Laporan OTK

BAB IPRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA 1ALIRAN FLUIDAI. TUJUAN PERCOBAAN1. Mampu mengoperasikan software ANSYS, khususnya yang berkaitan dengan aliran fluida.2. Mengetahui suhu fluida yang keluar dari pipa mixing elbow dengan metode analitis menggunakan software ANSYS dan perhitungan secara numeris.3. Mengetahui suhu fluida yang keluar dari pipa mixing elbow jika kecepatan input fluida dingin diperbesar.4. Mengetahui suhu fluida yang keluar dari pipa mixing elbow jika suhu input fluida hangat diperbesar.5. Mengetahui suhu fluida hangat yang harus dimasukkan jika diharapkan suhu tertentu pada fluida yang keluar dari pipa mixing elbow.II. DASAR TEORIFluida atau zat alir adalah zat yang bisa mengalir. Syarat aliran fluida sendiri adalah zat cair dapat mengalir sendiri dari tempat tinggi ke tempat yang lebih rendah, sedangkan gas dapat mengalir pada tekanan tinggi ke tekanan rendah. Apabila persyaratan tersebut tidak terpenuhi, maka untuk mengalirkan fluida harus direkayasa dengan menggunakan bantuan alat tertentu. Untuk mengalirkan zat cair yang tidak memenuhi persyaratan agar bisa mengalir sendiri maka perlu penggunaan alat yaitu pompa. Sedangkan untuk mengalirkan gas dari tekanan rendah ke tekanan yang lebih tinggi menggunakan fan, blower, atau kompressor (Tim Dosen, 2014).Aliran fluida bila ditinjau dari olakan yang terjadi, dibagi menjadi dua macam yaitu :1. Aliran LaminerAliran dikatakan laminer apabila partikel fluida mengalir pada satu lintasan dan bergerak dengan kecepatan yang rendah sehinga tidak terjadi arus olakan. Analogi aliran laminer adalah bagaikan olimpiade renang, perenang hanya akan berenang pada satu lintasannya sendiri dan tidak akan berenang pada lintasan perenang lain.2. Aliran TransisiAliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.3. Aliran TurbulenAliran dikatakan turbulen apabila partikel fluida bergerak pada lintasan yang tidak beraturan dengan kecepatan tinggi sehingga terjadi arus olakan. Analogi aliran turbulen adalah balapan moto GP, pembalap akan memacu kendaraannya dengan kecepatan tinggi dengan bergerak di lintasan yang tidak beraturan sehingga bisa menabrak pembalap lain. Untuk mengetahui jenis aliran fluida dalam pipa adalah dengan cara menghitung bilangan Reynold nya (Re) (Tim Dosen, 2014).Dimana, = rapat massa fluida Di = diameter dalam pipa = laju alir fluida = viskositas fluidaKetentuan aliran fluida dalam pipaRe < 2000 Tipe aliran LaminarRe < 2000 3000 Tipe aliran TransisiRe > 3000 Tipe aliran Turbulen.Sistem pemipaan untuk aliran fluida disamping pipa lurus juga dilengkapi dengan fitting, antara lain : sabungan pipa, bengkokan (elbow), pembesaran, pengecilan, kran dan sebagainya. Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan panas secara konveksi yaitu perpindahan panas pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut (Ridwan, Tanpa Tahun). Yaitu perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media penghantar berupa fluida (cairan/gas) (Buchori, Tanpa Tahun).Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai :q=h.A(Ts-T)Dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)A = luas penampang (m2)Ts = temperatur plat (K)T= temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) Perpindahan panas secara konveksi ada dua jenis, yaitu alamiah dan paksa. Konveksi alamiah merupakan pergerakan atau aliran energy kalor terjadi karena akibat perbedaan masa jenis dan suhu saja, tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. Konveksi alamiah terjadi pada system ventilasi rumah, peristiwa angin darat dan angin laut, serta aliran asap pada cerobong asap pabrik. Konveksi paksa merupakan suatu kejadian dimana aliran panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu (ada tenaga dari luar yang mendorongnya), misal dengan kipas angin atau blower. Konveksi paksa, misalnya terdapat pada sistem pendingin mesin pada mobil, alat pengering rambut, dan pada reaktor nuklir pembangkit tenaga (Buchori, Tanpa Tahun).Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang mana di alirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa dalam pipa merupakan persolaan perpindahan konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan internal flow. Adapun aliran yang terjadi dalam pipa adalah fluida yang dibatasi oleh suatu permukaan. Sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada aliran luar (Walujodjati, 2006).III. PROSEDUR KERJA1. ALAT DAH BAHANa. Satu set program CFD (ANSYS).2. Dua fluida dicampur dalam pipa mixing elbow (Simulasi di ANSYS)Metode AnalitisProgram CFDHitung suhu fluida outletMetode NumerisRumus perpindahan panas konveksiHasil suhu outletHasil suhu outletAnalisis PerbedaannyaPengubahan variabe-variabelSKEMA KERJA

