SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA SUATU RUANGAN BERATAP GENTENG BERBAHAN KOMPOSIT PLASTIK-KARET MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: BENEDICTUS HENDY HANANTA PUTRA NIM. I0410012 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015
Simulasi Distribusi Temperatur Pada Suatu Ruangan Beratap Genteng Berbahan Komposit Plastik-Karet Menggunakan Ansys Fluent Benedictus Hendy Hananta Putra Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail : benedictus.hendy@gmail.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perbandingan distribusi temperatur ruangan yang beratap genteng dengan bahan komposit, tanah liat, dan asbes serta untuk mendapatkan rekomendasi bahan genteng yang dapat diaplikasikan. Proses simulasi untuk mendapatkan distribusi temperatur itu dengan software ANSYS Fluent. Setiap tahap akan divariasi dengan kecepatan udara 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s untuk setiap material genteng yang digunakan. Perpindahan panas yang terjadi ada tiga yaitu radiasi, konveksi, dan konduksi. Dinding ruangan akan menggunakan bahan bata, sedangkan atap divariasikan menggunakan tiga bahan genteng berbeda. Hasil simulasi temperatur ruangan pada variasi kecepatan 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s dicapai oleh bahan tanah liat dengan temperatur berturut-turut 305,98 K; 305,70 K; 304,61 K; 304,47 K; dan 304,32 K. Berdasarkan ANSI/ASHRAE standard 55-2004 dari hasil dari simulasi tersebut didapatkan distribusi temperatur terbaik menggunakan genteng berbahan komposit plastik-karet. Genteng berbahan komposit juga direkomendasikan sebagai genteng alternatif berdasarkan ANSI/ASHRAE standard 55-2004. Kata kunci : perpindahan panas, genteng komposit, simulasi iii
Simulation of Temperature Distribution in a Room Covered with Plastic- Rubber Composite Roof Tile With Ansys Fluent Benedictus Hendy Hananta Putra Mechanical Engineering Department The Faculty of Engineering, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E-mail : benedictus.hendy@gmail.com Abstract The objective of this research is to get a comparison of the distribution of the room temperature by using three materials, namely plastic-rubber composite, clay, asbestos, and also to get a recommendation tile materials that can be applied. ANSYS Fluent was used for the temperature distribution simulation. Each stage will be varied with the air speed of 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s for each tile material used. There are three heat transfers in this simulation, namely radiation, convection, and conduction. The operative temperature of the simulation results on the variation speed of 1 m/s, 2 m/s, 3m/s, 4 m/s, 5 m/s has achieved by clay material with successive temperature 305,98 K; 305,70 K; 304,61 K; 304,47 K; dan 304,32 K. Based on the ANSI / ASHRAE Standard 55-2004, the results of the simulation obtained that the best temperature distribution using tiles which made from plastic-rubber composites. Composite tile is also recommended as an alternative tile by ANSI / ASHRAE Standard 55-2004. Keywords: heat transfer, composite roof tile, simulation iv
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah memberikan berkat dan kesempatan sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi dengan judul Simulasi Distribusi Temperatur Pada Suatu Ruangan Beratap Genteng Berbahan Komposit Plastik-Karet Menggunakan Ansys Fluent ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Berbagai pihak telah ikut berperan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan memberikan arahan dan bimbingan serta motivasi. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih kepada: 1. Bapak Heru Sukanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I yang tanpa lelah memberikan bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini 2. Bapak Eko Prasetyo Budiana, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang dengan sabar memberikan bimbingan dan arahan sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 3. Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D, bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi., S.T., M.T., dan bapak Dr.Techn Suyitno, M.T selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberikan saran yang membangun 4. Bapak Dr. Nurul Muhayat., S.T., M.T. selaku koordinator Tugas Akhir dan bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi., S.T., M.T. selaku ketua jurusan Teknik Mesin UNS. 5. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 6. Kedua orangtua, kakak, dan adik yang selalu memberikan doa, semangat, dan dukungan selama penulis menyelesaikan tugas akhir. 7. Teman-teman teknik mesin angkatan 2010 yang telah mendukung dan memberikan waktu berbagi cerita saat penulis menemui permasalahan. 8. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. v
