TUGAS AKHIR – TM 141585
SIMULASI NUMERIK DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN KECEPATAN UDARA RUANG PRODUKSI PT
PERTAMINA (PERSERO) - PRODUCTION UNIT GRESIK LUBRICANTS
PATRICIA MANURUNG
NRP. 2112 100 088
Dosen Pembimbing:
Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng
JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017
TUGAS AKHIR – TM 1411585
SIMULASI NUMERIK DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN KECEPATAN UDARA RUANG PRODUKSI PT PERTAMINA (PERSERO) - PRODUCTION UNIT GRESIK LUBRICANTS
PATRICIA MANURUNG
NRP. 2112 100 088
Pembimbing:
Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng
PROGRAM SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
2017
FINAL PROJECT – TM 1411585
NUMERICAL STUDY OF TEMPERATURE AND AIR
VELOCITY DISTRIBUTION ON PRODUCTION UNIT ROOM PT. PERTAMINA (PERSERO) – PRODUCTION UNIT GRESIK LUBRICANT
PATRICIA MANURUNG
NRP. 2112 100 088
Advisor
Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng
BACHELOR DEGREE
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY
SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA
2017
i
PADA RUANG UNIT PRODUKSI PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant
Nama Mahasiswa : Patricia Manurung
NRP : 2112 100 088
Jurusan : S1 Teknik Mesin
Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng.
Abstrak
Pengkondisian udara adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur temperatur, kelembaban udara, kebersihan udara dan pendistribusiannya secara seerentak guna mencapai temperatur dan kelembaban yang ideal. Analisa dilakukan pada distribusi temperatur dan kecepatan udara pada ruangan. Sistem pengkondisian udara dirancang untuk menciptakan kondisi udara yang nyaman bagi pekerja, sehingga tercapai suasana kerja yang efektif. Kondisi ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant memiliki luas yang mencapai tiga ribu meter persegi. Dimana terdapat sumber panas yang mempengaruhi perpindahan panas di dalam ruangan, baik dari pekerja dan perangkat lainnya. Perangkat tersebut menghasilkan kalor yang sangat besar seperti mesin pengisi oli, oven chamber, kondensor, mesin pengangkut, serta benda-benda elektronik lainnya. Sistem pendinginan udara yang sudah diterapkan adalah dengan pemasangan 7unit blower dan 24 mechanic ventilator
Penelitian ini dilakukan secara numerik dengan FLUENT 6.3.26. pemodelan geometri dibuat menggunakan GAMBIT 2.4.6 dengan kondisi batas inlet adalah velocity inlet, sedangkan outlet adalah exhaust fan. Simulasi pertama yang dianalisa adalah kondisi existing ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant dengan kecepatan inlet blower sebesar 6 m/s. Simulasi kedua dilakukan dengan variasi beban
ii
pendinginan dalam kondisi steady. Simulasi dilakukan dengan penambahan diffuser pada kecepatan udara pendingin: 1,5m/s ; 2m/s ; 2,5m/s.
Dari hasil simulasi ini didapatkan visualisasi karakteristik aliran dan perpindahan panas yang melewati barisan pekerja, yakni diantaranya distribusi temperatur, dan kecepatan udara.
Selain itu, diperoleh data mentah yang diolah untuk menghasilkan perbandingan antara Nusselt Number dan Heat Transfer terhadap perpindahan panas. Kesimpulan yang dapat diambil sebagai pembuktian hipotesa bahwa termperatur ruangan kondisi existing tidak nyaman bagi pekerja menurut AHSRAE Fundamental 1997, yakni 34oC– 36 oC. Pengaruh variasi kecepatan udara pendingin yang diberikan dapat mendinginkan temperatur pada baris pekerja 1 – 5 dengan rentang temperatur 23oC– 25 oC. Besarnya beban pendinginan total untuk unit pengkondisian udara adalah 20370,37 BTU/jam. Besarnya kebutuhan udara pendingin, yakni 1906.988 CFM
Kata Kunci: ASHRHAE Fundamental, Distribusi temperatur, distribusi kecepatan, perangkat lunak FLUENT 6.3.26, Beban Pendingin.
iii
NUMERICAL STUDY OF TEMPERATURE AND AIR VELOCITY DISTRIBUTION ON PRODUCTION
UNIT ROOM PT. PERTAMINA (PERSERO) – PRODUCTION UNIT GRESIK LUBRICANT
Name : Patricia Manurung NRP : 2112 100 088
Major : Mechanical Engineering FTI-ITS Advisor : Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng.
