Andika Prasetya amp Aji Riyanto (1303035008) (1303035004)

TUGAS KIMIA TEKNIK FLUIDA PLASMA

TEKNIK MESIN ndash FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH

PROFDRHAMKA JAKARTA

2013

FLUIDA PLASMA

TEKNIK MESIN ndash FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH

PROFDRHAMKA Jalan Tanah Merdeka No6 pasar rebo Jakarta

timur Indonesia

24 ndash November ndash 2013 M Cetak Pertama 20 ndash Muharrom ndash 1435 H

PRAKATA

Buku materi tentang fluida plasma dan aplikasinya dibuat agar dapat megantarkan para pembaca maupun yang ingin menambah wawasan pengetahuan mengenai filosofi tentang fase wujud zat yang ke empat setelah padat cair dan gas Buku ini sangat bermanfaat bagi kita yang saat ini berada di zaman abad ke XXI yang serba modern dari mulai lampu television dalam bidang otomotif penerbangan dan dalam perindustrian yang serba menggunakan plasma

Isi buku ini memuat pengenalan pemahaman dan sejarah agar dapat menguasai proses terbentuknya wujud zat yang ke empat tersebut di aplikasikan di dunia industryelektonik dan biomedical yang sering kita nikmati setiap hari

Harapan penulis agar buku ini bermanfaat untuk menghadapi masa depan yang terjadi di dunia

iii

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih yang tiada terhingga kepada

1 Allah SWTyang telah memberikan kesehatan jasmani dan rohani yang diberikan agar bisa membuat tugas buku ini

2 Ir IrwandyMIMMsc selaku guru kimia teknik yang selalu membimbing agar mahasiswa mampu mandiri

3 Eka kusmaraselaku sahabat yang telah membantu dalam hal memproses tugas buku ini

4 Sopyan muadz selaku teman yang telah memberikan tempat kostannya untuk bisa mengerjakan tugas buku ini

Sambung saran dari pembaca buku ini sangatlah diharapkan demi penyempurnaan selanjutnya Semoga buku ini dapat bermanfaat dalam mengisi pengetahuan yang bermanfaat bagi nusa dan bangsa

Jakarta 22 November 2013

18 Muharrom 1435

Andika Prasetya amp Aji Riyanto

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PRAKATA iii DAFTAR ISI v I PENDAHULUAN 1 I1 Pengertian fluida helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 I2 Pengertian plasmahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 II TEKNOLOGI PLASMAhelliphelliphelliphelliphellip 17 II1 Teknologi plasma dalam dunia teknik kimiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17 II2 Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19 III BERBAGAI APLIKASI PLASMAhelliphellip 23 III1 Computational fluid dynamics (CFD)helliphellip 23 III2 Plasma Jethelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 III3 Plasma display panelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90 III4 plasma dalam industry makanan helliphelliphelliphellip 96 DAFTAR PUSTAKAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

v

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

FLUIDA PLASMA

TEKNIK MESIN ndash FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH

PROFDRHAMKA Jalan Tanah Merdeka No6 pasar rebo Jakarta

timur Indonesia

24 ndash November ndash 2013 M Cetak Pertama 20 ndash Muharrom ndash 1435 H

PRAKATA

Buku materi tentang fluida plasma dan aplikasinya dibuat agar dapat megantarkan para pembaca maupun yang ingin menambah wawasan pengetahuan mengenai filosofi tentang fase wujud zat yang ke empat setelah padat cair dan gas Buku ini sangat bermanfaat bagi kita yang saat ini berada di zaman abad ke XXI yang serba modern dari mulai lampu television dalam bidang otomotif penerbangan dan dalam perindustrian yang serba menggunakan plasma

Isi buku ini memuat pengenalan pemahaman dan sejarah agar dapat menguasai proses terbentuknya wujud zat yang ke empat tersebut di aplikasikan di dunia industryelektonik dan biomedical yang sering kita nikmati setiap hari

Harapan penulis agar buku ini bermanfaat untuk menghadapi masa depan yang terjadi di dunia

iii

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih yang tiada terhingga kepada

1 Allah SWTyang telah memberikan kesehatan jasmani dan rohani yang diberikan agar bisa membuat tugas buku ini

2 Ir IrwandyMIMMsc selaku guru kimia teknik yang selalu membimbing agar mahasiswa mampu mandiri

3 Eka kusmaraselaku sahabat yang telah membantu dalam hal memproses tugas buku ini

4 Sopyan muadz selaku teman yang telah memberikan tempat kostannya untuk bisa mengerjakan tugas buku ini

Sambung saran dari pembaca buku ini sangatlah diharapkan demi penyempurnaan selanjutnya Semoga buku ini dapat bermanfaat dalam mengisi pengetahuan yang bermanfaat bagi nusa dan bangsa

Jakarta 22 November 2013

18 Muharrom 1435

Andika Prasetya amp Aji Riyanto

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PRAKATA iii DAFTAR ISI v I PENDAHULUAN 1 I1 Pengertian fluida helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 I2 Pengertian plasmahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 II TEKNOLOGI PLASMAhelliphelliphelliphelliphellip 17 II1 Teknologi plasma dalam dunia teknik kimiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17 II2 Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19 III BERBAGAI APLIKASI PLASMAhelliphellip 23 III1 Computational fluid dynamics (CFD)helliphellip 23 III2 Plasma Jethelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 III3 Plasma display panelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90 III4 plasma dalam industry makanan helliphelliphelliphellip 96 DAFTAR PUSTAKAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

v

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

PRAKATA

Buku materi tentang fluida plasma dan aplikasinya dibuat agar dapat megantarkan para pembaca maupun yang ingin menambah wawasan pengetahuan mengenai filosofi tentang fase wujud zat yang ke empat setelah padat cair dan gas Buku ini sangat bermanfaat bagi kita yang saat ini berada di zaman abad ke XXI yang serba modern dari mulai lampu television dalam bidang otomotif penerbangan dan dalam perindustrian yang serba menggunakan plasma

Isi buku ini memuat pengenalan pemahaman dan sejarah agar dapat menguasai proses terbentuknya wujud zat yang ke empat tersebut di aplikasikan di dunia industryelektonik dan biomedical yang sering kita nikmati setiap hari

Harapan penulis agar buku ini bermanfaat untuk menghadapi masa depan yang terjadi di dunia

iii

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih yang tiada terhingga kepada

1 Allah SWTyang telah memberikan kesehatan jasmani dan rohani yang diberikan agar bisa membuat tugas buku ini

2 Ir IrwandyMIMMsc selaku guru kimia teknik yang selalu membimbing agar mahasiswa mampu mandiri

3 Eka kusmaraselaku sahabat yang telah membantu dalam hal memproses tugas buku ini

4 Sopyan muadz selaku teman yang telah memberikan tempat kostannya untuk bisa mengerjakan tugas buku ini

Sambung saran dari pembaca buku ini sangatlah diharapkan demi penyempurnaan selanjutnya Semoga buku ini dapat bermanfaat dalam mengisi pengetahuan yang bermanfaat bagi nusa dan bangsa

Jakarta 22 November 2013

18 Muharrom 1435

Andika Prasetya amp Aji Riyanto

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PRAKATA iii DAFTAR ISI v I PENDAHULUAN 1 I1 Pengertian fluida helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 I2 Pengertian plasmahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 II TEKNOLOGI PLASMAhelliphelliphelliphelliphellip 17 II1 Teknologi plasma dalam dunia teknik kimiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17 II2 Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19 III BERBAGAI APLIKASI PLASMAhelliphellip 23 III1 Computational fluid dynamics (CFD)helliphellip 23 III2 Plasma Jethelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 III3 Plasma display panelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90 III4 plasma dalam industry makanan helliphelliphelliphellip 96 DAFTAR PUSTAKAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

v

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih yang tiada terhingga kepada

1 Allah SWTyang telah memberikan kesehatan jasmani dan rohani yang diberikan agar bisa membuat tugas buku ini

2 Ir IrwandyMIMMsc selaku guru kimia teknik yang selalu membimbing agar mahasiswa mampu mandiri

3 Eka kusmaraselaku sahabat yang telah membantu dalam hal memproses tugas buku ini

4 Sopyan muadz selaku teman yang telah memberikan tempat kostannya untuk bisa mengerjakan tugas buku ini

Sambung saran dari pembaca buku ini sangatlah diharapkan demi penyempurnaan selanjutnya Semoga buku ini dapat bermanfaat dalam mengisi pengetahuan yang bermanfaat bagi nusa dan bangsa

Jakarta 22 November 2013

18 Muharrom 1435

Andika Prasetya amp Aji Riyanto

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PRAKATA iii DAFTAR ISI v I PENDAHULUAN 1 I1 Pengertian fluida helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 I2 Pengertian plasmahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 II TEKNOLOGI PLASMAhelliphelliphelliphelliphellip 17 II1 Teknologi plasma dalam dunia teknik kimiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17 II2 Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19 III BERBAGAI APLIKASI PLASMAhelliphellip 23 III1 Computational fluid dynamics (CFD)helliphellip 23 III2 Plasma Jethelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 III3 Plasma display panelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90 III4 plasma dalam industry makanan helliphelliphelliphellip 96 DAFTAR PUSTAKAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

v

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

DAFTAR ISI

PRAKATA iii DAFTAR ISI v I PENDAHULUAN 1 I1 Pengertian fluida helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 I2 Pengertian plasmahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 II TEKNOLOGI PLASMAhelliphelliphelliphelliphellip 17 II1 Teknologi plasma dalam dunia teknik kimiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17 II2 Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19 III BERBAGAI APLIKASI PLASMAhelliphellip 23 III1 Computational fluid dynamics (CFD)helliphellip 23 III2 Plasma Jethelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 III3 Plasma display panelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90 III4 plasma dalam industry makanan helliphelliphelliphellip 96 DAFTAR PUSTAKAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

v

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

I Pendahuluan

Pengertian fluida

Fluida adalah berbagai zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah tempatnya Bila berada dalam keseimbangan fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel pada medan aliran Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas) Kekentalan adalah sifat zat cair untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerakmengalir Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua macam

1

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminer Aliran laminer terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminer manjadi turbulen Pada aliran turbulen dari partikel zat cair bergerak secara tidak teratur (Triatmodjo B 1993) Bila fluida diberi tegangan geser maka ia akan mengalami perubahan bentuk dengan kata lain ia mengalami regangan geser Selain itu bagian yang terkena tegangan geser langsung akan bergerak inilah yang disebut sebagai aliran Jadi jelaslah bahwa zat padat tidak tergolong fluida karena bila dikenai tegangan geser zat padat tidak akan mengalir (Sardjito 2000) Osborne Reynolds berpendapat bahwa tipe aliran tergantung dari kecepatan kerapatan dan kekentalan dari cairan dan ukuran dari tempat mengalirnya dan tergantung pula dari angka Reynolds (Kodoatie J R 2001) Kekentalan zat cair menyebabkan terbentuknya berbagai gaya geser antara dua elemen zat cair

2

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Keberadaan kekentalan ini menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran atau diperlukannya energi untuk menjamin adanya pengaliran Viskositas gas meningkat dengan suhu tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat di terangkan dengan menyimak berbagai penyebab viskositas Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya Cairan dengan berbagai molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar dari pada gas Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka demikian pula viskositas Sebaliknya gas mempunyai berbagai gaya kohesi yang sangat kecil Sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekuler Tegangan molekular menimbulkan tegangan geser semu dalam gas yang lebih penting dari pada berbagai gaya kohesi dan karena kegiatan molekular meningkat dengan suhu maka viskositas gas juga meningkat dengan suhu Untuk

