PENGARUH MODIFIKASI BOUNDARY CONDITION PADA STAMP-TYPE SENSOR TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: GINANJAR SYAMSUL PAMUNGKAS NIM. I0410021 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2015 to user
ii
MOTTO Allah akan meninggikan orang-orang beriman diantara kamu dan orang-orang yang berilmu beberapa derajat. (QS. Al Mujadillah: 11) Orang luar biasa itu sederhana dalam ucapan tetapi hebat dalam tindakan. (Confusius) Kegagalan bukanlah sesuatu yang harus disesalkan karena dalam kegagalan terdapat pelajaran menuju keberhasilan Keikhlasan dan kejujuran dalam setiap langkah kehidupan akan menjadikan suci menuju Ridlo-Nya, karena sesungguhnya suci itu indah, baek dan benar Tersenyumlah dan selalu tersenyum walau dunia tidak pernah tersenyum pada kita, berjuanglah dalam semangat, ikhlas dan kejujuran karena hal itu akan membawa kita kepada kesucian hati dan Ridlo-Nya iii
PERSEMBAHAN Karya ini kupersembahkan untuk: 1. Ayahku dan ibuku tercinta yang selalu memberikan segala dukungan dan doa yang tiada henti. 2. Mbak Mutiah, Mas Temi, Mas Muhbin, Mas Ashof serta semua keluarga untuk motivasi dan inspirasinya. 3. Teman-teman Mesin 2010 untuk segala kebersamaannya selama ini. 4. Kekasih tercinta Hartini yang selalu memotivasi, tak pernah henti untuk menyemangati, dan selalu menemani disaat susah. iv
ABSTRAK Ginanjar Syamsul Pamungkas, Pengaruh Modifikasi Boundary Condition Pada Stamp-Type Sensor Terhadap Distribusi Temperatur. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik. Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penelitian tentang modifikasi boundary condition pada stamp-type sensor ini bertujuan untuk mengetahui distribusi temperatur dari stamp-type sensor pada kondisi nyata. Desain stamp-type sensor meliputi coating, heater, base, gel, dan sampel. Tugas Akhir ini membahas tentang pengaruh perubahan kondisi batas stamp-type sensor dari isolasi menjadi konveksi terhadap distribusi suhu. Modifikasi boundary condition pada stamp-type sensor meliputi penentuan kondisi lingkungan, dan persamaan atur. Penelitian dilakukan menggunakan program Fortran dengan metode volume hingga. Kondisi batas dirubah dari isolasi menjadi konveksi menggunakan persamaan atur yang sesuai untuk kondisi konveksi. Hasilnya menunjukkan bahwa perubahan kondisi batas dari isolasi menjadi konveksi berpengaruh terhadap distribusi temperatur dari stamp-type sensor yaitu mengalami penurunan temperatur. Kata kunci : Stamp-type sensor, perpindahan panas, isolasi, konveksi v
ABSTRACT Ginanjar Syamsul Pamungkas, The Modification Effect of Boundary Condition on Stamp-Type Sensor Concerning Temperature Distribution. Department of Mechanical Engineering. Faculty of Engineering. Sebelas Maret University. Surakarta The research about modification of boundary condition on stamp-type sensor useful to know temperature distribution of stamp-type sensor in real conditions. The stamp-type sensor design consist of coating, heater, base, gel, and sample. This final project focuses of the influence of changes in boundary conditions of the stamp-type sensors from insulation into convection against temperature distribution. Modifications stamp-type sensors include determining the environmental conditions, and the equation set. The study conducted using a Fortran program with a finite volume method. The boundary conditions changed from isolation into convection using the equation set corresponding to convection conditions. The results show that the changes in the boundary conditions from isolation into a convection effect to the temperature distribution of the stamp-type sensors which experienced drop in temperature. Keywords: Stamp-type sensor, heat transfer, insulation, convection vi