Abstract
Air conditioning is a process of air treatment to regulate temperature moist air, clean air and distribution simultaneously to achieve ideal temperature and humidity. In designing a building, need analysis system air conditioning appropriate. The analysis performed on The distribution of temperature and airspeed is analyzed to create the conditions of air convenient for workers in the room. The condition of the space production unit of PT.
PERTAMINA – Production Unit in Gresik Lubricant has an area that reached three thousand square meters. Where there are heat sources that affect heat transfer inside the room, both of workers and other devices. These devices generate enormous heat such as engine oil filler, oven chamber, condenser, engine carriers, as well as other electronic objects.
The study is done numerically in the software fluent 6.3.26.
Modeling geometry made using software Gambit 2.4.6 condition of inlet is velocity inlet, while outlet is exhaust fan. The first simulation analysis is as existing condition of unit of production PT. PERTAMINA – Production Unit in Gresik Lubricant with the existing speed inlet blower unit of 6 m / s. The second simulation analysis is conducted by the cooling variations in conditions steady
iv
of additional diffuser with air conditioning velocity: 1,5m/s; 2m/s;
2,5m/s.
The results of this simulation visualize or characteristic of water flow and displacement heat through the ranks of workers, namely including the distribution of room air temperature and velocity. In Addition, retrieved raw data process to analysis comparison between nusselt number and heat transfer on the heat transfer. Which a conclusion can be taken as proof that room is hypothesized termperatur the existing uncomfortable for workers according to ahsrae fundamental, 1997 is 34oC– 36 oC. The influence of air conditioning velocity variation given to cool temperature on the line workers 1 – 5 with range of temperature 23oC– 25 oC. The cooling load total of Air Handling Unit is 20370,37 BTU / hours. The total of volume of air moving through a ventilation system measurement is 1906.988 CFM
Keywords: ASHRHAE Fundamental, FLUENT 6.3.26, Distribution of temperature and air velocity
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan anugerah-Nya sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penyusunan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, dan dukungan berbagai pihak.
Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih keapada:
1. Bapak Prof. Dr. Eng. Ir. Prabowo, M.Eng, selaku dosen pembimbing tugas akhir penulis yang selalu memberikan ilmu-ilmu yang sangat bermanfaat bagi penulis.
2. Orang tua dan keluarga tercinta yang selalu memberikan nasehat kepada penulis untuk selalu memberi dukungan dan mendoakan penulis.
3. Bapak Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME; Dr.
Bambang Sudarmanta, ST, MT; Ary Bachtiar KP., ST., MT., Ph.D selaku dosen penguji tugas akhir penulis serta yang selalu memberikan bimbingan tentang tugas akhir penulis, terima kasih atas ilmu dan saran-saran yang telah diberikan.