3

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

tekanan-tekanan yang biasa viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja Untuk tekanan yang sangat besar gas-gas dan kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan atau gas Perbedaan utama antara cairan dan gas adalah (a) cairan praktis tak kompresibel sedangkan gas kompresibel dan sering kali harus diperlakukan demikian dan (b) cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaannya bebas sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (Triatmodjo B 1993)

4

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Pengertian Plasma

Plasma merupakan substansi yang mirip

dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet Oleh karena itu plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda Mirip dengan gas plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah tetapi berbeda dengan gas plasma membentuk struktur seperti filamen pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk 1967)

Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak Jika cukup banyak atom terionisasi secara

5

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

signifikan mempengaruhi karakteristik listrik dari gas Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat cair dan gas (Arifin et al 2009)

Gambar 1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat Cair dan Gas

6

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikelnya yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson 1983) Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond1982 Czech et al 1995) Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman1990 Chang 1991)

7

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928 Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang 1991) Ketika medan listrik di kenakan pada gas elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan eksitasi molekul tangkapan elektron disosiasi dan ionisasi sperti pada gambar 2

Gambar 2 Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto et al 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron radikal ion positif dan ion negatif (Tseng CH 1999) Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat

8

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis 1974)

9

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Gambar 3 Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson 2002)

Korona merupakan proses pembangkitan

arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2 Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge (Reizer 1997)

10

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Lucutan pijar korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van 2002) Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout et al 1994) 11 Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona

Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam

medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya

keadaan arc (arc discharge) pada gas

Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc Lucutan pijar korona ini termasuk jenis plasma non thermal Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industry adalah

11

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

a Pembuatan ozon sterilisasi air kolam menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan seperti pestisida kimia pelarut atau bahan kimia dari atmosfer

b Pengion udara yang baik buat kesehatan

c Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik

d Laser nitrogen Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion 12 Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi

Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen gugus hidroksil yang

12

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black1999) Montie et al (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida (a) (b)

Gambar 4 Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M Laroussi etal 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNAdeoxcyribonucleid acid)

13

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

dan protein Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker 1997) Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3 sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma

14

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Gambar 5 Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji et al 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5 Pada rangkaian tersebut dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington

15

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Gambar 6 Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji et al 2007)

16

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

II TEKNOLOGI PLASMA

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Sekilas Tentang Teknologi Plasma Plasma dalam teknologi plasma dapat

didefinisikan sebagai gas yang terionisasi terdiri dari partikel neutron ion positif ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi

17

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

terikat satu sama lain Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi energi tersebut berasal dari panas listrik ataupun cahaya Berbagai partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma Berdasarkan temperaturnya plasma dapat dikategorikan menjadi

1 Plasma termal Telektron ~ Tgas Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating) Contoh plasma matahari

2 Plasma non-termal Telektron gt Tgas Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K) T ~ suhu ruang Contoh Aurora borealis Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan murah dan mudah dan dapat digunakan berkali-kali Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC teknologi plsma pada

18

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

TV teknologi plasma pada pengolahan sampah dan teknologi plasma sebagai cleaning technology

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia Sebagai mana kita ketahui efek negatif dari perkembangan

19

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx akan dikontakkan dengan plasma Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx Salah satu contohnya adalah sebagai berikut

20

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka dkk)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle Tube dan nozzle ini terletak pada channels Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat Selain itu

21

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk Contoh Reaksi (HO2 OH H adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma) HO2 + NO -gt OH + NO2 OH + NO2-gt NO3 + H H + NH3 + NO3 -gt (NH4)NO3 Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3

22

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

III BERBAGAI APLIKASI PLASMA

Computational fluid dynamics (CFD)

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap elemen pembaginya Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing Bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software Kontrol penghitungan ini beserta kontrolnya penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing Nantinya pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan

23

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

dengan menggunakan bantuan komputasi komputer Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi bull Aliran dan panas bull Transfer massa bull Perubahan fasa seperti pada proses melting pengembunan dan pendidihan bull Reaksi kimia seperti pembakaran

24

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

bull Gerakan mekanis seperti piston dan fan bull Tegangan dan tumpuan pada benda solid bull Gelombang elektromagnet CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida mulai dari aliran fluida heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida konservasi energi momentum massa serta species penghitungan dengan CFD dapat dilakukan Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat

Berbagai persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi

25

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

tersebut Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke berbagai kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD

26

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi Akhirnya hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna vektor dan nilai yang mudah untuk

27

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama 1 Preposessor 2 Processor 3 Post processor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing Tahap selanjutnya adalah processor pada tahap ini dilakukan proses penghitungan berbagai data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil

28

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik vektor kontur dan bahkan animasi

Persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri apakah model tersebut

29

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

memepertimbangkan faktor reaksi kimia mass transfer heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real Subhanallah jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturannya tesebut bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih

30

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi kesalahan dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi SUBHANALLAH mungkin hanya itu yang bisa saya katakan

Kita kembali ke CFD berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah

Persamaan konservasi massa

31

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini

32

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x y z) pada setiap titik atau yang kedua mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan

33

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efeknya yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti gaya atau perubahan energi) Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam inlet dan oulet Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain (control volume) yang ditentukan Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan komposisi temperatur tekanan laju aliran Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan

34

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan

35

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

dan diselesaikan menggunakan operasi numerik Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel Disinilah peran komputer yang sebenarnya Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan

36

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Prosedur penyelesaian dari salah satu software

CFD (FLuent)

37

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan lebih efisien lebih canggih lebih murah dan lebih lainnya Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD

1 Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang

38

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

tepat Artinya dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe

2 Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan ldquoWHAT IFrdquo dengan sangat cepat Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik Jadi dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat melihat hasilnya

39

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal dalam waktu yang singkat dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety

3 Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat biaya yang murah waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk

40

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri

1 Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsenmanufaktur pesawat militer penumpang dan pesawat luar angkasa Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics avionics cooling fire supression the icing engine performance life support climate control etc

41

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

2 Automotive

Di bidang otomotif aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics cooling heating engine performance dan pada dunia balap Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen sistem penunjang otomotif seperti pompa rem compressor manifold ban headlamp dll

42

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

3 Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia Tapi lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata aliran darah pada nadi masuknya udara pada hidung pengembangan pompa jantung sistem penyaluran obat internal spinal needle dll

43

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

4 Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia kinetis sifat fisika dinamik karakteristik fluida dsb Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan

44

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

oleh engineer berpengalaman di bidang ini Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing separation reaction combustion filtration dan drying

5 Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat minimum downtime serta safety Dengan memodelkan suatu produk kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat

45

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan impeller turbin fan propeller vanes ducting valve piping seal bahkan sebuah sistem

46

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

6 Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation air handling wafer processing optimisasi furnace Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma

47

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

7 Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia hampir semuanya mengalir terjadi perpindahan panas dan proses kimia Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi pemanasan pendinginan pencampuran

48

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Plasma jet

PENGERTIAN PLASMA JET Plasma terdiri dari kumpulan elektron yang

bergerak bebas dari atom-atom yang kehilangan elektron Energi yang dibutuhkan untuk strip elektron dari atom untuk membuat plasma dapat berbagai asal misal termal listrik atau cahaya (sinar ultra violet cahaya tampak intens dari

49

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

laser) Plasma dapat dipercepat dan dikendalikan oleh medan listrik dan magnetik

Sejarah plasma jet

Pada tahun 1941 industri pertahanan AS sedang mencari cara yang lebih baik dari logam ringan bergabung bersama untuk upaya perang dan lebih khusus untuk produksi pesawat Keluar dari upaya ini proses pengelasan baru lahir Busur listrik digunakan untuk melelehkan logam dan perisai gas inert sekitar busur dan kolam logam cair digunakan untuk menggantikan udara mencegah logam cair dari mengambil oksigen dari udara

Proses baru TIG (Tungsten Inert Gas) tampaknya menjadi solusi yang sempurna untuk kebutuhan yang sangat spesifik las berkualitas tinggi Karena ini proses pengelasan menjadi besar

51

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

pengguna gas seperti argon dan helium industri yang memiliki paling menarik dalam aplikasi baru ini ternyata menjadi produsen gas industri Perusahaan-perusahaan gas industri dan khususnya Union Carbides Linde Divisi menjadi aktif dan sukses dengan proses TIG juga dikenal sebagai Argonarc atau Heliarc Saat ini proses ini disebut sebagai GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Pada 1950 TIG telah tegas memantapkan dirinya sebagai metode las baru untuk pengelasan berkualitas tinggi pada bahan eksotis Saat melakukan pekerjaan pengembangan lebih lanjut tentang proses TIG para ilmuwan di laboratorium pengelasan Union Carbides menemukan bahwa ketika mereka mengurangi pembukaan gas nozzle yang diarahkan gas inert dari obor TIG elektroda (katoda) ke benda kerja (anoda) sifat-sifat terbuka

52

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

busur TIG bisa sangat berubah Pembukaan nozel mengurangi terbatas busur listrik dan gas dan meningkatkan kecepatan dan panas resistif nya Suhu busur dan tegangan meningkat secara dramatis dan momentum dari gas terionisasi dan non-terionisasi menghilangkan genangan cair karena kecepatan yang lebih tinggi

Plasma cutting (sebuah teknologi yang tumbuh dari pengelasan plasma pada tahun 1960) muncul sebagai cara yang sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat pada 1980-an Ini memiliki keunggulan dibandingkan tradisional logam terhadap logam pemotongan produksi logam tidak keripik dan memberikan luka akurat dan menghasilkan keunggulan bersih daripada-bakar pemotongan oksi Awal pemotong plasma besar agak lamban dan mahal dan karenanya

53

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

cenderung didedikasikan untuk mengulangi pola pemotongan dalam produksi massal mode

Seperti dengan peralatan mesin lain CNC (komputer kontrol numerik) teknologi yang diterapkan untuk plasma mesin pemotong di akhir 1980-an ke 1990-an memberi mesin pemotong plasma fleksibilitas yang lebih besar untuk memotong beragam bentuk sesuai permintaan didasarkan pada seperangkat instruksi yang diprogram kes numerik kontrol mesin ini plasma CNC mesin pemotong itu bagaimanapun pada umumnya terbatas pada pemotongan pola dan bagian dalam lembaran datar baja hanya menggunakan dua sumbu gerak (disebut sebagai pemotongan XY)

54

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

PRINSIP KERJA PLASMA JET 1 Plasma welding

Pada proses ini menggunakan frekuensi dan tegangan tinggi menghasilkan percikan untuk mengionisasi udara melalui kepala obor dan memulai sebuah busur Obor yang dipegang menggunakan tangan biasanya dapat memotong menjadi 2 pada (48 mm) pelat baja tebal dan obor yang dikendalikan oleh komputer lebih kuat yaitu dapat memotong baja sampai 6 inci (150 mm) tebal

Sejak pemotong menghasilkan plasma yang sangat panas dan sangat lancip untuk memotong dimana sangat berguna untuk memotong logam lembaran atau bentuk siku melengkung Sebagai pelindung kacamata las dan perisai wajah diperlukan untuk mencegah kerusakan mata

55

Pada pengelasan ini gas dipanaskan oleh busur wolfram hingga suhu sangat tinggi sehingga gas menjadi terion dan menjadi penghantar listrik Gas dalam kondisi ini disebut plasma Peralatan didesain sedimikian sehingga gas mengalir ke busur melalui lubang halus sehingga suhu plasma naik dan konsentrasi energi panas pada logam pada area yang kecil akan menyebabkan logam

gambar skema obor plasma

56

cepat menjadi cair Ketika gas meninggalkan nosel gas berkembang dengan cepat dan membawa logam cair sehingga proses pemotongan bisa berjalan