Gambar I.1 Skema kerja praktikum aliran FluidaIV. DATA PENGAMATANMetode AnalitisNo.Kondisi prosesPengamatan

1.Kondisi mula-mulaTout = 295.58661 K

2.Jika Ux diubah menjadi 3.5 m/sTout = 293.539 K

3.Jika suhu T1 dinaikkan 40 KTout = 300,45 K

4.Jika suhu Tout diinginkan 320 KT1= 513.47 K

Metode NumerisKondisi Mula-mulaInlet Large:Mencari bilangan Reynold dan angka PrandtlRed = = = 50.800 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Mencari bilangan NusseltNu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,4 (pemanasan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,4 = 0,023x(50.800)0,8x (4,982)0,4 = 0,023x5.816,891x1,9 = 254,198Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 254,198 = h = 1693,819 W/m2.K

Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..(Tout T0) q= [1693,819 x 0,1016 x 3,14 x (Tout 293,15)] x 0,2032 q= [540,369 Tout -158.409,17 ] x 0,2032 q = 109,802 Tout 32.188,743 ........... (1)

Inlet Small:Mencari bilangan Reynold dan angka PrandtlRed = = = 38.100 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Mencari bilangan NusseltNu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,3 (pendinginan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,3 = 0,023x(38.100)0,8x (4,982)0,3 = 0,023x4621,042x1,619 = 172,073Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 172,073= h = 4586,355 W/m2.K

Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..( T1Tout) q= [4586,355 x 0,0254 x 3,14 x (313,15 Tout)] x 0,0762 q= [114.546,9285 - 365,789 Tout] x 0,0762 q = 8.728,4759 27,873 Tout........... (2)

Pers.1 & 2)109,802 Tout 32.188,743 = 8.728,4759 27,873 Tout40.847,218 = 137,675 ToutTout = 296,693 KJika Ux diubah menjadi 3.5 m/sInlet Large:Red = = = 444.500 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Nu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,4 (pemanasan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,4 = 0,023x(444.500)0,8x (4,982)0,4 = 0,023x32.983,55x1,9 = 1.441,38Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 1.441,38 = h = 9.604,47 W/m2.K

Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..(Tout T0) q= [9.604,47 x 0,1016 x 3,14 x (Tout 293,15)] x 0,2032 q= [3.064,056 Tout 898.228,016 ] x 0,2032 q = 622,61 Tout 182.519,93 ........... (3)

Inlet Small:Red = = = 38.100 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Nu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,3 (pendinginan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,3 = 0,023x(38.100)0,8x (4,982)0,3 = 0,023x4621,042x1,619 = 172,073Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 172,073= h = 4586,355 W/m2.K


Pers.3 & 4)622,61 Tout 182.519,93 = 8.728,4759 27,873 Tout191.248,405 = 650,483 ToutTout = 294,009 K

Jika suhu T1 dinaikkan 40 KInlet Large:Red = = = 50.800 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Nu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,4 (pemanasan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,4 = 0,023x(50.800)0,8x (4,982)0,4 = 0,023x5.816,891x1,9 = 254,198Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 254,198 = h = 1693,819 W/m2.K

Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..(Tout T0) q= [1693,819 x 0,1016 x 3,14 x (Tout 293,15)] x 0,2032 q= [540,369 Tout -158.409,17 ] x 0,2032 q = 109,802 Tout 32.188,743 ........... (5)




Pers.5 & 6109,802 Tout 32.188,743 = 9.843,39 27,873 Tout42.032,133 = 137,675 ToutTout = 305,29 KJika suhu Tout 320 KInlet Large:Red = = = 50.800 (Aliran Turbulen)Pr = = = 4,982

Nu= 0,023.Red0,8.Prnn=0,4 (pemanasan)Nu= 0,023.Red0,8.Pr0,4 = 0,023x(50.800)0,8x (4,982)0,4 = 0,023x5.816,891x1,9 = 254,198Mencari h dari persamaan Nu sebagai berikut:Nu= 254,198 = h = 1693,819 W/m2.K

Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..(Tout T0) Tout = 320 K q= [1693,819 x 0,1016 x 3,14 x (320 293,15)] x 0,2032 q= [14.508,9053 ] x 0,2032 q = 2.948,209...... (7)



Lalu mencari nilai q melalui persamaan berikut:q/L = h.d..( T1Tout) Tout = 320 K q= [4586,355 x 0,0254 x 3,14 x (T1 320)] x 0,0762 q= [365,789 T1 117.052,48] x 0,0762 q = 27,87 T1 8.919,407........... (8)

Pers. 7&82.948,209 = 27,87 T1 8.919,40711.867,697 = 27,87 T1T1 = 425,823 K

V. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASANPada praktikum aliran fluida ini digunakan software CFD yaitu ANSYS.Tujuan praktikum ini adalah untuk menghitung suhu fluida yang keluar dari pipa mixing elbow dengan properti seperti pada gambar berikut ini.

