Saran

BAB V PENUTUP

5.2 Saran

Saran untuk penelitian berbasis modeling dengan kasus yang sama adalah: 1. Mencari pola aliran yang lebih baik dengan parameter input yang lebih

variatif untuk meminimalisir slug flow yang dapat menyebabkan terjadinya fenomena water hammer.

2. Penelitian dilakukan menggunakan perangkat komputer yang memiliki spesifikasi khusus untuk simulasi.

63

Engineering and Applied Sciences Vol 8, No 7, July 2013.

Akhtari. M, Haghshenasfard. M, dan, Talaie. MR. 2013. Numerical and Experimental Investigation of Heat Transfer of α-Al2O3 / Water Nanofluid in Double Pipe and Shell and Tube Heat Exchanger. Taylor & Francis Group, LLC.

Ansys Fluent User’s Guide. 2013. Ansys, Inc. USA.

Behera, Siddharta Shankar. 2013. CFD Analysis of Heat Transfer in a Helical Coil Heat Exchanger Using Fluent. Departement of Mechanical Engineering, National Institute of Technology Rourkela.

Bhanuchandrarao, B. 2013. CFD Analysis And Performance of Parallel And Counter Flow In Concentric Tube Heat Exchangers. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) Vol. 2 Issue 11, November 2013.

Cengel, Yunus A., dan Cimbala, John M. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. McGraw Hill. New York.

Pouesaeidi. Esmaeil, dan Arablu. Masoud. 2011. Using CFD to Study Combustion and Steam Flow Distribution Effects on Reheater Tubes Operation. Journal of Fluids Engineering Vol 133.

Rahul H, Kanade. 2015. Heat Transfer Enhancement in a Double Pipe Heat Exchanger Using CFD. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Vol 02.

Mazumder, Quamrul. H. 2012. CFD Analysis of Single and Multiphase Flow Characteristic in Elbow. Journal of Scientific Research, Engineering, 2012, 4, 210-214.

Munson, Okiishi, Huebsch, dan Rothmayer. 2013. Fundamental of Fluid Mechanics. John wiley & Son, Inc.

Ridwan. Seri Diktat Kuliah Mekanika Fluida Dasar. Gunadarma. Depok.

Song, Shengwei. 2014. Analysis of Y Type Branch Pipe Exhaust Ventilation Flow Characteristics. Applied Mechanics ang Materials Vols. 556-562, pp 1054-1058. Trans Tech Publications, Switzerland.

Sukamta, Sudarja, dan Catur Wahyu. 2011. Temperature Profiles Based on Multilocation of Condensation of Steam Flow Cooled With Parallel Flowing Water in the Outside of a Horizontal Pipe.

Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Informatika. Bandung.

Versteeg, H. K., dan Malalasekera, W. 1995. An introduction to computational fluid dynamics: Tha finite volume method. Longman Group Ltd. England.

65

Project

First Saved Tuesday, March 1, 2016 Last Saved Sunday, August 7, 2016 Product Version 15.0 Release Save Project Before Solution No

Contents

 Units  Model (A3) o Geometry  Part  Parts o Coordinate Systems o Connections  Contacts o Mesh  Mesh Controls o Named Selections

Units

TABLE 1

Unit System Metric (m, kg, N, s, V, A) Degrees rad/s Celsius Angle Degrees

Rotational Velocity rad/s Temperature Celsius

Model (A3)

Geometry

TABLE 2 Model (A3) > Geometry

Object Name Geometry

State Fully Defined

Definition

Source ^{E:\UMY\kuliah\skripsi\Ansys Fluent\percobaan} 6.3.2_files\dp0\FFF\DM\FFF.agdb Type DesignModeler

Length Unit Meters

Bounding Box Length X 0.1143 m Length Y 0.1143 m Length Z 1.6 m Properties Volume 1.6417e-002 m³ Scale Factor Value 1.

Statistics

Bodies 4 Active Bodies 4

Nodes 162146 Elements 158500

Mesh Metric None

Basic Geometry Options

Parameters Yes Parameter Key DS Attributes No Named Selections No Material Properties No

Advanced Geometry Options

Use Associativity Yes Coordinate Systems No Reader Mode Saves

Updated File ^No Use Instances Yes Smart CAD Update No

Compare Parts On

Update ^No Attach File Via Temp File Yes

Temporary Directory C:\Users\Freeware Sys\AppData\Roaming\Ansys\v150 Analysis Type 3-D