Las plasma busur nyala listrik (Plasma Arc Welding) Proses plasma sebenarnya merupakan penyempurnaan las tungsren hanya saja busur nyala listrik tidak muncul diantara elektroda dengan benda kerja tetapi muncul antara ujung elektroda dengan gas inti yang mengalir di sekitarnya Las plasma ternyata lebih baik dari las tungsten karena busur nyala listrik yang muncul lebih stabil dengan diameter lebih kecil sehingga panasnya lebih terpusat Proses pengelasan bias lebih cepat disamping itu tungsten tidak pernah menyentuh benda kerja

57

2 Plasma cutting

adalah proses yang digunakan untuk memotong baja dan lainnya logam dari ketebalan yang berbeda (atau kadang-kadang bahan lain) dengan menggunakan obor plasma Dalam proses ini suatu gas inert (di beberapa unit udara tekan) ditiup dengan kecepatan tinggi dari nozel pada saat yang sama busur listrik terbentuk melalui gas yang dari nozel ke permukaan dipotong mengubah sebagian dari gas itu untuk plasma Plasma cukup panas untuk mencairkan logam yang dipotong dan bergerak cukup cepat untuk meniup logam cair jauh dari memotong Busur plasma sangat panas dan berada di kisaran 25000 deg C (45000 deg F)

Plasma (arc) cutting dikembangkan pada tahun 1950 untuk memotong logam yang tidak bisa nyala api dipotong seperti baja stainless

58

2 Plasma cutting

adalah proses yang digunakan untuk memotong baja dan lainnya logam dari ketebalan yang berbeda (atau kadang-kadang bahan lain) dengan menggunakan obor plasma Dalam proses ini suatu gas inert (di beberapa unit udara tekan) ditiup dengan kecepatan tinggi dari nozel pada saat yang sama busur listrik terbentuk melalui gas yang dari nozel ke permukaan dipotong mengubah sebagian dari gas itu untuk plasma Plasma cukup panas untuk mencairkan logam yang dipotong dan bergerak cukup cepat untuk meniup logam cair jauh dari memotong Busur plasma sangat panas dan berada di kisaran 25000 deg C (45000 deg F)

Plasma (arc) cutting dikembangkan pada tahun 1950 untuk memotong logam yang tidak bisa nyala api dipotong seperti baja stainless

58

aluminium dan tembaga Proses pemotongan plasma busur konduktif menggunakan gas elektrik untuk mentransfer energi dari sumber daya listrik melalui pemotongan plasma obor ke dipotong material Gas plasma termasuk argon hidrogen nitrogen dan campuran ditambah udara dan oksigen

Biasanya sebuah sistem pemotongan busur plasma memiliki catu daya rangkaian mulai busur dan obor Sumber daya dan sirkuit starter busur tersambung ke obor memotong memimpin dan kabel yang menyediakan aliran gas yang tepat arus listrik dan frekuensi tinggi untuk obor untuk memulai dan mempertahankan proses dan The busur aliran plasma difokuskan oleh sangat sempit lubang nozzle

Suhu busur plasma meleleh logam dan menembus benda kerja sementara aliran gas

59

kecepatan tinggi menghilangkan bahan cair dari bagian bawah dipotong atau goresan Selain itu untuk radiasi energi tinggi (Ultraviolet dan terlihat) yang dihasilkan oleh plasma busur pemotongan

MACAM PLASMA CUTTING

1 Plasma Cutting konvensional Arc (1957)

Jet plasma yang dihasilkan oleh konvensional kering teknik penyempitan busur diperkenalkan pada tahun 1957 oleh Union Carbides Linde Divisi Pada tahun yang sama Dr Robert Gage memperoleh paten yang selama 17 tahun memberikan Union Carbide monopoli virtual Teknik ini dapat digunakan untuk memotong logam apapun pada kecepatan potong yang relatif tinggi Ketebalan plat bisa berkisar dari lembaran logam tipis untuk pelat setebal

60

sepuluh inci (250 mm) Ketebalan potong pada akhirnya tergantung pada kapasitas saat pembawa obor dan sifat fisik logam Sebuah obor tugas berat mekanik dengan kapasitas arus 1000 amp bisa memotong sampai dengan 10-inch stainless steel tebal dan aluminium Namun dalam sebagian besar aplikasi industri tebal plat jarang melebihi dua inci Dalam rentang tebal potongan plasma konvensional biasanya miring dan memiliki ujung atas bulat pemotongan miring adalah hasil dari ketidakseimbangan dalam masukan panas ke wajah dipotong Sebuah sudut potong yang positif dihasilkan karena energi panas di bagian atas potongan didisipasikan sebagai busur berlangsung melalui memotong

Ketidakseimbangan panas berkurang dengan menempatkan obor sedekat mungkin dengan benda kerja dan menerapkan prinsip penyempitan

61

busur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 penyempitan busur Peningkatan menyebabkan profil temperatur busur listrik menjadi diperpanjang dan lebih seragam Sejalan potong menjadi lebih persegi Sayangnya penyempitan nosel konvensional dibatasi oleh kecenderungan penyempitan meningkat untuk mengembangkan dua busur seri satu busur antara elektroda dan nozzle dan busur kedua antara nozzle dan benda kerja

Fenomena ini dikenal sebagai busur ganda dan rusak baik elektroda dan nozzle Double busur sangat terbatas sejauh mana kualitas plasma dipotong dapat ditingkatkan Sejak diperkenalkannya proses busur plasma pada pertengahan tahun 50-an penelitian yang difokuskan pada peningkatan penyempitan busur tanpa menciptakan arcing ganda Plasma

62

pemotongan busur seperti yang dilakukan maka sekarang disebut sebagai pemotongan plasma konvensional Hal ini dapat rumit untuk berlaku jika pengguna memotong berbagai logam dan ketebalan pelat yang berbeda Sebagai contoh jika proses plasma konvensional digunakan untuk memotong stainless steel baja ringan dan aluminium perlu untuk menggunakan gas yang berbeda dan arus gas untuk kualitas optimal potong pada ketiga logam

Plasma konvensional memotong didominasi 1957-1970 dan sering dibutuhkan campuran gas yang sangat mahal argon dan hidrogen

2 Dual F Arc Plasma rendah (1962)

Teknik aliran dual dikembangkan dan dipatenkan oleh Dinamika Corporation Thermal dan James Browning Presiden TDC pada tahun

63

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

kecepatan tinggi menghilangkan bahan cair dari bagian bawah dipotong atau goresan Selain itu untuk radiasi energi tinggi (Ultraviolet dan terlihat) yang dihasilkan oleh plasma busur pemotongan

MACAM PLASMA CUTTING

1 Plasma Cutting konvensional Arc (1957)

Jet plasma yang dihasilkan oleh konvensional kering teknik penyempitan busur diperkenalkan pada tahun 1957 oleh Union Carbides Linde Divisi Pada tahun yang sama Dr Robert Gage memperoleh paten yang selama 17 tahun memberikan Union Carbide monopoli virtual Teknik ini dapat digunakan untuk memotong logam apapun pada kecepatan potong yang relatif tinggi Ketebalan plat bisa berkisar dari lembaran logam tipis untuk pelat setebal

60

sepuluh inci (250 mm) Ketebalan potong pada akhirnya tergantung pada kapasitas saat pembawa obor dan sifat fisik logam Sebuah obor tugas berat mekanik dengan kapasitas arus 1000 amp bisa memotong sampai dengan 10-inch stainless steel tebal dan aluminium Namun dalam sebagian besar aplikasi industri tebal plat jarang melebihi dua inci Dalam rentang tebal potongan plasma konvensional biasanya miring dan memiliki ujung atas bulat pemotongan miring adalah hasil dari ketidakseimbangan dalam masukan panas ke wajah dipotong Sebuah sudut potong yang positif dihasilkan karena energi panas di bagian atas potongan didisipasikan sebagai busur berlangsung melalui memotong

Ketidakseimbangan panas berkurang dengan menempatkan obor sedekat mungkin dengan benda kerja dan menerapkan prinsip penyempitan

61

busur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 penyempitan busur Peningkatan menyebabkan profil temperatur busur listrik menjadi diperpanjang dan lebih seragam Sejalan potong menjadi lebih persegi Sayangnya penyempitan nosel konvensional dibatasi oleh kecenderungan penyempitan meningkat untuk mengembangkan dua busur seri satu busur antara elektroda dan nozzle dan busur kedua antara nozzle dan benda kerja

Fenomena ini dikenal sebagai busur ganda dan rusak baik elektroda dan nozzle Double busur sangat terbatas sejauh mana kualitas plasma dipotong dapat ditingkatkan Sejak diperkenalkannya proses busur plasma pada pertengahan tahun 50-an penelitian yang difokuskan pada peningkatan penyempitan busur tanpa menciptakan arcing ganda Plasma

62

pemotongan busur seperti yang dilakukan maka sekarang disebut sebagai pemotongan plasma konvensional Hal ini dapat rumit untuk berlaku jika pengguna memotong berbagai logam dan ketebalan pelat yang berbeda Sebagai contoh jika proses plasma konvensional digunakan untuk memotong stainless steel baja ringan dan aluminium perlu untuk menggunakan gas yang berbeda dan arus gas untuk kualitas optimal potong pada ketiga logam

Plasma konvensional memotong didominasi 1957-1970 dan sering dibutuhkan campuran gas yang sangat mahal argon dan hidrogen

2 Dual F Arc Plasma rendah (1962)

Teknik aliran dual dikembangkan dan dipatenkan oleh Dinamika Corporation Thermal dan James Browning Presiden TDC pada tahun

63

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

sepuluh inci (250 mm) Ketebalan potong pada akhirnya tergantung pada kapasitas saat pembawa obor dan sifat fisik logam Sebuah obor tugas berat mekanik dengan kapasitas arus 1000 amp bisa memotong sampai dengan 10-inch stainless steel tebal dan aluminium Namun dalam sebagian besar aplikasi industri tebal plat jarang melebihi dua inci Dalam rentang tebal potongan plasma konvensional biasanya miring dan memiliki ujung atas bulat pemotongan miring adalah hasil dari ketidakseimbangan dalam masukan panas ke wajah dipotong Sebuah sudut potong yang positif dihasilkan karena energi panas di bagian atas potongan didisipasikan sebagai busur berlangsung melalui memotong

Ketidakseimbangan panas berkurang dengan menempatkan obor sedekat mungkin dengan benda kerja dan menerapkan prinsip penyempitan

61

busur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 penyempitan busur Peningkatan menyebabkan profil temperatur busur listrik menjadi diperpanjang dan lebih seragam Sejalan potong menjadi lebih persegi Sayangnya penyempitan nosel konvensional dibatasi oleh kecenderungan penyempitan meningkat untuk mengembangkan dua busur seri satu busur antara elektroda dan nozzle dan busur kedua antara nozzle dan benda kerja

Fenomena ini dikenal sebagai busur ganda dan rusak baik elektroda dan nozzle Double busur sangat terbatas sejauh mana kualitas plasma dipotong dapat ditingkatkan Sejak diperkenalkannya proses busur plasma pada pertengahan tahun 50-an penelitian yang difokuskan pada peningkatan penyempitan busur tanpa menciptakan arcing ganda Plasma

62

pemotongan busur seperti yang dilakukan maka sekarang disebut sebagai pemotongan plasma konvensional Hal ini dapat rumit untuk berlaku jika pengguna memotong berbagai logam dan ketebalan pelat yang berbeda Sebagai contoh jika proses plasma konvensional digunakan untuk memotong stainless steel baja ringan dan aluminium perlu untuk menggunakan gas yang berbeda dan arus gas untuk kualitas optimal potong pada ketiga logam

Plasma konvensional memotong didominasi 1957-1970 dan sering dibutuhkan campuran gas yang sangat mahal argon dan hidrogen

2 Dual F Arc Plasma rendah (1962)

Teknik aliran dual dikembangkan dan dipatenkan oleh Dinamika Corporation Thermal dan James Browning Presiden TDC pada tahun