Gambar I.1 Aliran fluida dalam pipa mixing elbowPada gambar tersebut dapat diketahui bahwa sebuah cairan dingin (air) yang mempunyai suhu T0 K mengalir ke pipa melalui inlet besar dengan kecepatan Ux dan campuran dengan cairan hangat (air) bersuhu T1 K masuk melalui inlet kecil yang terletak di siku dengan kecepatan Uy. Keduanya bercampur dan kemudian mengalir ke atas dan keluar melalui outlet besar dengan diameter yang sama dengan inlet besar. Target yang diinginkan dalam praktikum ini adalah menghitung suhu fluida yang keluar dengan menggunakan metode analitis menggunakan software ANSYS dan metode numeris menggunakan perhitungan manual. Variabel yang diubah adalah sebagai berikut:a. Jika Ux diubah menjadi 3.5 m/s b. Jika T1 dinaikkan 40 Kc. Berapakah suhu T1 yang harus dimasukkan untuk memperoleh outlet bersuhu 320 K.Kondisi Mula-mulaPada kondisi awal air dengan suhu 293.15 K masuk ke dalam pipa mixing elbow melalui inlet besar yang berdiameter 4 inchi dengan kecepatan 0.4 m/s, sedangkan air yang lebih hangat dengan suhu 313.15 K masuk melalui inlet kecil dengan diameter 1 inchi dengan kecepatan 1.2 m/s. Keduanya bercampur dan keluar melalui outlet besar dengan diameter 4 inchi. Berdasarkan hasil analitis dengan ANSYS diperoleh bahwa suhu outlet adalah 295.58661 K. Vektor kecepatan dan kontur temperature dapat dilihat pada gambar di Lampiran 1.Metode numeris menggunakan rumus perpindahan panas konveksi dengaan aliran turbulen dalam pipa. Pertama-tama dicari terlebih dahulu bilangan Reynold dan angka Prandtl. Bilangan Reynold untuk mengetahui jenis alirannya, sedangkan angka Prandtl yaitu parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas hidrodinamik dan lapisan batas termal. Selanjutya adalah mencari bilangan Nusselt dengan dua persamaan. Bilangan Nusselt adalah rasio pindah panas konveksi dan konduksi normal terhadap batas dalam kasus pindah panas pada permukaan fluida. Dengan persamaan tersebut dapat ditemukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h). Dengan begitu dapat dicari nilai q sehingga didapatkan suatu persamaan. Lakukan cara yang sama untuk kedua pipa, maka akan didapat dua persamaan yang mempunyai variabel suhu outlet. Dari kedua persamaan tersebut diperoleh nilai suhu outlet (Tout) nya. Hasil yang diperoleh yaitu 296,693 K. Langkah-langkah tersebut digunakan untuk perhitungan bagi pengubahan-pengubahan yang berikutnya.a. Jika Ux diubah menjadi 3.5 m/s Pada kondisi ini air dengan suhu 293.15 K masuk ke dalam pipa mixing elbow melalui inlet besar yang berdiameter 4 inchi dengan kecepatan yang diperbesar menjadi 3.5 m/s, sedangkan air yang lebih hangat dengan suhu 313.15 K masuk melalui inlet kecil dengan diameter 1 inchi dengan kecepatan 1.2 m/s. Keduanya bercampur dan keluar melalui outlet besar dengan diameter 4 inchi. Berdasarkan hasil analitis dengan ANSYS diperoleh bahwa suhu outlet adalah 293.539 K. Vektor kecepatan dan kontur temperature dapat dilihat pada gambar di Lampiran 1.Berdasarkan perhitungan numeris suhu outlet adalah 294,009 K.b. Jika T1 dinaikkan 40 KPada kondisi ini air dengan suhu 293.15 K masuk ke dalam pipa mixing elbow melalui inlet besar yang berdiameter 4 inchi dengan kecepatan seperti semula yaitu 0.4 m/s, sedangkan air yang lebih hangat dengan suhu yang dinaikkan 40 K dari semula sehingga menjadi 353.15 K masuk melalui inlet kecil dengan diameter 1 inchi dengan kecepatan 1.2 m/s. Keduanya bercampur dan keluar melalui outlet besar dengan diameter 4 inchi. Berdasarkan hasil analitis dengan ANSYS diperoleh bahwa suhu outlet adalah 300,45 K. Vektor kecepatan dan temperature dapat dilihat pada gambar di Lampiran 1.Berdasarkan perhitungan numeris suhu outlet adalah 305,29 K.c. Jika suhu Tout 320 KPada kondisi ini air dengan suhu 293.15 K masuk ke dalam pipa mixing elbow melalui inlet besar yang berdiameter 4 inchi dengan kecepatan seperti semula yaitu 0.4 m/s. Diharapkan air yang keluar melalui outlet besar dengan diameter 4 inchi memiliki suhu sebesar 320 K. Air hangat yang dimasukkan melalui inlet kecil memiliki kecepatan tetap yaitu 1.2 m/s. Berdasarkan hasil analitis dengan ANSYS diperoleh data bahwa untuk mendapatkan suhu 320 K pada outlet maka air hangat yang dimasukkan harus bersuhu 513.47 K. Vektor kecepatan dan temperature dapat dilihat pada gambar di Lampiran 1.Berdasarkan perhitungan numeris suhu air hangat adalah 425,823 K.Berdasarkan analisis praktikan perpindahan panas yang terjadi pada kasus-kasus tersebut adalah perpindahan panas secara konveksi, yaitu perpindahan panas pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Dalam hal ini fluidanya adalah zat cair yaitu air. Perpindahan panas terjadi antara air hangat dan air yang lebih dingin di dalam pipa mixing elbow dengan fenomena konveksi paksa, karena aliran panas dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu yaitu pompa. Jika ditijau dari segi analitis (analisa gambar vektor kecepatan aliran dalam pipa dalam Lampiran), jenis alirannya adalah aliran laminer, karena pergerakannya yang satu lapisan meluncur secara lancar (Ridwan, Tanpa Tahun). Sedangkan secara numeris berdasarkan penghitungan bilangan Reynoldnya, aliran yang terjadi di dalam pipa merupakan aliran turbulen, dikarenakan nilai bilangan Reynoldnya lebih dari 3000 (Tim Dosen, 2014).Berdasarkan pembahasan di atas, hasil suhu outlet yang ditunjukkan oleh ANSYS dan hasil numeris memiliki perbedaan beberapa derajat kelvin. Hal ini dapat disebabkan karena ANSYS menghitung dengan asumsi bahwa aliran fluidanya adalah laminer, seperti pada gambar vektor kecepatan yang ada pada Lampiran 1. Sedangkan praktikan menghitung berdasarkan asumsi bahwa aliran fluida dalam pipa adalah turbulen. Selain itu perhitungan pada ANSYS menggunakan semua variabel, sedangkan pada perhitungan numeris variabel seperti efek ujung, heat loss, pressure drop, faktor friksi, dan variabel yang kecil pengaruhnya diabaikan. Maka dari itu terdapat sedikit perbedaan antara perhitungan ANSYS dan perhitungan numeris.