Decompose Disjoint

Geometry ^Yes Enclosure and Symmetry

Processing ^No

TABLE 3

Model (A3) > Geometry > Body Groups

Object Name Part

State Meshed

Graphics Properties

Visible Yes

Definition

Suppressed No

Coordinate System Default Coordinate System

Bounding Box Length X 0.1143 m Length Y 0.1143 m Length Z 1.6 m Properties Volume 1.6417e-002 m³ Statistics Nodes 162146 Elements 158500 Mesh Metric None

TABLE 4

Model (A3) > Geometry > Part > Parts

Object Name uap copper air steel

State Meshed

Visible Yes

Definition

Suppressed No Coordinate

System ^{Default Coordinate System} Reference Frame ^Lagrangian Material Fluid/Solid ^{Defined By} Geometry (Fluid) Defined By Geometry (Solid) Defined By Geometry (Fluid) Defined By Geometry (Solid) Bounding Box

Length X 1.72e-002 m 1.9e-002 m 0.1083 m 0.1143 m Length Y 1.72e-002 m 1.9e-002 m 0.1083 m 0.1143 m Length Z 1.6 m

Properties

Volume 3.7176e-004 m³ 8.1882e-005 m³ 1.4285e-002 m³ 1.6784e-003 m³ Centroid X 9.5418e-020 m 2.6399e-019 m -3.9917e-019 m -5.4952e-018 m Centroid Y -2.6836e-019 m -9.3074e-020 m -6.0312e-019 m -9.4898e-018 m Centroid Z 0.8 m

Statistics

Nodes 44176 10542 109687 15562 Elements 41250 5500 103250 8500 Mesh Metric None

Coordinate Systems

TABLE 5

Model (A3) > Coordinate Systems > Coordinate System

Object Name Global Coordinate System

State Fully Defined

Definition Type Cartesian Coordinate System ID 0. Origin Origin X 0. m Origin Y 0. m Origin Z 0. m Directional Vectors X Axis Data [ 1. 0. 0. ] Y Axis Data [ 0. 1. 0. ] Z Axis Data [ 0. 0. 1. ]

Connections

TABLE 6

Model (A3) > Connections

Object Name Connections

Auto Detection

Generate Automatic Connection On Refresh Yes

Transparency

Enabled Yes

TABLE 7

Model (A3) > Connections > Contacts

Object Name Contacts

State Fully Defined

Definition

Connection Type Contact

Scope

Scoping Method Geometry Selection Geometry All Bodies

Auto Detection

Tolerance Type Slider Tolerance Slider 0. Tolerance Value 4.0204e-003 m

Use Range No Face/Face Yes Face/Edge No Edge/Edge No

Priority Include All Group By Bodies Search Across Bodies

Mesh

TABLE 8 Model (A3) > Mesh

Object Name Mesh

State Solved

Defaults

Physics Preference CFD Solver Preference Fluent

Relevance 0

Sizing

Use Advanced Size Function On: Curvature Relevance Center Medium

Initial Size Seed Active Assembly Smoothing Medium

Transition Slow Span Angle Center Fine Curvature Normal Angle Default (18.0 °)

Min Size Default (4.0078e-004 m) Max Face Size Default (4.0078e-002 m) Max Size Default (8.0156e-002 m) Growth Rate Default (1.20 )

Minimum Edge Length 5.4035e-002 m

Inflation

Use Automatic Inflation None Inflation Option Smooth Transition Transition Ratio 0.272 Maximum Layers 5

Growth Rate 1.2 Inflation Algorithm Pre View Advanced Options No

Assembly Meshing

Method None

Patch Conforming Options

Triangle Surface Mesher Program Controlled

Patch Independent Options

Topology Checking Yes

Advanced

Number of CPUs for Parallel Part Meshing Program Controlled Shape Checking CFD Element Midside Nodes Dropped Straight Sided Elements

Number of Retries 0 Extra Retries For Assembly Yes

Rigid Body Behavior Dimensionally Reduced Mesh Morphing Disabled

Defeaturing

Pinch Tolerance Default (3.607e-004 m) Generate Pinch on Refresh No

Automatic Mesh Based Defeaturing On

Defeaturing Tolerance Default (2.0039e-004 m)

Statistics

Nodes 162146 Elements 158500 Mesh Metric None

TABLE 9

Model (A3) > Mesh > Mesh Controls

Object Name Inflation Inflation 2 Inflation 3

State Fully Defined

Scope

Scoping Method Geometry Selection Geometry 1 Face

Definition

Suppressed No

Boundary Scoping Method Geometry Selection Boundary 1 Edge Inflation Option Smooth Transition Transition Ratio Default (0.272) Maximum Layers 5