63

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

busur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 penyempitan busur Peningkatan menyebabkan profil temperatur busur listrik menjadi diperpanjang dan lebih seragam Sejalan potong menjadi lebih persegi Sayangnya penyempitan nosel konvensional dibatasi oleh kecenderungan penyempitan meningkat untuk mengembangkan dua busur seri satu busur antara elektroda dan nozzle dan busur kedua antara nozzle dan benda kerja

Fenomena ini dikenal sebagai busur ganda dan rusak baik elektroda dan nozzle Double busur sangat terbatas sejauh mana kualitas plasma dipotong dapat ditingkatkan Sejak diperkenalkannya proses busur plasma pada pertengahan tahun 50-an penelitian yang difokuskan pada peningkatan penyempitan busur tanpa menciptakan arcing ganda Plasma

62

pemotongan busur seperti yang dilakukan maka sekarang disebut sebagai pemotongan plasma konvensional Hal ini dapat rumit untuk berlaku jika pengguna memotong berbagai logam dan ketebalan pelat yang berbeda Sebagai contoh jika proses plasma konvensional digunakan untuk memotong stainless steel baja ringan dan aluminium perlu untuk menggunakan gas yang berbeda dan arus gas untuk kualitas optimal potong pada ketiga logam

Plasma konvensional memotong didominasi 1957-1970 dan sering dibutuhkan campuran gas yang sangat mahal argon dan hidrogen

2 Dual F Arc Plasma rendah (1962)

Teknik aliran dual dikembangkan dan dipatenkan oleh Dinamika Corporation Thermal dan James Browning Presiden TDC pada tahun

63

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

pemotongan busur seperti yang dilakukan maka sekarang disebut sebagai pemotongan plasma konvensional Hal ini dapat rumit untuk berlaku jika pengguna memotong berbagai logam dan ketebalan pelat yang berbeda Sebagai contoh jika proses plasma konvensional digunakan untuk memotong stainless steel baja ringan dan aluminium perlu untuk menggunakan gas yang berbeda dan arus gas untuk kualitas optimal potong pada ketiga logam

Plasma konvensional memotong didominasi 1957-1970 dan sering dibutuhkan campuran gas yang sangat mahal argon dan hidrogen

2 Dual F Arc Plasma rendah (1962)

Teknik aliran dual dikembangkan dan dipatenkan oleh Dinamika Corporation Thermal dan James Browning Presiden TDC pada tahun

63

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

1963 Ini melibatkan sedikit modifikasi plasma proses pemotongan konvensional Pada dasarnya itu dimasukkan fitur yang sama seperti pemotongan plasma konvensional kecuali bahwa perisai gas sekunder telah ditambahkan di sekitar nosel plasma Biasanya dalam operasi dual memotong aliran atau plasma gas nitrogen dan gas shielding sekunder dipilih sesuai dengan logam yang akan dipotong gas perisai sekunder biasanya yang digunakan adalah udara atau oksigen untuk baja ringan karbon dioksida untuk stainless steel dan argon sebuah campuran hidrogen untuk aluminium

Pemotongan kecepatan masih lebih baik dibandingkan dengan pemotongan konvensional pada baja ringan namun kualitas potong tidak cukup untuk banyak aplikasi Pemotongan kecepatan dan kualitas pada stainless steel dan

64

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

aluminium pada dasarnya sama dengan proses konvensional

Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa nozzle bisa tersembunyi dalam cangkir atau gelas keramik gas perisai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 mencegah nosel dari korslet dengan benda kerja dan mengurangi kecenderungan untuk arcing ganda Gas perisai juga meliputi zona pemotongan meningkatkan kualitas potong dan kecepatan serta pendinginan nozel dan topi perisai

65

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

Gambar Dual F Arc Plasma rendah

3 Air Plasma Cutting (Sejak 1963)

Udara pemotongan diperkenalkan pada awal 1960-an untuk memotong baja ringan Oksigen di udara memberikan energi tambahan dari reaksi eksotermik dengan baja cair Ini energi tambahan meningkat memotong kecepatan sekitar 25 dari

66

plasma pemotongan dengan nitrogen Meskipun proses dapat digunakan untuk memotong baja stainless dan aluminium permukaan luka di bahan-bahan ini sangat teroksidasi dan tidak dapat diterima untuk banyak aplikasi

Masalah terbesar dengan pemotongan udara selalu menjadi erosi yang cepat dari elektroda obor plasma elektroda khusus terbuat dari zirkonium hafnium atau paduan hafnium diperlukan karena tungsten tergerus di detik jika gas pemotongan terkandung oksigen Bahkan dengan bahan-bahan khusus elektroda kehidupan menggunakan plasma udara jauh lebih sedikit dari umur elektroda yang terkait dengan plasma konvensional

Meskipun pemotongan udara tidak dikejar di akhir 1960-an di Amerika Serikat dan dunia barat kemajuan mantap dibuat di Eropa timur dengan pengenalan dari Feinstrahl Brenner (obor

67

menghasilkan busur terbatas) yang dikembangkan oleh Manfred van Ardenne Teknologi ini diadopsi di Rusia dan akhirnya di Jepang Pemasok utama menjadi Mansfeld Jerman Timur Beberapa galangan kapal di Jepang adalah pengguna awal pemotongan plasma udara peralatan Namun kehidupan elektroda relatif pendek dan penelitian diungkapkan bahwa wajah potongan benda kerja memiliki persentase tinggi nitrogen dalam larutan yang dapat menyebabkan porositas saat kemudian dilas

4 Air Shield Plasma Cutting (1965)

Air perisai pemotongan plasma mirip dengan aliran ganda kecuali air yang diganti untuk gas perisai Potong penampilan dan kehidupan nosel ditingkatkan karena efek pendinginan yang disediakan oleh air Potong lurus kecepatan potong dan akumulasi sampah tidak terukur

68

membaik aliran plasma dual memotong karena air tidak memberikan penyempitan busur tambahan

5 Injeksi air Cutting (1968)

Sebelumnya dinyatakan bahwa kunci untuk meningkatkan kualitas memotong meningkat penyempitan busur sementara mencegah arcing ganda Dalam plasma injeksi air proses pemotongan air radial disuntikkan ke busur secara seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 Para pelampiasan radial air pada busur yang diberikan tingkat yang lebih tinggi penyempitan busur daripada yang dapat dicapai hanya dengan nozel tembaga saja Arc suhu di wilayah ini diperkirakan mendekati 50000 deg K atau kira-kira sembilan kali suhu permukaan matahari dan lebih dari dua kali suhu busur plasma konvensional Hasil bersih diperbaiki kuadrat dipotong peningkatan kecepatan pemotongan dan

69

penghapusan sampah ketika memotong baja ringan penyempitan air injeksi Radial busur dikembangkan dan dipatenkan pada tahun 1968 oleh Richard W Couch Jr Presiden Hypertherm Inc

gambar Air injeksi pemotongan plasma

70

menghasilkan busur terbatas) yang dikembangkan oleh Manfred van Ardenne Teknologi ini diadopsi di Rusia dan akhirnya di Jepang Pemasok utama menjadi Mansfeld Jerman Timur Beberapa galangan kapal di Jepang adalah pengguna awal pemotongan plasma udara peralatan Namun kehidupan elektroda relatif pendek dan penelitian diungkapkan bahwa wajah potongan benda kerja memiliki persentase tinggi nitrogen dalam larutan yang dapat menyebabkan porositas saat kemudian dilas

4 Air Shield Plasma Cutting (1965)

Air perisai pemotongan plasma mirip dengan aliran ganda kecuali air yang diganti untuk gas perisai Potong penampilan dan kehidupan nosel ditingkatkan karena efek pendinginan yang disediakan oleh air Potong lurus kecepatan potong dan akumulasi sampah tidak terukur

68

membaik aliran plasma dual memotong karena air tidak memberikan penyempitan busur tambahan

5 Injeksi air Cutting (1968)

Sebelumnya dinyatakan bahwa kunci untuk meningkatkan kualitas memotong meningkat penyempitan busur sementara mencegah arcing ganda Dalam plasma injeksi air proses pemotongan air radial disuntikkan ke busur secara seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 Para pelampiasan radial air pada busur yang diberikan tingkat yang lebih tinggi penyempitan busur daripada yang dapat dicapai hanya dengan nozel tembaga saja Arc suhu di wilayah ini diperkirakan mendekati 50000 deg K atau kira-kira sembilan kali suhu permukaan matahari dan lebih dari dua kali suhu busur plasma konvensional Hasil bersih diperbaiki kuadrat dipotong peningkatan kecepatan pemotongan dan

69

penghapusan sampah ketika memotong baja ringan penyempitan air injeksi Radial busur dikembangkan dan dipatenkan pada tahun 1968 oleh Richard W Couch Jr Presiden Hypertherm Inc

gambar Air injeksi pemotongan plasma

70

membaik aliran plasma dual memotong karena air tidak memberikan penyempitan busur tambahan

5 Injeksi air Cutting (1968)

Sebelumnya dinyatakan bahwa kunci untuk meningkatkan kualitas memotong meningkat penyempitan busur sementara mencegah arcing ganda Dalam plasma injeksi air proses pemotongan air radial disuntikkan ke busur secara seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 Para pelampiasan radial air pada busur yang diberikan tingkat yang lebih tinggi penyempitan busur daripada yang dapat dicapai hanya dengan nozel tembaga saja Arc suhu di wilayah ini diperkirakan mendekati 50000 deg K atau kira-kira sembilan kali suhu permukaan matahari dan lebih dari dua kali suhu busur plasma konvensional Hasil bersih diperbaiki kuadrat dipotong peningkatan kecepatan pemotongan dan

69

penghapusan sampah ketika memotong baja ringan penyempitan air injeksi Radial busur dikembangkan dan dipatenkan pada tahun 1968 oleh Richard W Couch Jr Presiden Hypertherm Inc

gambar Air injeksi pemotongan plasma

70

penghapusan sampah ketika memotong baja ringan penyempitan air injeksi Radial busur dikembangkan dan dipatenkan pada tahun 1968 oleh Richard W Couch Jr Presiden Hypertherm Inc

gambar Air injeksi pemotongan plasma

70

Pendekatan lain yang diambil untuk membatasi busur dengan air adalah untuk mengembangkan pusaran pusaran air di sekitar busur Dengan teknik ini penyempitan busur tergantung pada kecepatan pusaran yang diperlukan untuk menghasilkan pusaran air yang stabil Gaya sentrifugal yang diciptakan oleh pusaran kecepatan tinggi cenderung untuk meratakan film annulus air terhadap busur dan oleh karena itu mencapai kurang dari efek konstriksi dibandingkan dengan injeksi air radial

Berbeda dengan proses konvensional dijelaskan sebelumnya dipotong kualitas optimal dengan plasma injeksi air diperoleh pada semua logam dengan hanya satu gas nitrogen Ini kebutuhan gas tunggal membuat proses lebih ekonomis dan mudah digunakan Secara fisik nitrogen ideal karena kemampuan unggul untuk

71

mentransfer panas dari busur untuk benda kerja Energi panas yang diserap oleh nitrogen ketika dipisahkan telah dilepaskan ketika direkombinasi di benda yang dikerjakan Meskipun suhu sangat tinggi pada titik di mana air dilanggar busur kurang dari 10 dari air itu menguap Sisa air keluar dari nozzle dalam bentuk semprotan berbentuk kerucut yang didinginkan atas permukaan benda kerja Pendinginan tambahan ini mencegah pembentukan oksida pada permukaan memotong dan efisien didinginkan nozzle pada titik beban panas maksimum

Alasan untuk penyempitan busur di zona injeksi air adalah pembentukan lapisan batas isolasi uap antara jet plasma dan air disuntikkan (Ini batas lapisan uap yang Linden Frost Layer adalah prinsip yang sama yang memungkinkan