KATA PENGANTAR Bismillahirrohmanirrohim, segala puji dan rasa syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan segala kemudahan-nya hingga akhirnya penulis mampu menyelesaikan laporan Tugas Akhir dengan judul Pengaruh Modifikasi Boundary Condition Pada Stamp-Type Sensor Terhadap Distribusi Temperatur. Berbagai pihak telah ikut berperan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan memberikan arahan dan bimbingan serta motivasi. Untuk itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing I tugas akhir yang telah mengarahkan dan selalu memberikan semangat kepada penulis. 2. Bapak Eko Prasetyo B, S.T., M.T. selaku pembimbing II tugas akhir yang telah mengarahkan dan selalu memberikan semangat kepada penulis. 3. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T., Bapak Dr. Techn. Suyitno, M.T., dan Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T. selaku Dosen Penguji. 4. Kakak-kakakku yang tidak henti-hentinya memberikan doa dan dukungannya sehingga tugas akhir dapat terselesaikan dengan baik. 5. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2010 yang telah menyediakan waktu untuk membagi ilmu dan gurauan mereka ketika penulis memiliki permasalahan. 6. Teman yang menemani dan menyemangati saya ketika menyelesaikan penulisan. 7. Semua pihak yang terkait dalam pembuatan laporan ini. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan masukan dan saran yang membangun. Penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Surakarta, Agustus 2015 Penulis vii
DAFTAR ISI ABSTRAK... v KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR RUMUS... xiii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Tujuan Penulisan... 2 1.5 Manfaat Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka... 4 2.2 Dasar Teori... 5 2.2.1 Stamp-Type Sensor... 5 2.2.2 Laser Flash Method... 7 2.2.3 Transient Plane Source Method... 9 2.2.4 Persamaan Atur Konduksi... 11 2.2.5 Kondisi Batas... 11 2.2.6 Meshing... 12 2.2.7 Metode Volume Hingga... 15 2.2.8 Program dengan Analisis Metode Volume Hingga (Finite Volume Method)... 17 2.2.9 Skema Beda Tengah (Central Difference Scheme)... 21 2.2.10 Successive Over-Relaxation (SOR)... 22 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Metode Penelitian... 23 viii
3.2 Alat dan Bahan... 26 3.3 Prosedur Penelitian... 27 3.3.1 Running Program Isolasi... 27 3.3.2 Running Program Konveksi... 29 3.4 Persamaan Distribusi Panas... 30 3.5 Algoritma Pemrograman... 33 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Identifikasi Program Isolasi... 36 4.1.1 Identifikasi Suhu Rata-Rata Permukaan RTH1 dan RTH2... 36 4.1.2 Identifikasi Koefisien Konveksi... 38 4.2 Identifikasi Program Konveksi... 39 4.3 Perbandingan Isolasi dan Konveksi... 44 4.4 Perhitungan Nilai Error Data Isolasi dan Konveksi Terhadap Data Eksperimen... 49 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 52 5.2 Saran... 52 DAFTAR PUSTAKA... 53 LAMPIRAN... 55 ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Stamp-type sensor... 6 Gambar 2.2 Bagian stamp-type sensor... 6 Gambar 2.3 Susunan material stamp-type sensor... 7 Gambar 2.4 Boundary condition dari sistem stamp-type sensor... 7 Gambar 2.5 Skema pemanasan laser flash method... 8 Gambar 2.6 Prinsip dasar (model) dari TPS method... 9 Gambar 2.7.a Profil sensor dan skema eksperimen kapton7280... 10 Gambar 2.7.b Profil sensor dan skema eksperimen kapton isolasi layer... 10 Gambar 2.8 Polinomial orde kedua mendekati fungsi aktual... 12 Gambar 2.9 Polinomial orde kedua dengan perbedaan jarak... 14 Gambar 2.10.a Pembagian control volume satu dimensi... 16 Gambar 2.10.b Panjang control volume... 16 Gambar 2.11 Grid dua dimensi... 16 Gambar 2.12 Grid tiga dimensi... 17 Gambar 2.13Analogi grid dua dimensi... 