4. Seluruh Dosen dan karyawan jurusan Teknik Mesin ITS, 5. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan oleh penulis.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini, oleh karena itu saran dan masukan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Surabaya, Agustus 2014
Penulis
vi
Halaman ini sengaja dikosongkan
vii
DAFTAR ISIABSTRAK ... i
ABSTRACT ... iii
KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... ix
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1 Penelitian Terdahulu ... 7
2.2 Pengkondisian Udara ... 17
2.3 Psychrometric Chart ... 19
2.4 Proses-Proses Pada Pengkondisian Udara ... 20
2.5 Zona Kenyamanan ... 23
2.6 Perpindahan Panas ... 24
2.7 Metode Distribusi Udara Pada Ruangan ... 31
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN ... 37
3.1 Tahapan Penelitian ... 37
3.2 Pengambilan Data ... 38
3.3 Pemodelan dan Simulasi ... 40
3.3.1 Pre-Processing ... 40
3.3.2 ProcessingPost-Processing ... 43
3.4 Perencanaaan Air Handling Unit (AHU) ... 44
3.5 Flowchart Penelitian ... 45
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 49
4.1 Analisa Pembahasan Simulasi Kondisi Existing Ruang Unit Produksi ... 52
4.1.1 Pola Aliran Kecepatan Udara ... 52
4.1.2 Pola Temperatur Udara ... 55
viii
4.2 Analisa Pembahasan Simulasi Kondisi Peren-
canaan Sistem Pengkondisian Udara ... 58
4.2.1 Pengaruh Penambahan Diffuser Pada Kecepatan 2,5 m/s ... 59
4.2.2 Pengaruh Variasi Kecepatan Udara ... 62
4.3 Karakteristik Perpindahan Panas ... 67
4.3.1 Contoh Perhitungan ... 67
4.3.2 Pengaruh Variasi Kecepatan Udara ... 69
4.4 Perencanaan Sistem Pengkondisian Udara .... 72
BAB 5. PENUTUP ... 77
5.1 Kesimpulan ... 77
5.2 Saran ... 78 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Kondisi Ruang Unit Produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant ... 1 Gambar 1.2 Respon tubuh manusia secara fisik terhadap
temperatur efektif ruangan ... 2 Gambar 1.3 Tampak atas Ruang Unit Produksi PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant ... 3 Gambar 2.1 Meshing grid ... 7 Gambar 2.2 Kontur temperatur bidang z/w = -10,845 untuk
variasi siang (t= 200) ... 9 Gambar 2.3 Kontur Temperatur Bidang Z/L=-10,845 Untuk
Variasi Siang (t =2500) ... 10 Gambar 2.4 Grafik distribusi temperatur vs jarak pada detik ke
200 untuk variasi siang ... 11 Gambar 2.5 Grafik distribusi temperatur vs jarak pada detik ke
2500 untuk variasi siang ... 11 Gambar 2.6 Model Ruang Operasi ... 13 Gambar 2.7 Grafik Temperatur pada y/h=0,467 Plane Sumbu X
(x/l=0,5) ... 14 Gambar 2.8 Grafik Temperatur pada y/h=0,467 Plane Sumbu Z
(z/w=0,5) ... 15 Gambar 2.9 Ilustrasi beban beban pendinginan ... 17 Gambar 2.10 Model sistem pengkondisian udara sederhana ... 18 Gambar 2.11 Psychrometric Chart ... 19 Gambar 2.12 Proses Dasar Pengkondisian Udara. (a) Pemanasan dan Pendinginan. (b) Pembasahan ... 21 Gambar 2.15 Proses Dasar Pengkondisian Udara. (c)
Pendinginan dan Pengeringan. (d) Pengeringan Kimiawi. (e.1) Skema Proses Pencampuran. (e.2) Proses Pencampuran Dipetakan Pada Grafik
Psikometrik ... 22 Gambar 2.16 Zona termperatur operatif dan kelembaban
x
relative yang memenuhi standar kenyamanan bagi
manusia ... 23
Gambar 2.15 Thermal boundary layer pada isothermal plat datar ... 25
Gambar 2.16 Perpindahan panas secara konveksi ... 26
Gambar 2.17 Flat plate in parallel flow ... 29
Gambar 2.18 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok A (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) ... 32
Gambar 2.19 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok B (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) ... 32
Gambar 2.20 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok C (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) ... 33