Growth Rate 1.2 Inflation Algorithm Pre

Named Selections

TABLE 10

Model (A3) > Named Selections > Named Selections

Object Name inlet_uap inlet_air outlet_uap outlet_air Insulation_surface

State Fully Defined

Scope

Scoping Method Geometry Selection Geometry 1 Face

Definition

Send to Solver Yes Visible Yes Program Controlled

Inflation ^Exclude

Statistics

Type Manual Total Selection 1 Face

Suppressed 0 Used by Mesh Worksheet No

Date

2016/08/08 21:11:07

Contents

1. File Report

Table 1 File Information for FFF

2. Mesh Report

Table 2 Mesh Information for FFF

3. Physics Report

Table 3 Domain Physics for FFF Table 4 Boundary Physics for FFF

4. User Data

1. File Report

Table 1. File Information for FFF

Case FFF

File Path ^{E:\UMY\kuliah\skripsi\Ansys Fluent\percobaan}

6.3.2_files\dp0\FFF\Fluent\FFF-20-00997.dat.gz

File Date 07 August 2016

File Time 11:31:17 PM

File Type FLUENT

File

2. Mesh Report

Table 2. Mesh Information for FFF

Domain Nodes Elements

part air 109687 103250 part copper 10542 5500 part steel 15562 8500 part uap 44176 41250 All Domains 179967 158500

3. Physics Report

Table 3. Domain Physics for FFF

Domain - part air

Type cell

Domain - part copper

Type solid

Domain - part steel

Type solid

Domain - part uap

Type cell

Table 4. Boundary Physics for FFF

Domain Boundaries part air Boundary - inlet_air Type MASS-FLOW-INLET Boundary - outlet_air Type PRESSURE-OUTLET

Boundary - wall part air part copper shadow

Type WALL

Boundary - wall part air part steel

Type WALL

part copper

Boundary - wall part air part copper

Type WALL

Boundary - wall part copper

Type WALL

Boundary - wall part copper part uap shadow

Type WALL

part steel ^{Boundary - insulation_surface}

Boundary - wall part air part steel shadow

Type WALL

Boundary - wall part steel

Type WALL part uap Boundary - inlet_uap Type PRESSURE-INLET Boundary - outlet_uap Type PRESSURE-OUTLET

Boundary - wall part copper part uap

Program Studi S-1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email : immawan.wa@gmail.com

INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi komputasi dinamika fluida untuk profil temperatur kondensasi uap air pada posisi circumferential di dalam pipa konsentrik horisontal dengan pendinginan searah pada ruang anular serta membandingkan hasil simulasi dengan hasil penelitian berbasis eksperimental dengan kasus yang sama yang dilakukan oleh Sukamta dkk (2015).

Penelitian ini menggunakan aplikasi Computational Fluid Dynamic (CFD) Ansys Fluent 15. Geometri dalam penelitian ini adalah sebuah pipa konsentrik dengan bagian dalam dari bahan tembaga (d1 = 17,2 mm, d2 = 19 mm), dan bagian luar dari bahan besi galvanis (d1 = 108,3 mm, d2 = 114,3 mm), dan panjang pipa konsentrik 1,6 m. Penelitian dilakukan pada tekanan statis Pst = 108,825 kPa, ṁco,i = 4,23 x 10-1 kg/s dan variasi laju aliran massa steam ṁst = 5,9 x 10-3 kg/s, ṁst

= 8,9 x 10^-3 kg/s, dan ṁst = 1,9 x 10^-2 kg/s.

Hasil penelitian berbasis modeling ini menunjukkan bahwa besar variasi laju aliran massa yang diberikan mempengaruhi pola penurunan temperatur uap air di dalam pipa. Penurunan temperatur tertinggi terjadi pada variasi ṁst = 5,9 x 10-3kg/s dan terendah pada variasi ṁst = 1,9 x 10^-2 kg/s. Penurunan temperatur uap air ini berdampak pada terjadinya fenomena kondensasi yang mempengaruhi pola aliran di dalam pipa. Akibatnya terjadi ketidakstabilan aliran fluida di dalam sistem sehingga pola aliran cenderung bergelombang

Kata kunci: aliran fluida, aliran uap, kondensasi, aliran gelombang, profil temperatur, komputasi dinamika fluida.

memiliki peran penting dalam bidang industri, pertanian, kedokteran, dan lain sebagainya. Dalam bidang industri misalnya, ilmu mekanika fluida berperan penting dalam perancangan sebuah sistem perpipaan.