17 Gambar 2.14 Nomenclature for the derivation of the heat conduction equation.. 18 Gambar 2.15 Ilustrasi beda hingga beda tengah orde kedua u terhadap x... 21 Gambar 3.1.a Boundary condition stamp-type sensor isolasi... 23 Gambar 3.1.b Boundary condition stamp-type sensor konveksi... 23 Gambar 3.2 Meshing Program... 24 Gambar 3.3 Macam Kondisi Batas Sistem... 25 Gambar 3.4 Sistem Konduksi-Konveksi... 28 Gambar 3.5 Bagian ujung meshing stamp-type sensor... 30 Gambar 3.6 Bagian tengah meshing stamp-type sensor... 31 Gambar 3.7 Diagram alir program... 34 Gambar 4.1 Perbandingan kenaikan suhu rata-rata permukaan RTH 1 (jc) dan kenaikan suhu rata-rata permukaan RTH 2 (jc+1) terhadap waktu untuk material sampel keramik... 37 Gambar 4.2 Hubungan koefisien konveksi terhadap waktu... 38 x
Gambar 4.3 Kenaikan suhu rata-rata dari heater sebagai fungsi waktu untuk material keramik... 40 Gambar 4.4 Hubungan kenaikan suhu hasil konveksi terhadap jarak distribusi arah r untuk material keramik... 40 Gambar 4.5 Hubungan kenaikan suhu hasil konveksi terhadap jarak distribusi arah z untuk material keramik... 41 Gambar 4.6 Perbandingan kenaikan suhu rata-rata dari heater hasil konveksi dan isolasi sebagai fungsi waktu untuk material keramik... 45 Gambar 4.7 Perbandingan kenaikan suhu hasil konveksi dan isolasi terhadap jarak distribusi arah r untuk material keramik... 46 Gambar 4.8 Perbandingan kenaikan suhu hasil konveksi dan isolasi terhadap jarak distribusi arah z untuk material keramik... 46 xi
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Bagian dan sifat material stamp-type sensor... 26 Tabel 3.2 Sifat material sampel uji stamp-type sensor... 27 Tabel 4.1 Hasil running program konveksi... 41 Tabel 4.2 Perbandingan suhu pada material... 43 Tabel 4.3 Perbandingan hasil isolasi dan konveksi... 44 Tabel 4.4 Perbandingan distribusi temperatur isolasi dan eksperimen... 50 Tabel 4.5 Perbandingan distribusi temperatur konveksi dan eksperimen... 51 xii
DAFTAR RUMUS Rumus 2.1 Persamaan perpindahan panas konduksi 2D sistem silindris unsteady dengan sumber panas... 6 Rumus 2.2 Persamaan difusivitas termal dalam kasus perpindahan panas konduksi 1D... 8 Rumus 2.3 Persamaan perpindahan panas konduksi 1D... 8 Rumus 2.4 Persamaan perpindahan panas konduksi 2D sistem silindris unsteady dengan sumber panas internal... 10 Rumus 2.5 Persamaan konduksi dalam benda padat dengan sifat fisik seragam dan tanpa sumber panas... 11 Rumus 2.6 Persamaan konduksi tunak dengan sumber panas... 11 Rumus 2.7 Persamaan konduksi tunak tanpa sumber panas... 11 Rumus 2.29 Persamaan konduksi 2D kondisi unsteady... 17 Rumus 2.30 Persamaan kesetimbangan energi... 18 Rumus 2.39 Persamaan konduksi 2D kondisi unsteady sistem silindris... 20 Rumus 2.46 Persamaan beda tengah orde kedua... 21 Rumus 2.50 Persamaan SOR... 22 Rumus 3.1 Persamaan koefisien konveksi... 28 Rumus 3.2 Persamaan biot number... 30 Rumus 3.3 Persamaan perpindahan panas sistem... 31 Rumus 4.1 Persamaan koefisien konveksi... 39 Rumus 4.2 Persamaan konduksi... 49 Rumus 4.2 Persamaan perhitungan nilai error... 49 xiii
DAFTAR NOTASI Bi = Biot number d = Tebal (m) h = Koefisien konveksi (W/m 2 K) L = Panjang area (m) k = Konduktivitas Termal (W/m.K) T = Temperatur (K) = Temperatur lingkungan (K) T s,1 = Temperatur permukaan bawah (K) T s,2 = Temperatur permukaan atas (K) T = Temperatur lingkungan (K) T = Kenaikan Temperatur (selisih suhu stamp-type sensor setelah dipanaskan selama 5 detik dengan suhu lingkungan) (K) q v = Tingkat perpindahan panas (W) = Difusivitas termal (m 2 /s) ρ = Densitas (kg/m 3 ) = Panas jenis (J/(kg K) = Konduktifitas termal (W/m.K) T t T r T z = Penurunan suhu terhadap waktu = Gradient suhu arah r = Gradient suhu arah z xiv