Gambar 2.21 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok D (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997 ... 34
Gambar 2.22 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok E (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) ... 35
Gambar 3.1 Tampak Depan (Timur) Ruang Unit Produksi ... 39
Gambar 3.2 Tampak Samping (Selatan) Ruang Unit Produksi..39
Gambar 3.3 Zona Yang Ditinjau ... 40
Gambar 3.4 Model Benda Uji ... 41
Gambar 3.5 Model manusia mesin, dan inlet ... 41
Gambar 3.6 (a) Meshing (b)Meshing Examination (Skewness < 0.72) ... 42
Gambar 3.7 Skema Sistem Pengkondisian Udara ... 46
Gambar 4.1 Hasil domain tiga dimensi bangunan ... 49
Gambar 4.2 Potongan iso-surface ... 51
Gambar 4.3 Tampilan baris pekerja pada potongan bidang –X ... 52
Gambar 4.3 Visualisasi Kontur Kecepatan Bidang y/h =-12,5 Pemakaian Fan 6m/s ... 53
xi
Gambar 4.5 Visualisasi Kontur Kecepatan Bidang (a) x/l = 2 dan (b) x/l= -1.5 ... 54 Gambar 4.6 Pathline kecepatan aliran pada Kondisi Existing .. 55 Gambar 4.7 Grafik distribusi temperatur kondisi existing
terhadap ketinggian pekerja ... 56 Gambar 4.8 Visualisasi kontur temperatur pada (a) bidang x/l =
0,4 dan (b) bidang x/l= -1.5 dengan pemakaian Fan 6m/s ... 57 Gambar 4.9 Pathline Aliran pada Kondisi Perencanaan Sistem
Pendingin ... 58 Gambar 4.10 Visualisasi Kontur Kecepatan Bidang
(a) x/l =0,4 dan (b) x/l= -1,5 dengan kecepatan udara 2,5 m/s ... 60 Gambar 4.11 Grafik penurunan kecepatan udara 2,5 m/s
terhadap ketinggian pada tiap baris pekerja ... 61 Gambar 4.12 Visualisasi Kontur Temperatur Bidang
(a) x/l = -1,5 dan (b) x/l= 0,4 dengan kecepatan udara 2,5 m/s ... 62 Gambar 4.13 Visualisasi kontur kecepatan dan temperatur
bidang x/l = -1,5 dengan variasi kecepatan udara inlet ... 63 Gambar 4.14 Grafik variasi kecepatan udara pendingin
terhadap distribusi temperatur pada
ketinggian 1,2 m ... 64 Gambar 4.16 Grafik perbandingan heat transfer coefficient
pada tiap baris pekerja variasi kecepatan udara pendingin ... 65 Gambar 4.17 Grafik perbandingan heat transfer coefficient
pada tiap baris pekerja variasi kecepatan udara pendingin ... 70 Gambar 4.18 Skema sederhana sistem pengkondisian udara pada ruang unit produksi ... 71 Gambar 4.19 Plotting temperatur rancangan pada Psycrometric
Chart ... 73
xii
Halaman ini sengaja dikosongkan
1
1.1 Latar BelakangUntuk mecapai kenyaman, kesehatan, dan kesegaran dalam bangungan, khususnya di daerah beriklim tropis dengan udara panas dan tingkat kelembaban tinggi, diperlukan usaha untuk mendapatkan udara segar. Pengkondisian udara adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur temperatur, kelembaban udara, kebersihan udara dan pendistribusiannya secara seerentak guna mencapai temperatur dan kelembaban yang ideal.
Dalam merancang sebuah bangunan, perlu dilakukan analisa sistem pengkondisian udara yang sesuai. Analisa dilakukan pada distribusi temperatur dan kecepatan udara pada ruangan Sistem pengkondisian udara dirancang untuk menciptakan kondisi udara yang nyaman bagi pekerja yang ada di dalam ruangan, sehingga tercapai suasana kerja yang lebih efektif.
Gambar 1.1 Kondisi Ruang Unit Produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant
Pada Gambar 1.1 menampilkan kondisi ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik
Lubricant. Bangunan ini memiliki luas yang mencapai tiga ribu meter persegi. Dimana terdapat sumber panas yang mempengaruhi perpindahan panas di dalam ruangan, baik dari pekerja dan perangkat lainnya. Perangkat tersebut menghasilkan kalor yang sangat besar seperti mesin pengisi oli, oven chamber, kondensor, mesin pengangkut, serta benda-benda elektronik lainnya.
Sistem pendinginan udara yang sudah diterapkan adalah dengan pemasangan 7 unit blower dan 24 mechanic ventilator.