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Mei 2015 Penulis vi
DAFTAR ISI Halaman Judul... i Halaman Pengesahan... ii Abstrak... iii Kata Pengantar... v Daftar Isi... vii Daftar Gambar... ix Daftar Tabel... xi Daftar Notasi... xii Daftar Rumus... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 2 1.5. Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka... 4 2.2. Dasar Teori... 6 2.2.1. Persamaan Kontinuitas... 6 2.2.2. Persamaan Energi... 6 2.2.3. Persamaan Navier Stokes... 7 2.2.4. Turbulence Models... 7 2.2.5. Perpindahan panas pada ruangan... 8 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Alat dan Bahan yang Digunakan... 11 3.1.1. Alat... 11 3.1.2. Bahan... 11 3.2. Garis Besar Penelitian... 12 3.3 Penentuan Domain commit dan Kondisi to user Batas... 15 vii
3.3.1. Penentuan Domain... 15 3.3.2. Kondisi Batas... 15 3.4. Variasi Penelitian... 15 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Set Up Kondisi Umum Simulasi... 18 4.2.1. Turbulence Models... 18 4.2.2. Radiation Models... 18 4.2.3. Boundary Conditionss... 18 4.2. temperatur dan Vektor Kecepatan pada Ruangan... 19 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 35 5.2. Saran... 35 DAFTAR PUSTAKA Lampiran viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kondisi batas pada temperatur sinusoidal... 5 Gambar 2.2 Distribusi temperatur berbagai macam nilai R a... 5 Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konduksi... 8 Gambar 2.4 Lapis batas pada perpindahan panas secara konveksi... 9 Gambar 3.1 Keseimbangan termal ruangan... 13 Gambar 3.2 Diagram alir penelitian... 14 Gambar 3.3 Domain ruangan... 15 Gambar 3.4 Simulasi tahap pertama... 16 Gambar 4.1 Hasil meshing... 17 Gambar 4.2 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 1 m/s pada menit ke-30... 21 Gambar 4.3 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 2 m/s pada menit ke-30... 22 Gambar 4.4 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 3 m/s pada menit ke-30... 23 Gambar 4.5 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 4 m/s pada menit ke-30... 24 Gambar 4.6 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 5 m/s pada menit ke-30... 25 Gambar 4.7 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 1 m/s pada samping ruangan... 26 Gambar 4.8 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 2 m/s pada menit ke-30... 27 Gambar 4.9 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 3 m/s pada menit ke-30... 28 Gambar 4.10 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 4 m/s pada menit ke-30... 29 Gambar 4.11 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 5 m/s pada menit ke-30... 30 ix
Gambar 4.12 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu pada ruangan beratap genteng komposit... 32 Gambar 4.13 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu pada ruangan beratap genteng tanah liat... 33 Gambar 4.13 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu pada ruangan beratap genteng asbes... 34 x
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Properties genteng komposit... 11 Tabel 3.2 Thermodynamic properties of glass plate material...... 11 Tabel 3.3 Thermodynamic properties of glass plate material...... 12 Tabel 3.4 Nilai emisivitas bahan... 12 Tabel 4.1 Tebal material yang digunakan... 19 Tabel 4.2 Kondisi batas terowongan udara... 19 Tabel 4.3 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada ruangan beratap genteng komposit... 31 Tabel 4.4 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada ruangan beratap genteng tanah liat... 31 Tabel 4.5 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada ruangan beratap genteng asbes... 31 xi
perpustakaan.uns.ac.id DAFTAR NOTASI h = luas [m 2 ] = panas spesifik [J/(kg.K)] = koefisien perpindahan panas konveksi [W/(m 2.K)] = koefisien perpindahan panas konduksi [W/(m.K)] = koefisien perpindahan panas radiasi [W/(m.K)] = laju energi panas secara konveksi [W] = laju energi panas secara radiasi [W] = Rayleigh number = temperatur [K] = waktu [s] = massa jenis [kg/m 3 ] = viskositas dinamik [Pa.s] xii
DAFTAR RUMUS Rumus 2.1 Persamaan Kontinuitas... 6 Rumus 2.2 Persamaan Energi... 6 Rumus 2.3 Persamaan Navier Stokes pada sumbu x... 7 Rumus 2.4 Persamaan Navier Stokes pada sumbu y... 7 Rumus 2.5 Persamaan Navier Stokes pada sumbu z... 7 Rumus 2.6 Persamaan pemodelan Turbulen... 7 Rumus 2.7 Persamaan perpindahan panas secara konduksi... 8 Rumus 2.8 Persamaan perpindahan panas secara konveksi... 9 Rumus 2.9 Persamaan perpindahan panas secara radiasi... 10 xiii