutkan, tetapi mempunyai andil dalam penulisan tugas sarjana ini. Penulis berharap tugas sarjana dapat berguna untuk perkembangan dan kemajuan teknologi di Indonesia. Untuk itu, penulis mengharapkan kritik ataupun saran yang membangun demi kesempurnaan tugas sarjana ini. Bandung, 13 Februari 2008 Nicky Andra Febrian i

6 DAFTAR ISI Kata Pengantar..i DAFTAR ISI...ii DAFTAR GAMBAR...v DAFTAR TABEL.viii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Tujuan penelitian... 2 I.3 Batasan Masalah... 3 I.4 Metodologi Penelitian... 3 BAB II TEORI DASAR DAN TINJAUAN PUSTAKA... 4 II. 1 Perpindahan Panas... 4 II.1.1 Konduksi... 4 II.1.2 Konveksi... 5 II.1.3 Radiasi... 6 II. 2 Proses Pembakaran... 7 II. 3 Pengenalan Perangkat Lunak FLUENT II.3.1 Struktur Program II.3.2 Kemampuan FLUENT II.3.3 Graphical User Interface (GUI) II.3.4 Prosedur Simulasi Aliran dan Temperatur II.3.5 Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT II Membuat Geometri ii

7 II Proses Meshing II Tipe Batas dan Kontinum II.3.6 II II II II II II Menggunakan FLUENT Untuk Simulasi Aliran Udara 3D Pemilihan Solver Mengimpor Model dan Memeriksa Mesh Parameter Solver Formulasi Solver Waktu (Time) Model Turbulensi II Model k II II Kondisi Operasi Kondisi Batas II Metode Spesifikasi Aliran Turbulen II Iterasi II. 4 Tinjauan Umum Tentang Oven II. 4.1 Klasifikasi Oven II. 4.2 Tinjauan Oven yang Digunakan Sebagai Oven Uji BAB III SIMULASI NUMERIK OVEN HASIL MODIFIKASI III.1 Permodelan Geometri dengan Perangkat Lunak Gambit III.2 Analisis Numerik Dengan Perangkat Lunak Fluent III.3 Hasil Analisis Numerik III.3.1 III.3.2 III.3.3 III.3.4 Analisis numerik Analisis Numerik Analisis Numerik Analisis Numerik iii

8 BAB IV PENGUJIAN OVEN HASIL MODIFIKASI IV.1 Tujuan Pengujian IV.2 Peralatan Pengujian IV.3 Prosedur Pengujian IV.4 Hasil Pengujian IV.5 Analisis Pengujian IV.6 Perbandingan Data Temperatur Yang Diperoleh Melalui Pengujian Dan Analisis Numerik BAB V KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA iv

9 DAFTAR GAMBAR Gambar Konduksi. [1]... 5 Gambar Konveksi : (a) Konveksi paksa ; (b) Konveksi bebas ; (c) Kondensasi ; (d) Boiling. [1]... 6 Gambar 2.3. Radiasi. [1]... 7 Gambar 2.4. Segitiga Api. [2]... 8 Gambar 2.5. Struktur komponen FLUENT. [3] Gambar 2.6. Tampilan konsol FLUENT Gambar 2.7. Tampilan jendela grafis vektor kecepatan Gambar 2.8. Prosedur pemodelan menggunakan FLUENT Gambar 2.9. GUI pada GAMBIT Gambar Pemilihan parameter pada menu solver Gambar Prosedur iterasi pada formulasi solver segregated Gambar Pengelompokan model Turbulensi FLUENT. [3] Gambar Oven Pemanasan Langsung Secara Kontinu [6] Gambar Oven Pemanasan Langsung Secara Batch. [6] Gambar Oven Dengan Pemanasan Tidak Langsung Secara Batch. [7] Gambar Oven Dengan Pemanasan Tidak Langsung Secara Kontinu. [8] Gambar Dutch Oven. [9] Gambar Solar Oven [10] Gambar Brick Oven. [11] Gambar Pizza Oven. [12] Gambar Mini Oven. [13] Gambar Toaster Oven. [14] Gambar Oven hasil kombinasi Gambar 3.1. Geometri Oven Gambar 3.2. Geometri fluida dalam oven Gambar 3.3. Penentuan kondisi batas Gambar 3.4. Distribusi temperatur dalam oven (inlet 300) v

10 Gambar 3.5. Distribusi temperatur inlet 300 (potongan melintang dan membujur) Gambar 3.6. Distribusi kecepatan dalam oven dengan inlet 300 (kontur kecepatan) Gambar 3.7. Distribusi temperatur dalam oven (inlet 250) Gambar 3.8. Distribusi temperatur inlet 250 (potongan melintang dan membujur) Gambar 3.9. Distribusi kecepatan dalam oven dengan inlet 250 (kontur kecepatan) Gambar Distribusi temperatur dalam oven (inlet 350) Gambar Distribusi temperatur inlet 350 (potongan melintang dan membujur) Gambar Distribusi kecepatan dalam oven dengan inlet 350 (kontur kecepatan) Gambar 4.1. Oven hasil modifikasi Gambar 4.2. Seperangkat data akuisisi Gambar 4.3. Titik-titik ukur pada oven Gambar 4.4. Grafik data pengujian 1 api menyala Gambar 4.5. Warna api pada pengujian Gambar 4.6. Grafik data pengujian 2 api menyala Gambar 4.7. Warna api pada pengujian Gambar 4.8. Grafik data pengujian 3 api menyala Gambar 4.9. Warna api pada pengujian Gambar Grafik data pengujian 4 api menyala Gambar Warna api pada pengujian Gambar Distribusi temperatur dalam oven (inlet 350, lubang atas lebih besar) Gambar Distribusi temperatur inlet 350 (potongan melintang & membujur) lubang atas lebih besar Gambar Distribusi kecepatan dalam oven inlet 350 (lubang atas lebih besar) vi

11 Gambar Distribusi temperatur dalam oven (inlet 350, isolasi membesar keatas) Gambar Distribusi temperatur inlet 350 (potongan melintang & membujur) isolasi membesar keatas Gambar Distribusi kecepatan dalam oven inlet 350 (isolasi membesar keatas) vii

12 DAFTAR TABEL Tabel Nama Bidang Batas Pemodelan Sistem dan Tipenya Tabel 3.2. Jumlah Elemen Mesh Dalam Model Tabel 3.3. Data Bidang Batas Tabel 3.4. Data Material Tabel 3.5. Data Bidang Batas Analisis Numerik Tabel 3.6. Profil Temperatur Analisis Numerik 1 Pada Titik Yang Serupa Dengan Titik Pengukuran Pada Pengujian Tabel 3.7. Data Bidang Batas Analisis Numerik Tabel 3.8. Profil Temperatur Analisis Numerik 2 Pada Titik Yang Serupa Dengan Titik Pengukuran Pada Pengujian Tabel 3.9. Data Bidang Batas Analisis Numerik Tabel Profil Temperatur Analisis Numerik 4 Pada Titik Yang Serupa Dengan Titik Pengukuran Pada Pengujian Tabel Temperatur Pada Tiap Titik Pengukuran Tabel 4.3. Perbandingan Data Yang Diperoleh Dari Pengujian dan Analisis Numerik Tabel 4.4. Profil Temperatur Perbaikan Desain (lubang atas lebih besar) Pada Titik Yang Serupa Dengan Titik Pengukuran Pada Pengujian Tabel 4.5. Profil Temperatur Perbaikan Desain (Isolasi Membesar Keatas) Pada Titik Yang Serupa Dengan Titik Pengukuran Pada Pengujian viii