Pada kondisi puncak, temperatur ruangan dapat mencapai 35oC.
Pada Gambar 1.2 menampilkan respon tubuh manusia terhadap temperatu effektif ruangan. Berdasarkan ASHRAE Fundamentals Handbook, 1985, range temperatur 30 – 35 oC adalah kategori panas dan tidak nyaman bagi manusia. Sehingga, temperatur pada ruang unit produksi ini masuk dalam kondisi tidak nyaman.
Kondisi temperatur yang sesuai untuk kenyamanan pekerja adalah 25 ± 2 oC.
Gambar 1.2 Respon tubuh manusia secara fisik terhadap temperatur efektif ruangan
Dengan demikian perlu dilakukan perancangan sistem pendinginan udara yang tepat, yaitu dengan pemasangan ducting pada tempat-tempat tertentu dimana perkerja melakukan aktivitas.
Dengan pemilihan sistem pengkondisian yang sesuai dengan beban pendinginan yang tepat , pemasangan yang sesuai spesifikasi, pengoperasian dan perawatan yang benar, maka kenyamanan dalam gedung dapat terpenuhi.
Analisa distribusi temperatur dan kecepatan udara pada ruang produksi ini. Analisa ini dapat dilakukan dengan melakukan simulasi menggunakan metode numerik. Metode numerik ini dilakukan pada software CFD guna mensimulasikan perilaku suatu sistem yang melibatkan distribusi temperatur. Dalam simulasi, dilakukan proses simplifikasi terhadap geometri bangunan.
Gambar 1.3 Tampak atas Ruang Unit Produksi PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant Dapat dilihat pada Gambar 1.2 tampak atas dari ruang unit produksi. Terdapat 5 line yang berisikan mesin filling oli dan konveyor. Dalam penelitian ini akan dilakukan simulasi pada line pertama. Prinsip analisanya adalah dengan memecah persamaan- persamaan aliran fluisa menjadi sub daerah kecil dengan kondisi batas daerah spesifik. Pada penulisan Tugas Akhir ini, akan dilakukan simulasi distribusi temperatur dan kecepatan udara menggunakan software Fluent 6.3.26.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Pada penelitian tugas akhir ini masalah yang akan dipelajari adalah mengenai analisa simulasi numerik perbandingan sistem pengkondisian udara yang sudah diterapkan dengan sistem pengkondisian udara yang akan diterapkan. Dengan penerapan ilmu CFD (Computating Fluent Dynamics), diharapkan dapat mempermudah penelitian yang akan dilakukan. Oleh sebab itu rumusan masalah yang akan dikaji dalam penelitian tugas akhir ini antara lain:
1. Bagaimanakah beban pendinginan untuk sistem pengkondisian udara pada ruang produksi PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant
2. Bagaimana desain sistem pendingin untuk kebutuhan dan distribusi udara pada ruang produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant
1.3 BATASAN MASALAH
Untuk mempermudah dalam penyusunan penelitian ini maka diperlukan adanya batasan masalah dan asumsi yang kiranya berhubungan dengan penelitian ini, batasan masalah dalam penelitian ini antara lain:
1. Simulasi tiga dimensi yang dilakukan untuk dianalisa adalah software GAMBIT 6.4.6 dan FLUENT 6.3.26 2. Analisa yang dilakukan hanya pada Ruang unit produksi
PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant dengan diambil sampel ukuran 8 m x 40 m x 13.4 m
3. Standar suhu dan kelembaban udara ruang kedatangan mengacu pada standard ASHRAE
4. Heat gain yang ditimbulkan dari masing-masing komponen di Ruang produksi produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant tidak diukur secara langsung tetapi mengacu dari data literatur.
5. Fluida yang digunakan adalah udara sebagai gas ideal 6. Dilakukan penyederhanaan skema ruangan dalam proses
pembuatan geometri dan meshing
7. Simulasi dilakukan dalam kondisi steady dan incompressible flow
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adaah sebagai berikut:
1.
Mengetahui beban pendinginan untuk sistem pengkondisian udara pada ruang produksi PT.PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant
2.