72

setetes air untuk menari di sekitar di piring logam panas daripada segera menguap)

Nozzle hidup itu sangat meningkat dengan teknik injeksi air karena lapisan batas uap terisolasi nozzle dari panas kuat dari busur dan air didinginkan dan dilindungi nozel pada titik penyempitan busur maksimum dan panas busur maksimum Perlindungan yang diberikan oleh lapisan uap air batas juga memungkinkan sebuah inovasi desain yang unik bagian bawah seluruh nosel bisa keramik Akibatnya busur ganda penyebab utama dari kerusakan nozzle nyaris dieliminasi

Karakteristik penting dari potongan pinggirnya adalah bahwa sisi kanan garitan itu persegi dan sisi kiri garitan itu sedikit miring Hal ini bukan disebabkan oleh air injeksi melainkan hasil dari pusaran searah jarum jam dari gas

73

plasma pusaran ini menyebabkan lebih banyak energi busur yang akan dikeluarkan di sisi kanan goresan itu Asimetri ini memotong sama ada dengan menggunakan konvensional kering memotong ketika gas pemotongan diaduk Ini berarti bahwa arah perjalanan harus benar dipilih untuk menghasilkan dipotong persegi di sisi yang benar dari benda kerja

Dalam kasus pemotongan sebuah cincin dengan sisi sejajar jari-jari luar akan dipotong dalam arah jarum jam yang memberikan dipotong persegi di sisi kanan Demikian pula dipotong dalam dibuat dalam arah jarum jam untuk mempertahankan tepi persegi di bagian dalam cincin Sebuah cincin pusaran berlawanan dapat disediakan yang membalikkan pusaran aliran gas dan akibatnya juga sisi baik memotong ke sisi kiri Ini akan digunakan jika sistem dua potong

74

obor harus memotong bagian cermin gambar secara bersamaan

6 Air Knalpot dan Tabel Air (1972)

Karena proses busur plasma adalah sumber panas yang sangat terkonsentrasi hingga 50000 K ada beberapa efek samping yang bersifat negatif Pada pemotongan busur tertinggi saat ini plasma dihasilkan tingkat kebisingan intens lebih dari yang biasanya diizinkan di wilayah kerja membutuhkan perlindungan telinga Asap dan gas beracun berpotensi dikembangkan di area kerja membutuhkan ventilasi yang baik Radiasi ultraviolet yang berpotensi dapat menyebabkan luka bakar pada kulit dan mata diperlukan pakaian pelindung dan kacamata gelap

Efek samping ini membuka proses busur plasma untuk kritik di depan lingkungan Sesuatu

75

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

mentransfer panas dari busur untuk benda kerja Energi panas yang diserap oleh nitrogen ketika dipisahkan telah dilepaskan ketika direkombinasi di benda yang dikerjakan Meskipun suhu sangat tinggi pada titik di mana air dilanggar busur kurang dari 10 dari air itu menguap Sisa air keluar dari nozzle dalam bentuk semprotan berbentuk kerucut yang didinginkan atas permukaan benda kerja Pendinginan tambahan ini mencegah pembentukan oksida pada permukaan memotong dan efisien didinginkan nozzle pada titik beban panas maksimum

Alasan untuk penyempitan busur di zona injeksi air adalah pembentukan lapisan batas isolasi uap antara jet plasma dan air disuntikkan (Ini batas lapisan uap yang Linden Frost Layer adalah prinsip yang sama yang memungkinkan

72

setetes air untuk menari di sekitar di piring logam panas daripada segera menguap)

Nozzle hidup itu sangat meningkat dengan teknik injeksi air karena lapisan batas uap terisolasi nozzle dari panas kuat dari busur dan air didinginkan dan dilindungi nozel pada titik penyempitan busur maksimum dan panas busur maksimum Perlindungan yang diberikan oleh lapisan uap air batas juga memungkinkan sebuah inovasi desain yang unik bagian bawah seluruh nosel bisa keramik Akibatnya busur ganda penyebab utama dari kerusakan nozzle nyaris dieliminasi

Karakteristik penting dari potongan pinggirnya adalah bahwa sisi kanan garitan itu persegi dan sisi kiri garitan itu sedikit miring Hal ini bukan disebabkan oleh air injeksi melainkan hasil dari pusaran searah jarum jam dari gas

73

plasma pusaran ini menyebabkan lebih banyak energi busur yang akan dikeluarkan di sisi kanan goresan itu Asimetri ini memotong sama ada dengan menggunakan konvensional kering memotong ketika gas pemotongan diaduk Ini berarti bahwa arah perjalanan harus benar dipilih untuk menghasilkan dipotong persegi di sisi yang benar dari benda kerja

Dalam kasus pemotongan sebuah cincin dengan sisi sejajar jari-jari luar akan dipotong dalam arah jarum jam yang memberikan dipotong persegi di sisi kanan Demikian pula dipotong dalam dibuat dalam arah jarum jam untuk mempertahankan tepi persegi di bagian dalam cincin Sebuah cincin pusaran berlawanan dapat disediakan yang membalikkan pusaran aliran gas dan akibatnya juga sisi baik memotong ke sisi kiri Ini akan digunakan jika sistem dua potong

74

obor harus memotong bagian cermin gambar secara bersamaan

6 Air Knalpot dan Tabel Air (1972)

Karena proses busur plasma adalah sumber panas yang sangat terkonsentrasi hingga 50000 K ada beberapa efek samping yang bersifat negatif Pada pemotongan busur tertinggi saat ini plasma dihasilkan tingkat kebisingan intens lebih dari yang biasanya diizinkan di wilayah kerja membutuhkan perlindungan telinga Asap dan gas beracun berpotensi dikembangkan di area kerja membutuhkan ventilasi yang baik Radiasi ultraviolet yang berpotensi dapat menyebabkan luka bakar pada kulit dan mata diperlukan pakaian pelindung dan kacamata gelap

Efek samping ini membuka proses busur plasma untuk kritik di depan lingkungan Sesuatu

75

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

setetes air untuk menari di sekitar di piring logam panas daripada segera menguap)

Nozzle hidup itu sangat meningkat dengan teknik injeksi air karena lapisan batas uap terisolasi nozzle dari panas kuat dari busur dan air didinginkan dan dilindungi nozel pada titik penyempitan busur maksimum dan panas busur maksimum Perlindungan yang diberikan oleh lapisan uap air batas juga memungkinkan sebuah inovasi desain yang unik bagian bawah seluruh nosel bisa keramik Akibatnya busur ganda penyebab utama dari kerusakan nozzle nyaris dieliminasi

Karakteristik penting dari potongan pinggirnya adalah bahwa sisi kanan garitan itu persegi dan sisi kiri garitan itu sedikit miring Hal ini bukan disebabkan oleh air injeksi melainkan hasil dari pusaran searah jarum jam dari gas

73

plasma pusaran ini menyebabkan lebih banyak energi busur yang akan dikeluarkan di sisi kanan goresan itu Asimetri ini memotong sama ada dengan menggunakan konvensional kering memotong ketika gas pemotongan diaduk Ini berarti bahwa arah perjalanan harus benar dipilih untuk menghasilkan dipotong persegi di sisi yang benar dari benda kerja

Dalam kasus pemotongan sebuah cincin dengan sisi sejajar jari-jari luar akan dipotong dalam arah jarum jam yang memberikan dipotong persegi di sisi kanan Demikian pula dipotong dalam dibuat dalam arah jarum jam untuk mempertahankan tepi persegi di bagian dalam cincin Sebuah cincin pusaran berlawanan dapat disediakan yang membalikkan pusaran aliran gas dan akibatnya juga sisi baik memotong ke sisi kiri Ini akan digunakan jika sistem dua potong

74

obor harus memotong bagian cermin gambar secara bersamaan

6 Air Knalpot dan Tabel Air (1972)

Karena proses busur plasma adalah sumber panas yang sangat terkonsentrasi hingga 50000 K ada beberapa efek samping yang bersifat negatif Pada pemotongan busur tertinggi saat ini plasma dihasilkan tingkat kebisingan intens lebih dari yang biasanya diizinkan di wilayah kerja membutuhkan perlindungan telinga Asap dan gas beracun berpotensi dikembangkan di area kerja membutuhkan ventilasi yang baik Radiasi ultraviolet yang berpotensi dapat menyebabkan luka bakar pada kulit dan mata diperlukan pakaian pelindung dan kacamata gelap

Efek samping ini membuka proses busur plasma untuk kritik di depan lingkungan Sesuatu

75

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

plasma pusaran ini menyebabkan lebih banyak energi busur yang akan dikeluarkan di sisi kanan goresan itu Asimetri ini memotong sama ada dengan menggunakan konvensional kering memotong ketika gas pemotongan diaduk Ini berarti bahwa arah perjalanan harus benar dipilih untuk menghasilkan dipotong persegi di sisi yang benar dari benda kerja

Dalam kasus pemotongan sebuah cincin dengan sisi sejajar jari-jari luar akan dipotong dalam arah jarum jam yang memberikan dipotong persegi di sisi kanan Demikian pula dipotong dalam dibuat dalam arah jarum jam untuk mempertahankan tepi persegi di bagian dalam cincin Sebuah cincin pusaran berlawanan dapat disediakan yang membalikkan pusaran aliran gas dan akibatnya juga sisi baik memotong ke sisi kiri Ini akan digunakan jika sistem dua potong

74

obor harus memotong bagian cermin gambar secara bersamaan

6 Air Knalpot dan Tabel Air (1972)

Karena proses busur plasma adalah sumber panas yang sangat terkonsentrasi hingga 50000 K ada beberapa efek samping yang bersifat negatif Pada pemotongan busur tertinggi saat ini plasma dihasilkan tingkat kebisingan intens lebih dari yang biasanya diizinkan di wilayah kerja membutuhkan perlindungan telinga Asap dan gas beracun berpotensi dikembangkan di area kerja membutuhkan ventilasi yang baik Radiasi ultraviolet yang berpotensi dapat menyebabkan luka bakar pada kulit dan mata diperlukan pakaian pelindung dan kacamata gelap

Efek samping ini membuka proses busur plasma untuk kritik di depan lingkungan Sesuatu

75

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

obor harus memotong bagian cermin gambar secara bersamaan

6 Air Knalpot dan Tabel Air (1972)

Karena proses busur plasma adalah sumber panas yang sangat terkonsentrasi hingga 50000 K ada beberapa efek samping yang bersifat negatif Pada pemotongan busur tertinggi saat ini plasma dihasilkan tingkat kebisingan intens lebih dari yang biasanya diizinkan di wilayah kerja membutuhkan perlindungan telinga Asap dan gas beracun berpotensi dikembangkan di area kerja membutuhkan ventilasi yang baik Radiasi ultraviolet yang berpotensi dapat menyebabkan luka bakar pada kulit dan mata diperlukan pakaian pelindung dan kacamata gelap

Efek samping ini membuka proses busur plasma untuk kritik di depan lingkungan Sesuatu

75

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

harus ditemukan untuk menangani masalah daerah tersebut Pada tahun 1972 Hypertherm diperkenalkan dan dipatenkan di Knalpot Air dan Pengendalian Pencemaran Air Tabel sistem yang dikendalikan efek berpotensi berbahaya untuk memotong busur plasma

7 Air Knalpot

Tingkat kebisingan yang tinggi busur plasma tajam dikurangi melalui efek meredam dari tirai air Asap dan gas beracun yang terbatas pada daerah tirai air yang bertindak sebagai scrubber air menghilangkan partikel-partikel asap dalam air Arc silau berkurang ke tingkat yang kurang berbahaya untuk mata Dengan pewarna yang tepat dalam air radiasi ultraviolet itu berkurang