VI. SIMPULAN DAN SARANSIMPULAN1. Pada kondisi awal, suhu fluida yang keluar melalui pipa mixing elbow adalah 295.58661 K berdasarkan metode analitis, dan 296,693 K berdasarkan metode numeris.2. Jika Ux diubah menjadi 3.5 m/s, suhu fluida yang keluar melalui pipa mixing elbow adalah 293.539 K berdasarkan metode analitis, dan 294,009 K berdasarkan metode numeris.3. Jika T1 dinaikkan 40 K suhu fluida yang keluar melalui pipa mixing elbow adalah 300,45 K berdasarkan metode analitis, dan 305,29 K berdasarkan metode numeris.4. Untuk memperoleh suhu outlet sebesar 320 K dibutuhkan air hangat bersuhu 513.47 K secara analitis, dan 425.823 secara numeris.5. Pada perhitungan numeris digunakan rumus perpindahan panas konveksi untuk aliran turbulen pada pipa.6. Metode analitis dan numeris dalam menghitung suatu variabel mempunyai hasil yang berbeda, namun tidak terlalu jauh.SARAN1. Dalam mengoperasikan software ANSYS harus dengan teliti, karena satu kesalahan akan berakibat pada hasil perhitungan.2. Pada metode numeris sebaiknya gunakan trial berbagai rumus untuk mengetahui rumus mana yang memiliki hasil paling dekat dengan metode analitis.

DAFTAR PUSTAKATim Dosen Praktikum OTK 1. 2014.Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 1. Program Studi Teknik Kimia Universitas Negeri Semarang. SemarangWalujodjati, A. 2006. Perpindahan Panas Konveksi Paksa. Momentum, Vol. 2, No. 2, Oktober 2006 : 21 24. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim. SemarangRidwan. Tanpa Tahun. Aliran Fluida. Mata Kuliah Mekanika FluidaBuchori, Luqman. Tanpa Tahun. Perpindahan Panas (Heat Transfer). Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Semarang

Laporan OTK

Documents

Transcript of Laporan OTK