Merancang sistem pendingin untuk kebutuhan dan distribusi udara pada ruang produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Dapat mengetahui kondisi nyata penggunaan energi yang digunakan dalam hal pengkondisian udara pada ruang produksi PT. PERTAMINA (Persero) –
Production Unit Gresik Lubricant2. Hasil dari penelitian ini dapat memberikan rekomendasi pada pengelola gedung PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik
Lubricant untuk standar kenyamanan dan potensipenghematan energi listrik.
3. Mengembangkan wawasan mahasiswa dalam
perencanaan sistem pengkondisian udar
Halaman ini sengaja dikosongkan
7
2.1 Penelitian Terdahulu2.1.1 Filipus Ardian Wijaya (2015)
Pada tahun 2015, Filipus Ardian Wijaya melakukan penelitian dengan menggunakan pemodelan CFD yang bertujuan untuk menganalisa pengkondisian udara Ruang tunggu lantai 2 pada Terminal 2 Juanda International Airport Surabaya melalui profil-profil yang dihasilkan.
Dimensi ruang tunggu lantai 2 adalah 57,29 m x 19,87 m x 4,8 m. Sisi supply (inlet diffuser) berdiameter 0,3 m. Kemudian sisi outlet (RAG) berukuran 1 m x 0.25m. Untuk mempermudah proses permodelan dan proses meshing maka pemodelan ruangan ini dilakukan dengan simplifikasi terhadap bentuk-bentuk yang kompleks.
Sisi inlet ini terletak pada ketinggian 1.45 m x 0.9 m x 4.2 m masuk ke dalam ruangan dengan kecepatan penuh yaitu 5,091 m/s. Outlet (RAG) memiliki kecepatan fan sebesar 2,88 m/s. Sifat fluida konstan diambil suhu referensi dari Tref = 291 K adalah sebagai berikut: Q(siang hari) = 24.504 Watt, dan Q(malam hari)
= 48.504 Watt, μ= 1,801 x 10-5 kg/m.s, cp =1,006734 kJ/kg K, k=
25,6x10-5 W/m.K dan ρ=1,203 kg/m3.
Filipus Ardian melakukan simulasi dengan model three dimensional double precision (3ddp). Analisa unsteady dengan melakukan simulasi dari software CFD dengan perbedaan waktu yang ditinjau.
Pengambilan pada detik yang udara belum tersebar secara merata yaitu pada detik ke-200 kemudian saat udara dalam ruangan sudah tersebar merata yaitu pada detik ke-1050 dan selanjutnya saat mencapai kondisi steady yaitu pada detik ke-2500 baik untuk kondisi siang hari dan malam hari. yang ditinjau dari kontur pada sumbu X (x/l), sumbu Y (y/h), dan sumbu Z (z/w).
Gambar 2.1 Meshing grid
Filipus Ardian melakukan analisa hasil simulasi distribusi temperatur dan kecepatan udara dengan membuat potongan kontur pada sumbu X (x/l=0,05) dan potongan kontur pada sumbu Z (z/w=-10,845). Setiap potongan kontur pada setiap sumbu dilihat dan dianalisa kontur kecepatan dan kontur temperatur pada setiap detik yang ditentukan.
Dari Gambar 2.2 dapat dilihat bahwa udara dingin yang keluar dari inlet diffuser tidak dapat mengkon disikan ruangan sebesar 25±2
0C. Hal ini dapat disebabkan karena
outlet RAG yang terletak di lantai menghisap udara dinginyang turun, dikarenakan udara langsung keluar menuju pada ruang hampa, sehingga udara tidak sempat memenuhi ruangan.
Dengan density yang lebih besar maka udara dingin
akan turun perlahan, sedangkan aliran udara supply dari inlet
diffuser mengalami kehilangan kecepatan dan menyebarlebih luas ketika mencapai lantai.