76

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

8 Underwater Cutting (1977)

Upaya lebih lanjut di Eropa untuk menurunkan tingkat kebisingan dari busur plasma dan untuk menghilangkan asap pengembangan sebanyak mungkin menyebabkan pemotongan bawah air Metode untuk plasma daya tinggi pemotongan dengan memotong arus di atas 100 amps telah menjadi sangat populer sehingga saat ini plasma banyak kekuatan tinggi memotong sistem potong bawah air

Untuk memotong plasma dalam air benda kerja terbenam sekitar 2 sampai 3 inci di bawah air dan obor plasma dipotong sementara direndam dalam air Tingkat asap dan kebisingan serta busur silau dikurangi secara dramatis Salah satu efek negatif dari metode ini adalah bahwa benda kerja pemotongan tidak dapat diamati saat memotong dan kecepatan potong berkurang 10-20

77

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

Selanjutnya operator tidak bisa lagi menentukan dari suara busur apakah proses pemotongan ini berjalan dengan benar dan apakah bahan yang akan menghasilkan kualitas yang baik dipotong

Akhirnya ketika memotong dalam air air yang mengelilingi zona potong memisahkan diri menjadi oksigen dan hidrogen dan oksigen yang dibebaskan memiliki kecenderungan untuk menggabungkan dengan logam cair dari luka (terutama aluminium dan logam ringan lainnya) untuk membentuk oksida logam yang daun gas hidrogen bebas dalam air Ketika hidrogen ini terkumpul dalam saku di bawah benda kerja itu menciptakan ledakan kecil ketika menyulut kembali dengan jet plasma Oleh karena itu kebutuhan air terus-menerus gelisah saat memotong logam tersebut

78

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

9 Underwater Knalpot

Berdasarkan popularitas pemotongan bawah air pada tahun 1986 Hypertherm dirancang dan dipatenkan sebuah Air Knalpot bawah air yang disuntikkan udara di sekitar senter mendirikan gelembung udara yang memotong bisa dilanjutkan Ini menjadi udara diinjeksikan proses pemotongan bawah laut yang paling sering digunakan dengan oksigen memotong sampai 260 amp Penggunaan proses ini meningkat memotong kualitas dan diproduksi normal kecepatan potong tinggi dicapai dengan air-line dan teknik memotong di-udara plasma

10 Rendah-Amp Air Plasma Cutting (1980)

Pada tahun 1980 produsen peralatan plasma busur pemotongan di belahan bumi Barat memperkenalkan peralatan menggunakan udara

79

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

sebagai gas plasma terutama untuk sistem plasma rendah amp Pada awal 1983 Dinamika Thermal meluncurkan PAK3 dan SAF memperkenalkan ZIP-POTONG Kedua unit sangat sukses satu di Amerika Serikat dan yang lainnya di Eropa Hal ini membuka era baru untuk memotong busur plasma yang meningkatkan ukuran pasar dunia sekitar 50 kali pada tahun 1980 dan menciptakan produsen baru Plasma pemotongan busur akhirnya diterima sebagai metode baru untuk memotong logam dan dianggap sebagai alat yang berharga di semua segmen industri pengerjaan logam modern

Dengan dorong baru diberikan kepada industri busur plasma memotong melalui kompetisi peningkatan perbaikan baru yang diperkenalkan yang membuat proses mudah digunakan Proses jauh lebih handal dan keterampilan yang dibutuhkan kurang untuk

80

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

beroperasi Power supply desain menggunakan teknologi konverter state padat primer dan sekunder memperbaiki karakteristik busur dan mengurangi ukuran dan berat dari sistem Hypertherm membuat kontribusi lain dengan paten seperti blowback (atau hubungi start) obor yang menghilangkan frekuensi tinggi busur mulai dan nozel perisai udara disuntikkan yang dilindungi akhir bagian depan selama penindikan logam

11 Oksigen Plasma Cutting (1983)

Karena metode tradisional pemotongan baja adalah proses oxyfuel itu logis bahwa insinyur yang memotong busur plasma dikembangkan mencoba dari awal untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Namun suhu yang sangat tinggi di ujung elektroda dan keberadaan oksigen murni disebabkan semua bahan elektroda yang dikenal dengan cepat memburuk sehingga baik

81

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

tidak ada pemotongan dapat dibuat atau hanya pemotongan durasi yang sangat singkat ini diberikan oksigen dan udara tidak dapat diterima sebagai plasma gas Oksigen pemotongan itu telah ditinggalkan di tahun-tahun awal pengembangan teknologi plasma pemotongan Pada awal 1970 ditemukan bahwa hafnium dan zirkonium dalam bentuk industri yang tersedia tidak menahan kemerosotan cepat yang terjadi dengan memotong oksigen busur plasma Udara dan oksigen sebagai gas plasma lagi menjadi kepentingan ekstrim

Hypertherm mengambil tantangan ini dan mulai usaha R amp D dengan sungguh-sungguh Pada tahun 1983 perusahaan berhasil dengan desain obor lebih baik yang memungkinkan untuk menggunakan oksigen sebagai gas plasma Sebuah paten untuk memotong plasma oksigen air disuntikkan arc diberikan dan oksigen pemotongan

82

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

plasma menjadi perkembangan terbaru dalam teknologi plasma busur Oksigen plasma pemotongan menawarkan berbagai dross-bebas kondisi kecepatan potong kecepatan potong meningkat hingga 30 sementara beroperasi pada tingkat saat ini yang lebih rendah dan menghasilkan tepi halus persegi dan lebih lembut Bagian tepi potongan yang dihasilkan lebih mudah untuk mengarang dengan membungkuk atau pengelasan Semua baja termasuk kekuatan tinggi baja paduan rendah sekarang dipotong sampah bebas dengan proses baru

Bagian penting terus hidup elektroda yang bahkan saat menggunakan hafnium tetap terbatas Namun kualitas dipotong potong baja dengan oksigen yang luar biasa dan pengguna akhir paling banyak ditemukan tradeoff kecepatan jauh

83

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

lebih tinggi dan kualitas memotong dalam menghadapi kehidupan elektroda yang lebih pendek untuk dapat diterima operasi dross Mahal pasca-cut removal sering dikaitkan dengan pemotongan nitrogen hampir dihilangkan dengan plasma oksigen

12 Oksigen Injeksi Plasma Cutting (1985)

Oksigen injeksi pemotongan plasma dielakkan masalah kehidupan elektroda dengan menggunakan nitrogen sebagai gas plasma dan penyuntikan oksigen hilir di pintu keluar dari nozzle seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

84

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

gambar Oksigen injeksi pemotongan plasma

Proses ini digunakan secara eksklusif pada baja ringan dan sedikit meningkatkan kecepatan pemotongan Namun kelemahan utama adalah kurangnya kuadrat dipotong penghapusan goresan berlebihan hidup nozzle pendek dan fleksibilitas yang terbatas (baja ringan) Sementara proses ini masih digunakan di beberapa lokasi kenaikan terbatas dalam kinerja yang terkait dengan itu

85

tidak membenarkan biaya ekstra desain obor ini agak rumit dan halus

13 Air Deep Plasma Cutting

Pada 1990-an industri tenaga atom dihadapkan dengan dua tantangan utama

middot Cara memperpanjang umur tanaman yang ada nuklir

middot Bagaimana membongkar tanaman non-operasional

Sementara industri listrik bekerja keras untuk mengembangkan prosedur perbaikan komponen di kolam reaktor komisi atom beberapa negara sedang mencari metode untuk memotong reaktor dikeluarkan dan komponen lainnya menjadi potongan kecil untuk pembuangan

86

Karena reaktor dan komponen tambahan harus disimpan dalam kolam air memperbaiki semua dan pembongkaran juga harus dia lakukan di bawah air Karena sebagian besar komponen terbuat dari stainless steel cutting plasma adalah metode yang diinginkan Mengatasi masalah pemotongan bawah laut telah menjadi tantangan bagi produsen peralatan plasma dengan sebagian besar menolak untuk terlibat dalam proses Hypertherm telah bekerja dengan beberapa kontraktor dalam industri tenaga nuklir untuk mengembangkan plasma pemotongan peralatan untuk memotong di bawah air Pada 1990 PAC500 Hypertherms 1000 amp sistem plasma telah berhasil digunakan untuk memotong 4 1 2 (114 mm) perisai baja panas steel di bawah 15 kaki (456 m) air di pembangkit listrik Yankee Connecticut nuklir Juga pada tahun 1990 MAX100 dan MAX200 yang digunakan di bawah

87

air di beberapa lokasi pada kedalaman 25 kaki (762 m) Rencana sedang dilakukan untuk memotong di bawah 100 kaki (3048 m) untuk aplikasi offshore

14 High Density Plasma Cutting (1990)

Pemotongan Laser telah menjadi pesaing penting dalam industri logam-pemotongan karena kemampuannya untuk menghasilkan pemotongan berkualitas tinggi dengan akurasi yang tepat Untuk mengasumsikan tempat di pasar logam presisi pemotongan plasma produsen peralatan telah meningkatkan desain mereka upaya untuk lebih meningkatkan kualitas potongan peralatan mereka

Pada awal 1990 kami melihat kualitas plasma instalasi pertama tinggi 40-90 amp yang menghasilkan potongan persegi dan lebar goresan

88

berkurang dengan kecepatan potong meningkat Beberapa unit telah datang dari produsen Jepang Hypertherm telah memperkenalkan teknologi HyDefinition untuk bersaing di pasar ini Harapan adalah bahwa pemotongan plasma akan segera kualitas yang sama seperti potongan laser Karena peralatan plasma jauh lebih rendah dalam biaya modal dari unit laser kami berharap bahwa jenis pemotongan plasma akan menjadi pesaing utama di pasar laser saat ini

89

Plasma display panel Dewasa ini pengembangan PDP sebagai modul untuk menciptakan TV plasma yang dapat dipasang di dinding atau bahkan digantung di langit-langit berkembang sangat pesat TV plasma memiliki layar lebih lebar dan lebih tipis dibandingkan dengan televisi Cathode Ray Tube (CRT) serta memiliki kejelasan gambar yang lebih terang dan jelas dibandingkan televisi dengan Liquid Crystal Display (LCD)

Prinsip dari PDP adalah memanfaatkan pancaran sinar ultraviolet dari gas Xe dan Ne yang terionisasi (plasma) pada fosfor dengan warna merah biru dan hijau Figure 2 adalah tampilan dari PDP dengan surface discharge (plasma) yang dihasilkan dari memberlakukan AC pada kedua plat electrodenya (AC type PDP) Area dari surface discharge (cell) adalah sangat kecil yaitu

90

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

Karena reaktor dan komponen tambahan harus disimpan dalam kolam air memperbaiki semua dan pembongkaran juga harus dia lakukan di bawah air Karena sebagian besar komponen terbuat dari stainless steel cutting plasma adalah metode yang diinginkan Mengatasi masalah pemotongan bawah laut telah menjadi tantangan bagi produsen peralatan plasma dengan sebagian besar menolak untuk terlibat dalam proses Hypertherm telah bekerja dengan beberapa kontraktor dalam industri tenaga nuklir untuk mengembangkan plasma pemotongan peralatan untuk memotong di bawah air Pada 1990 PAC500 Hypertherms 1000 amp sistem plasma telah berhasil digunakan untuk memotong 4 1 2 (114 mm) perisai baja panas steel di bawah 15 kaki (456 m) air di pembangkit listrik Yankee Connecticut nuklir Juga pada tahun 1990 MAX100 dan MAX200 yang digunakan di bawah

87

air di beberapa lokasi pada kedalaman 25 kaki (762 m) Rencana sedang dilakukan untuk memotong di bawah 100 kaki (3048 m) untuk aplikasi offshore