Setiap aliran fluida berpotensi terjadinya sebuah fenomena water hammer yang disebabkan oleh berbagai macam hal. Dalam proses perancangan sistem perpipaan diperlukan perhitungan yang tepat guna menghindari kemungkinan buruk seperti halnya fenomena water hammer ini.

Dewasa ini, terdapat metode berbasis sistem komputer yang mampu melakukan suatu analisa terhadap fenomena aliran fluida. Sehingga kemungkinan buruk yang terjadi dalam suatu sistem perpipaan seperti halnya fenomena water hammer dapat dihindari karena sebelum sistem perpipaan dirancang dapat disimulasikan terlebih dahulu sehingga pola yang nantinya akan terjadi dalam sistem tersebut dapat diketahui. Computational Fluid Dynamic (CFD) sangat cocok digunakan untuk melakukan analisa terhadap sebuah sistem yang rumit dan sulit dipecahkan dengan perhitungan manual. Dengan kelebihannya tersebut CFD sering digunakan untuk melakukan analisa terhadap suatu pola sebuah sistem. Adapun software CFD yang sering digunakan adalah FLUENT®, Comsol, dll.

Dalam penelitian ini dilakukan analisa terhadap suatu proses aliran fluida dengan pendinginan searah pada pipa konsentrik horisontal menggunakan aplikasi CFD Ansys FLUENT^® 15 guna mengetahui pola aliran serta profil temperatur dalam sistem tersebut.

Gambar 1. Diagram alir proses simulasi menggunakan Ansys FLUENT® 15. Proses penelitian berbasis modeling menggunakan aplikasi CFD Ansys Fluent 15 ini pada dasarnya dibagi menjadi 3 tahapan : Pre-Processing, Processing, dan Post-Processing. Pre-Processing meliputi pembuatan geometri dan meshing, pengidentifikasian batas pada geometri, pengecekan mesh. Processing meliputi penentuan kondisi batas, proses numerik, dan iterasi. Dan Post-Processing meliputi plot distribusi tekanan dan temperatur, dll.

Pada penelitian ini geometri yang digunakan adalah sebuah pipa anulus dengan panjang 1,6 m. Pipa dalam berbahan tembaga (d1 = 17,2 mm, d2 = 19 mm), sedangkan pipa luar berbahan besi galvanis (d1 = 108,3 mm, d2 = 114,3 mm).

Simulasi dilakukan dengan tekanan statis steam Pst = 108,825 kPa, ṁco,i = 4,23 x 10^-1 kg/s, dan variasi laju aliran massa steam

ṁst,i = 5,9 x 10-3 kg/s, ṁst,i = 8,9 x 10-3 kg/s, dan ṁst,i = 1,9 x 10^-2 kg/s.

Gambar 2. Profil temperatur dengan variasi ṁst,i = 5,9 x 10^-3 kg/s.

Gambar 3. Profil temperatur dengan variasi ṁst,i = 8,9 x 10^-3 kg/s.

Gambar 4. Profil temperatur dengan variasi ṁst,i = 1,9 x 10^-2 kg/s.

Gambar 5. Grafik profil temperatur dengan

ṁst = 5,9 x 10^-3 kg/s.

Gambar 6. Grafik profil temperatur dengan

ṁst = 8,9 x 10^-3 kg/s.

Gambar 7. Grafik profil temperatur dengan

ṁst = 1,9 x 10-2 kg/s.

Gambar 5, 6, dan 7 menunjukkan bahwa variasi laju aliran massa uap air yang diberikan dalam penelitian ini memiliki kecenderungan pola penurunan temperatur

massa uap air berbanding terbalik dengan besar penurunan temperatur yang terjadi. Hal ini dapat dilihat dari hasil yang ditunjukkan oleh variasi ṁst = 1,9 x 10-2 kg/s yang memiliki temperatur lebih tinggi dibanding dengan variasi lainnya.

Fenomena kondensasi di dalam pipa terjadi pada titik awal dekat sisi inlet. Untuk variasi ṁst = 5,9 x 10^-3 kg/s terjadi diantara titik 10 dan 30 cm dari sisi inlet, sedangkan untuk variasi ṁst = 8,9 x 10-3 kg/s dan ṁst = 1,9 x 10^-2 kg/s terjadi diantara titik 30 dan 55 cm dari inlet.