Gambar 2.2 Kontur temperatur bidang z/w = -10,845 untuk variasi siang (t= 200)
Persebaran aliran udara hingga menyentuh lantai juga dipengaruhi oleh tekanan rendah di bukaan outlet. Karena pengaruh ini maka sebagian besar aliran udara utama ditarik menuju dan keluar melalui outlet dengan peningkatan kecepatan dalam gerakan melingkar. Hal ini dikarenakan sifat aliran udara tidak mampu membuat aliran berbelok secara tiba-tiba.
Pada Gambar 2.3 dapat dilihat pada tiang kiri
mewakili awal penyebaran udara inlet diffuser untuk ruangan
sisi kiri. Pada tiang kanan mewakili awal penyebaran inlet
diffuser untuk ruangan sisi kanan. Pada tiang kanan dan kiri,dapat dilihat kontur temperatur dengan warna biru,
temperatur 18
oC meningkat terus hingga pada temperatur
29,5
oC. Hal ini menunjukkan bahwa pendistributian
temperatur diffuser simetris baik pendistribusian dari tiang
kiri maupun tiang kanan.
Gambar 2.3 Kontur Temperatur Bidang Z/L=-10,845 Untuk Variasi Siang (t =2500)
Gambar 2.4 menunjukkan distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada bidang Z/W = -10,845 untuk variasi beban pendinginan siang pada detik ke-200. Dari gambar tesebut terlihat bahwa udara mulai memasuki ruangan melalui inlet diffuser kemudian menyebar ke seluruh ruangan. ke kanan dengan kecepatan sebesar 0,48-0,16 m/s.
Udara pada sekitar lantai di dekat tiang baik pada tiang kiri maupun tiang kanan, mulai naik keatas. Hal ini dikarenakan pergerakan udara panas yang dihasilkan oleh menusia, dimana udara panas memilki density yang rendah.
Pada daerah dekat kaca terdapat kecepatan udara sebesar 0,16
m/s, hal ini menujukkan bahwa udara terhisap oleh RAG.
Gambar 2.4 Grafik distribusi temperatur vs jarak pada detik ke 200 untuk variasi siang
Gambar 2.5 Grafik distribusi temperatur vs jarak pada detik ke 2500 untuk variasi siang
Daerah berkecepatan tinggi yaitu sebesar 3,19 m/s terletak di daerah inlet diffuser. Kecepatan pada inlet diffuser tidak sebesar 5,091 m/s, hal ini diakibatkan adanya perbedaan
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
1,5 m 2 m diffuser
1820 2224 2628 3032 3436 3840
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
1.5m 2m diffuser
temperatur ruangan dengan inlet diffuser. Udara bergerak lurus dari inlet diffuser yang terdapat di masing-masing tiang kiri dan kanan, kemudian bertemu di antara kedua tiang tersebut. Kemudian mulai jatuh kebawah dan menyebar ke kiri dan
Gambar 2.5 menunjukkan distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada bidang Z/W = -10,845 untuk variasi beban pendinginan siang pada detik ke-2500. Pada detik ini, kecepatan penyebaran udara diffuser baik pada tiang kiri ataupun tiang kanan tetap.
Pada daerah tengah ruangan penyebaran udara dingin tetap, hal ini dapat dilihat pada luasan daerah vektor kecepatan sebesar. Pada daerah dekat kaca luasan vektor kecepatan udara sebesar 0,32-0,16 m/s lebih luas dari detik sebelumnya, hal ini menujukkan bahwa udara terhisap oleh
RAG. Pada detik ini, penyebaran udara telah konstan.2.1.2 Nugroho Widianto (2011)
Pada tahun 2011, Nugroho Widianto melakukan penelitian dengan menggunakan pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamics) yang bertujuan untuk menganalisa pengkondisian udara Ruang Bedah Jantung (OKA 609) GBPT Rumah Sakit Umum DR.
Soetomo Surabaya melalui profil-profil yang dihasilkan.
Dimensi ruang operasi 6 m x 7,4 m x 3 m. Sisi supply (inlet diffuser) berukuran 2,1 m x 2,6 m sedangkan sisi outlet dibagi menjadi dua yaitu outlet high berdimensi 0,2 m x 0,6 m dan outlet low berdimensi 0,3 m x 1 m. Pasien berbaring dalam setengah dimodelkan sebagai sebuah kotak persegi panjang horizontal dengan ukuran (1,7 m x 0,25 m x 0,3 m) di tengah-tengah ruangan.