14 High Density Plasma Cutting (1990)

Pemotongan Laser telah menjadi pesaing penting dalam industri logam-pemotongan karena kemampuannya untuk menghasilkan pemotongan berkualitas tinggi dengan akurasi yang tepat Untuk mengasumsikan tempat di pasar logam presisi pemotongan plasma produsen peralatan telah meningkatkan desain mereka upaya untuk lebih meningkatkan kualitas potongan peralatan mereka

Pada awal 1990 kami melihat kualitas plasma instalasi pertama tinggi 40-90 amp yang menghasilkan potongan persegi dan lebar goresan

88

berkurang dengan kecepatan potong meningkat Beberapa unit telah datang dari produsen Jepang Hypertherm telah memperkenalkan teknologi HyDefinition untuk bersaing di pasar ini Harapan adalah bahwa pemotongan plasma akan segera kualitas yang sama seperti potongan laser Karena peralatan plasma jauh lebih rendah dalam biaya modal dari unit laser kami berharap bahwa jenis pemotongan plasma akan menjadi pesaing utama di pasar laser saat ini

89

Plasma display panel Dewasa ini pengembangan PDP sebagai modul untuk menciptakan TV plasma yang dapat dipasang di dinding atau bahkan digantung di langit-langit berkembang sangat pesat TV plasma memiliki layar lebih lebar dan lebih tipis dibandingkan dengan televisi Cathode Ray Tube (CRT) serta memiliki kejelasan gambar yang lebih terang dan jelas dibandingkan televisi dengan Liquid Crystal Display (LCD)

Prinsip dari PDP adalah memanfaatkan pancaran sinar ultraviolet dari gas Xe dan Ne yang terionisasi (plasma) pada fosfor dengan warna merah biru dan hijau Figure 2 adalah tampilan dari PDP dengan surface discharge (plasma) yang dihasilkan dari memberlakukan AC pada kedua plat electrodenya (AC type PDP) Area dari surface discharge (cell) adalah sangat kecil yaitu

90

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

air di beberapa lokasi pada kedalaman 25 kaki (762 m) Rencana sedang dilakukan untuk memotong di bawah 100 kaki (3048 m) untuk aplikasi offshore

14 High Density Plasma Cutting (1990)

Pemotongan Laser telah menjadi pesaing penting dalam industri logam-pemotongan karena kemampuannya untuk menghasilkan pemotongan berkualitas tinggi dengan akurasi yang tepat Untuk mengasumsikan tempat di pasar logam presisi pemotongan plasma produsen peralatan telah meningkatkan desain mereka upaya untuk lebih meningkatkan kualitas potongan peralatan mereka

Pada awal 1990 kami melihat kualitas plasma instalasi pertama tinggi 40-90 amp yang menghasilkan potongan persegi dan lebar goresan

88

berkurang dengan kecepatan potong meningkat Beberapa unit telah datang dari produsen Jepang Hypertherm telah memperkenalkan teknologi HyDefinition untuk bersaing di pasar ini Harapan adalah bahwa pemotongan plasma akan segera kualitas yang sama seperti potongan laser Karena peralatan plasma jauh lebih rendah dalam biaya modal dari unit laser kami berharap bahwa jenis pemotongan plasma akan menjadi pesaing utama di pasar laser saat ini

89

Plasma display panel Dewasa ini pengembangan PDP sebagai modul untuk menciptakan TV plasma yang dapat dipasang di dinding atau bahkan digantung di langit-langit berkembang sangat pesat TV plasma memiliki layar lebih lebar dan lebih tipis dibandingkan dengan televisi Cathode Ray Tube (CRT) serta memiliki kejelasan gambar yang lebih terang dan jelas dibandingkan televisi dengan Liquid Crystal Display (LCD)

Prinsip dari PDP adalah memanfaatkan pancaran sinar ultraviolet dari gas Xe dan Ne yang terionisasi (plasma) pada fosfor dengan warna merah biru dan hijau Figure 2 adalah tampilan dari PDP dengan surface discharge (plasma) yang dihasilkan dari memberlakukan AC pada kedua plat electrodenya (AC type PDP) Area dari surface discharge (cell) adalah sangat kecil yaitu

90

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

berkurang dengan kecepatan potong meningkat Beberapa unit telah datang dari produsen Jepang Hypertherm telah memperkenalkan teknologi HyDefinition untuk bersaing di pasar ini Harapan adalah bahwa pemotongan plasma akan segera kualitas yang sama seperti potongan laser Karena peralatan plasma jauh lebih rendah dalam biaya modal dari unit laser kami berharap bahwa jenis pemotongan plasma akan menjadi pesaing utama di pasar laser saat ini

89

Plasma display panel Dewasa ini pengembangan PDP sebagai modul untuk menciptakan TV plasma yang dapat dipasang di dinding atau bahkan digantung di langit-langit berkembang sangat pesat TV plasma memiliki layar lebih lebar dan lebih tipis dibandingkan dengan televisi Cathode Ray Tube (CRT) serta memiliki kejelasan gambar yang lebih terang dan jelas dibandingkan televisi dengan Liquid Crystal Display (LCD)

Prinsip dari PDP adalah memanfaatkan pancaran sinar ultraviolet dari gas Xe dan Ne yang terionisasi (plasma) pada fosfor dengan warna merah biru dan hijau Figure 2 adalah tampilan dari PDP dengan surface discharge (plasma) yang dihasilkan dari memberlakukan AC pada kedua plat electrodenya (AC type PDP) Area dari surface discharge (cell) adalah sangat kecil yaitu

90

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

Plasma display panel Dewasa ini pengembangan PDP sebagai modul untuk menciptakan TV plasma yang dapat dipasang di dinding atau bahkan digantung di langit-langit berkembang sangat pesat TV plasma memiliki layar lebih lebar dan lebih tipis dibandingkan dengan televisi Cathode Ray Tube (CRT) serta memiliki kejelasan gambar yang lebih terang dan jelas dibandingkan televisi dengan Liquid Crystal Display (LCD)

Prinsip dari PDP adalah memanfaatkan pancaran sinar ultraviolet dari gas Xe dan Ne yang terionisasi (plasma) pada fosfor dengan warna merah biru dan hijau Figure 2 adalah tampilan dari PDP dengan surface discharge (plasma) yang dihasilkan dari memberlakukan AC pada kedua plat electrodenya (AC type PDP) Area dari surface discharge (cell) adalah sangat kecil yaitu

90

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

berkisar antara 1-100μm Didalam sel ini gas Xe dicampur dengan gas Ne atau gas He dengan komposisi hingga mencapai sekitar 5 Dengan tekanan gas sekitar p=70 kPa kondisi ideal yang paling mudah dalam membuat plasma (pl ≒ 3 Pa m Paschen痴 law)

Gambar 2 Radiasi (cahaya RGB) akibat pancaran cahaya ultraviolet dari Xe plasma pada Phospor

91

Gambar 3 Structure AC type plasma display panel Pada Gambar 2 dengan mengacu pada sustain electrode K andaikan electrical discharge terjadi pada saat diberikan pulsed voltage (V=250V width=1μs) pada electrode A Second electron yang keluar dari cathode K terionisasi serta

92

berkembang dengan menuju anode A terjadilah electrical discharge Tetapi anode A terisolasi oleh dielectric layer sehingga electron terkumpulkan pada permukaan dielectric layer tersebut (bermuatan listrik negatif) kemudian potential menurun dan electrical discharge current terhenti 1μs kemudian applied voltage ≒ 0 dan plasma pun menghilang diikuti dengan hilangnya muatan listrik negatif yang menempel pada permukaan dielectric layer setelah beberapa detik kemudian Semuanya kembali pada keadaan semula Hal ini kemudian dilakukan secara berulang-ulang (AC) hingga menimbulkan electrical discharge yang cukup lemah di dalam cell (area dari surface discharge) Plasma yang ditimbulkan di dalam cell memiliki konsentrasi 1020 per meter kubik dengan suhu dari electron 2 eV

93

Di dalam plasma ini ion Xe+ lebih banyak jumlahnya dibandingkan dengan ion Ne+ walaupun konsentrasi dari gas Xe lebih sedikit daripada gas Ne Hal ini terjadi dikarenakan Xe lebih mudah mengalami ionisasi (e + Xe -gt Xe+ + 2e) Xe terionisasi dengan energi sebesar 121 eV sedangkan Ne membutuhkan energi sebesar 216 eV Selain dari pada itu Penning effect yang terjadi pada Ne

Dalam plasma tumbukan elektron pada Ne membentuk Metastable atom Nem dalam jumlah banyak (1) Nem kemudian bertumbukan dengan Xe dan Xe terionisasi (2) Penning effect ini sangat bermanfaat dalam meningkatkan ionisasi efisiensi melalui penurunan electrical discharge voltage (Hal yang sama juga terjadi pada gas He)

94

Dalam pembuatan PDP dipergunakan gas Xe hal ini selain dikarenakan adanya Penning effect juga dikarenakan adanya cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang memancar dari Xe pada waktu terionisasi Cahaya ultraviolet yang dihasilkan ini dapat menyebabkan excitation pada phosphor dan mengubahnya menjadikan RGB cahaya yang terlihat (Visible light) Lengkapnya bisa kita lihat pada (3) dan (4)

Tumbukan dari elektron pada Xe menyebabkan excitasi atom Xe yang akan diikuti dengan cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang keluar dari Xe untuk kembali pada posisi semula Xe (4) Selanjutnya tiga dasar warna RGB yang dihasilkan oleh phosphor tadi akan melewati front glass substrate (lihat Radiation

95

pada Figure 1) menjadi kombinasi warna yang kita lihat pada layar TV plasma

Teknologi Plasma dalam Industri Pengemasan Makanan

Food Technology

Salah satu tujuan utama pengemasan makanan adalah untuk menjadikan makanan dapat tahan lama (awet) Akan tetapi proses yang dilakukan untuk mencapai tujuran tersebut biasanya dapat

96

Di dalam plasma ini ion Xe+ lebih banyak jumlahnya dibandingkan dengan ion Ne+ walaupun konsentrasi dari gas Xe lebih sedikit daripada gas Ne Hal ini terjadi dikarenakan Xe lebih mudah mengalami ionisasi (e + Xe -gt Xe+ + 2e) Xe terionisasi dengan energi sebesar 121 eV sedangkan Ne membutuhkan energi sebesar 216 eV Selain dari pada itu Penning effect yang terjadi pada Ne

Dalam plasma tumbukan elektron pada Ne membentuk Metastable atom Nem dalam jumlah banyak (1) Nem kemudian bertumbukan dengan Xe dan Xe terionisasi (2) Penning effect ini sangat bermanfaat dalam meningkatkan ionisasi efisiensi melalui penurunan electrical discharge voltage (Hal yang sama juga terjadi pada gas He)

94

Dalam pembuatan PDP dipergunakan gas Xe hal ini selain dikarenakan adanya Penning effect juga dikarenakan adanya cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang memancar dari Xe pada waktu terionisasi Cahaya ultraviolet yang dihasilkan ini dapat menyebabkan excitation pada phosphor dan mengubahnya menjadikan RGB cahaya yang terlihat (Visible light) Lengkapnya bisa kita lihat pada (3) dan (4)

Tumbukan dari elektron pada Xe menyebabkan excitasi atom Xe yang akan diikuti dengan cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang keluar dari Xe untuk kembali pada posisi semula Xe (4) Selanjutnya tiga dasar warna RGB yang dihasilkan oleh phosphor tadi akan melewati front glass substrate (lihat Radiation

95

pada Figure 1) menjadi kombinasi warna yang kita lihat pada layar TV plasma

Teknologi Plasma dalam Industri Pengemasan Makanan

Food Technology

Salah satu tujuan utama pengemasan makanan adalah untuk menjadikan makanan dapat tahan lama (awet) Akan tetapi proses yang dilakukan untuk mencapai tujuran tersebut biasanya dapat