Hasil penelitian berbasis modeling ini memiliki kecenderungan yang berbeda dibanding dengan penelitian berbasis eksperimental untuk kasus yang sama yang dilakukan oleh Sukamta dkk (2015). Hasil penelitian berbasis eksperimental menunjukkan bahwa penurunan temperatur yang terjadi di dalam sistem cenderung sangat kecil. Sehingga temperatur pada sisi pipa mendekati outlet cenderung masih relatif tinggi yang menunjukkan fasa uap air masih mendominasi aliran. Perbandingan hasil penelitian berbasis eksperimental dan modeling secara statistik ditunjukkan pada Gambar 8, 9, dan 10.

Gambar 8. Grafik profil temperatur pada posisi atas di dalam pipa konsentrik.

Gambar 9. Grafik profil temperatur pada posisi samping di dalam pipa konsentrik.

Gambar 10. Grafik profil temperatur pada posisi bawah di dalam pipa konsentrik.

Hasil penelitian berbasis modeling adalah hasil ideal yang memungkinkan untuk terjadi. Hasil tersebut dapat dijadikan acuan untuk menganalisis kondisi suatu sistem perpindahan kalor. Hasil penelitian berbasis eksperimental menunjukkan keadaan uap air di dalam pipa yang masih cenderung bertemperatur tinggi. Hal ini dikarenakan proses perpindahan kalor yang terjadi kurang maksimal. Sehingga perlu adanya evaluasi pada kondisi yang mempengaruhi sistem seperti faktor lingkungan, kondisi batas sistem, dan sebagainya.

4. Kesimpulan

1. Pola penurunan temperatur pada ketiga variasi memiliki kecenderungan yang sama. Besar laju aliran massa uap air

diantara titik 10 dan 30 cm dari sisi inlet, sedangkan untuk variasi ṁst = 8,9 x 10^-3 kg/s dan ṁst = 1,9 x 10^-2 kg/s terjadi diantara titik 30 dan 55 cm dari inlet. 3. Fenomena kondensasi mempengaruhi

pola aliran di dalam pipa. Akibatnya terjadi ketidakstabilan aliran fluida di dalam sistem sehingga pola aliran cenderung bergelombang.

4. Terdapat perbedaan pola distribusi temperatur antara penelitian berbasis eksperimental yang dilakukan oleh Sukamta dkk (2015), dengan penelitian berbasis modeling. Pola penurunan temperatur pada penelitian berbasis eksperimental cenderung lebih kecil dibanding dengan hasil simulasi. Hal ini terjadi karena dalam penelitian berbasis eksperimental terdapat faktor lingkungan seperti kondisi udara luar yang mempengaruhi yang dalam penelitian berbasis modeling hal tersebut bukan merupakan parameter kondisi batas yang digunakan.

DAFTAR PUSTAKA

Afolabi. Eyitayo. A, dan Lee. J. G. M. 2013. CFD Simulation of a Single Phase Flow in a Pipe Separator Using Reynolds Stress Method. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Vol 8, No 7, July 2013. Akhtari. M, Haghshenasfard. M, dan, Talaie.

MR. 2013. Numerical and Experimental Investigation of Heat Transfer of α-Al2O3 / Water Nanofluid in Double Pipe and Shell and Tube

Behera, Siddharta Shankar. 2013. CFD Analysis of Heat Transfer in a Helical Coil Heat Exchanger Using Fluent. Departement of Mechanical Engineering, National Institute of Technology Rourkela.

Bhanuchandrarao, B. 2013. CFD Analysis And Performance of Parallel And Counter Flow In Concentric Tube Heat Exchangers. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) Vol. 2 Issue 11, November 2013.

Cengel, Yunus A., dan Cimbala, John M. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. McGraw Hill. New York.

Pouesaeidi. Esmaeil, dan Arablu. Masoud. 2011. Using CFD to Study Combustion and Steam Flow Distribution Effects on Reheater Tubes Operation. Journal of Fluids Engineering Vol 133.

Rahul H, Kanade. 2015. Heat Transfer Enhancement in a Double Pipe Heat Exchanger Using CFD. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Vol 02.

Mazumder, Quamrul. H. 2012. CFD Analysis of Single and Multiphase Flow Characteristic in Elbow. Journal of Scientific Research, Engineering, 2012, 4, 210-214.

Munson, Okiishi, Huebsch, dan Rothmayer. 2013. Fundamental of Fluid Mechanics. John wiley & Son, Inc. Ridwan. Seri Diktat Kuliah Mekanika Fluida

Switzerland.

Sukamta, Sudarja, dan Catur Wahyu. 2011. Temperature Profiles Based on Multilocation of Condensation of Steam Flow Cooled With Parallel

Versteeg, H. K., dan Malalasekera, W. 1995. An introduction to computational fluid dynamics: Tha finite volume method. Longman Group Ltd. England.