96

Dalam pembuatan PDP dipergunakan gas Xe hal ini selain dikarenakan adanya Penning effect juga dikarenakan adanya cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang memancar dari Xe pada waktu terionisasi Cahaya ultraviolet yang dihasilkan ini dapat menyebabkan excitation pada phosphor dan mengubahnya menjadikan RGB cahaya yang terlihat (Visible light) Lengkapnya bisa kita lihat pada (3) dan (4)

Tumbukan dari elektron pada Xe menyebabkan excitasi atom Xe yang akan diikuti dengan cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 147 nm yang keluar dari Xe untuk kembali pada posisi semula Xe (4) Selanjutnya tiga dasar warna RGB yang dihasilkan oleh phosphor tadi akan melewati front glass substrate (lihat Radiation

95

pada Figure 1) menjadi kombinasi warna yang kita lihat pada layar TV plasma

Teknologi Plasma dalam Industri Pengemasan Makanan

Food Technology

Salah satu tujuan utama pengemasan makanan adalah untuk menjadikan makanan dapat tahan lama (awet) Akan tetapi proses yang dilakukan untuk mencapai tujuran tersebut biasanya dapat

96

pada Figure 1) menjadi kombinasi warna yang kita lihat pada layar TV plasma

Teknologi Plasma dalam Industri Pengemasan Makanan

Food Technology

Salah satu tujuan utama pengemasan makanan adalah untuk menjadikan makanan dapat tahan lama (awet) Akan tetapi proses yang dilakukan untuk mencapai tujuran tersebut biasanya dapat

96

menyebabkan kerusakan nutrien dan komponen ndash komponen sensori pada makanan Olehsebabitu teknologi pengemasan makanan terus dikembangkan dengan tujuan menjadikan makanan dapat tahan lama dengan meminimalkan kerusakan nutrient dan komponen ndash komponen sensori pada makanan tersebut Aplikasi teknologi plasma dalam industri pengemasan makanan lahir sebagai bentuk perkembangan dalam teknologi pengemasan makanan yang baik karena memiliki beberapa keunggulan seperti proses yang cepat dan minim menyebabkan kerusakan pada makanan Berikut ini merupakan aplikasi teknologi plasma dalam pengemasan makanan

1 Fungsionalisasi dan aktivasi permukaan Pada kemasan makanan berbahan dasar polimer kemudahan dicetak dan sifat anti asap merupakan properti khas yang harus dimiliki Dengan teknologi plasma kedua kriteria tersebut dapat dipenuhi melalui fungsionalisasi dan aktivasi permukaan Dalam tahap ini plasma berfungsi

97

sebagai penyesuai energi permukaan dengan cara mengatur adhesifitas sifat hidrofobik dan hidrofilik Dalam pengaturan sifak hidrofobik dan hidrofil ada dua hal yang menjadi perhatian yaitu terbentuknya lapisan permukaan anti asap dan penggunaan cat berbahan dasar air ataupun tinta Lamanya waktu yang dibutuhkan dalam perlakuan plasma terhadap kemasan menentukan adhesifitas yang diperoleh Penggunaan lapisan plasma juga berguna dalam meningkatkan derajat kebasahan permukaan yang berpengaruh juga terhadap energi permukaan tersebut Dengan adanya plasma energi permukaan meningkat 15 kali lipat Hal ini sangat berguna dalam penggunaan cat berbahan dasar secara ekologis

2 Pelapisan permukaan Pengawetan makanan dalam kemasan bergantung pada sterilitas dan kualitas kemasan itu sendiri Sebagai contoh untuk makanan atau minuman yang sensitivitasnya terhadap udara cukup tinggi

98

harus dikemas dalam botol yang memiliki lapisan penghalang yang kuat

Gambar 1 Ruang dalam rekator selama perlakuan dengan plasma Pelapisan botol PET dari dalam menggunakan SiOx dan HMDSO (heksametildioksan) dengan bantuan argon plasma merupakan cara baru dalam produksi botol PET berkualitas tinggi sebagai kemasan minuman tertentu Dengan menggunakan plasma lapisan SiOx setebal 50 nm dapat diperoleh hanya dalam waktu kurang dari lima

99

detik Padahal proses ini memakan waktu hampir puluhan kali lipat lebih lama tanpa adanya plasma Penggunaan plasma juga meningkatkan kemampuan kemasan dalam menghalangi terjadinya difusi gas dalam rentang skala 3 -10 Selain itu kemasan yang dilapisi menggunakan plasma memiliki kemungkinan hampir 0 dalam terjadinya microcrack akibat spora

3 Sterilisasi plasma Sterilisasi dalam pemrosesan makanan merupakan suatu proses pengawetan makanan dengan cara memanaskan makanan pada temperatur yang cukup tinggi dalam waktu tertentu untuk menghancurkan mikroba dan aktivitas enzim Dengan proses sterilisasibiasanya makanan dapat bertahan hingga lebih dari 6 bulan pada temperatur ruang Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan Berikut beberapa alasannya

o Waktu inaktivasi spora yang singkat o Beban termal yang rendah

100

o Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya

o Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi

o Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses malah terjadi peningkatan kualitas material makanan

o Tidak perlu ada treatment lanjutan Mekanisme sterilisasi dengan plasma

1 Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV

2 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik

3 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma) Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis Berikut ini merupakan skema ECR plasma

101

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

sebagai penyesuai energi permukaan dengan cara mengatur adhesifitas sifat hidrofobik dan hidrofilik Dalam pengaturan sifak hidrofobik dan hidrofil ada dua hal yang menjadi perhatian yaitu terbentuknya lapisan permukaan anti asap dan penggunaan cat berbahan dasar air ataupun tinta Lamanya waktu yang dibutuhkan dalam perlakuan plasma terhadap kemasan menentukan adhesifitas yang diperoleh Penggunaan lapisan plasma juga berguna dalam meningkatkan derajat kebasahan permukaan yang berpengaruh juga terhadap energi permukaan tersebut Dengan adanya plasma energi permukaan meningkat 15 kali lipat Hal ini sangat berguna dalam penggunaan cat berbahan dasar secara ekologis

2 Pelapisan permukaan Pengawetan makanan dalam kemasan bergantung pada sterilitas dan kualitas kemasan itu sendiri Sebagai contoh untuk makanan atau minuman yang sensitivitasnya terhadap udara cukup tinggi

98

harus dikemas dalam botol yang memiliki lapisan penghalang yang kuat

Gambar 1 Ruang dalam rekator selama perlakuan dengan plasma Pelapisan botol PET dari dalam menggunakan SiOx dan HMDSO (heksametildioksan) dengan bantuan argon plasma merupakan cara baru dalam produksi botol PET berkualitas tinggi sebagai kemasan minuman tertentu Dengan menggunakan plasma lapisan SiOx setebal 50 nm dapat diperoleh hanya dalam waktu kurang dari lima

99

detik Padahal proses ini memakan waktu hampir puluhan kali lipat lebih lama tanpa adanya plasma Penggunaan plasma juga meningkatkan kemampuan kemasan dalam menghalangi terjadinya difusi gas dalam rentang skala 3 -10 Selain itu kemasan yang dilapisi menggunakan plasma memiliki kemungkinan hampir 0 dalam terjadinya microcrack akibat spora

3 Sterilisasi plasma Sterilisasi dalam pemrosesan makanan merupakan suatu proses pengawetan makanan dengan cara memanaskan makanan pada temperatur yang cukup tinggi dalam waktu tertentu untuk menghancurkan mikroba dan aktivitas enzim Dengan proses sterilisasibiasanya makanan dapat bertahan hingga lebih dari 6 bulan pada temperatur ruang Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan Berikut beberapa alasannya

o Waktu inaktivasi spora yang singkat o Beban termal yang rendah

100

o Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya

o Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi

o Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses malah terjadi peningkatan kualitas material makanan

o Tidak perlu ada treatment lanjutan Mekanisme sterilisasi dengan plasma

1 Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV

2 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik

3 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma) Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis Berikut ini merupakan skema ECR plasma

101

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

harus dikemas dalam botol yang memiliki lapisan penghalang yang kuat

Gambar 1 Ruang dalam rekator selama perlakuan dengan plasma Pelapisan botol PET dari dalam menggunakan SiOx dan HMDSO (heksametildioksan) dengan bantuan argon plasma merupakan cara baru dalam produksi botol PET berkualitas tinggi sebagai kemasan minuman tertentu Dengan menggunakan plasma lapisan SiOx setebal 50 nm dapat diperoleh hanya dalam waktu kurang dari lima

99

detik Padahal proses ini memakan waktu hampir puluhan kali lipat lebih lama tanpa adanya plasma Penggunaan plasma juga meningkatkan kemampuan kemasan dalam menghalangi terjadinya difusi gas dalam rentang skala 3 -10 Selain itu kemasan yang dilapisi menggunakan plasma memiliki kemungkinan hampir 0 dalam terjadinya microcrack akibat spora

3 Sterilisasi plasma Sterilisasi dalam pemrosesan makanan merupakan suatu proses pengawetan makanan dengan cara memanaskan makanan pada temperatur yang cukup tinggi dalam waktu tertentu untuk menghancurkan mikroba dan aktivitas enzim Dengan proses sterilisasibiasanya makanan dapat bertahan hingga lebih dari 6 bulan pada temperatur ruang Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan Berikut beberapa alasannya

o Waktu inaktivasi spora yang singkat o Beban termal yang rendah

100

o Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya

o Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi

o Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses malah terjadi peningkatan kualitas material makanan

o Tidak perlu ada treatment lanjutan Mekanisme sterilisasi dengan plasma

1 Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV

2 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik

3 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma) Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis Berikut ini merupakan skema ECR plasma

101

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

detik Padahal proses ini memakan waktu hampir puluhan kali lipat lebih lama tanpa adanya plasma Penggunaan plasma juga meningkatkan kemampuan kemasan dalam menghalangi terjadinya difusi gas dalam rentang skala 3 -10 Selain itu kemasan yang dilapisi menggunakan plasma memiliki kemungkinan hampir 0 dalam terjadinya microcrack akibat spora

3 Sterilisasi plasma Sterilisasi dalam pemrosesan makanan merupakan suatu proses pengawetan makanan dengan cara memanaskan makanan pada temperatur yang cukup tinggi dalam waktu tertentu untuk menghancurkan mikroba dan aktivitas enzim Dengan proses sterilisasibiasanya makanan dapat bertahan hingga lebih dari 6 bulan pada temperatur ruang Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan Berikut beberapa alasannya

o Waktu inaktivasi spora yang singkat o Beban termal yang rendah

100

o Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya

o Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi

o Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses malah terjadi peningkatan kualitas material makanan

o Tidak perlu ada treatment lanjutan Mekanisme sterilisasi dengan plasma

1 Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV

2 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik

3 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma) Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis Berikut ini merupakan skema ECR plasma

101

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

o Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya

o Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi

o Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses malah terjadi peningkatan kualitas material makanan

o Tidak perlu ada treatment lanjutan Mekanisme sterilisasi dengan plasma

1 Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV

2 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik

3 Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma) Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis Berikut ini merupakan skema ECR plasma

101

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

Gambar 2 Skema alat ECR Plasma Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik seperti foton UV dan radikal Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C) relative aman dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer

102

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103

DAFTAR PUSTAKA

1 httpkarvboxblogspotcom201005pengertian-fluida-dalam-fisika-fluidahtml

2 httpmrchemilowordpresscom20120512computational-fluid-dynamics-24-2

3 httpariyantoengineeringblogspotcom20

1206cfd_10html

4 httpwwwchem-is-tryorgartikel_kimiakimia_materialplasma-display-panel-pdp-hidup-dalam-lingkungan-plasma

5 httpwajibmenuntutilmublogspotcom201

306plasmahtmlm=1

103