Anggota staf bedah dimodelkan sebagai kotak persegi panjang vertikal yang berdiri di kedua ujung yang masing-masing staf dalam posisi berdiri penuh. Lampu bedah juga dimodelkan sebagai
kotak persegi panjang dengang ukuran 0,6 m x 0,3 m di atas pasien.
Peralatan yang ada di dalam ruang bedah antara lain meja operasi, mesin anestesi, ESU, blood warmer, monitor, dan lampu operasi.
Sisi supply terletak di posisi atas pada atap dengan posisi 2 m dari lantai. Sisi exhaust diletakkan di posisi atas dan bawah daerah pojok. Sifat fluida konstan diambil suhu referensi dari Tref=
13,7oC= 287 K adalah sebagai berikut: Q=211711 Watt, μ=1,7795 x 10-5 kg/m.s, cp=1,006734 kJ/kg K, k=0,025236 W/m.K dan ρ=1,223 kg/m3.
Gambar 2.6 Model Ruang Operasi (Nugroho Widianto, 2011) Nugroho Widianto melakukan simulasi dengan model three dimensional double precision (3ddp). Simulasi ini menampilkan hasil sesuai dengan perubahan waktu dari detik pertama sampai keadaan steady detik ke-1200 yang ditinjau dari kontur pada sumbu X (x/l), sumbu Y (y/h), dan sumbu Z (z/w).
Untuk mengetahui profil distribusi kecepatan dan temperatur udara ditunjukkan dengan potongan dua dimensi.
Gambar 2.7 Grafik Temperatur pada y/h=0,467 Plane Sumbu X (x/l=0,5) Berdasarkan grafik temperatur pada y/h=0,467 pada plane sumbu X (x/l=0,5) yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini terlihat bahwa pada detik ke-5 temperatur udara masih tinggi.
Temperatur rendah terjadi pad z/w= 0,4-0,6 dimana posisi ini berada tepat di bawah inlet diffuser. Pada detik ke-60, temperatur udara mulai turun, kondisi ini disebabkan oleh pendinginan udara dari inlet diffuser sudah mulai menyebar, sehingga daerah yang dilewati udara dari inlet diffuser lebih rendah.
Pada detik ke-90 temperatur udara semakin rendah namun belum merata di seluruh ruangan. Hal ini dapat dilihat dari tren grafik dimana pada z/w=0,1 dan z/w=1 temperaturnya masih lebih tinggi. Pada detik ke-600 tren grafik mulai mendatar, hal ini menunjukkan bahwa periode ini temperatur udara sudah lebih merata. Tren grafik pada detik ke-1200 terlihat berimpit dengan tren grafik pada detik ke-600. Kondisi ini menunjukkan bahwa
13.713 14.415.1 15.816.5 17.217.9 18.619.320 20.721.4 22.122.8 23.524.2 24.925.6
0 0.5 1
Temperatur (oC)
z/w
detik ke- 5 detik ke- 60 detik ke- 90 detik ke- 600 detik ke- 1200
temperatur telah dikondisikan dimana sudah tidak terjadiperubahan temperatur yang signifikan. Jadi kondisi steady tercapai pada detik ke-1200.
Gambar 2.8 Grafik Temperatur pada y/h=0,467 Plane Sumbu Z (z/w=0,5)
Berdasarkan dari grafik temperatur pada y/h=0,467 pada plane Z (z/w=0,5) terlihat bahwa pada detik ke-5 temperatur udara masih tinggi. Temperatur rendah terjadi pada x/l=0,4-0,6 dimana posisi ini berada tepat di bawah inlet diffuser. Pada detik ke-60, temperatur udara mulai turun, kondisi ini disebabkan oleh pendinginan udara dari inlet diffuser sudah mulai menyebar, sehingga daerah yang dilewati udara dari inlet diffuser lebih rendah. Pada detik ke-90 temperatur udara semakin rendah namun belum merata di seluruh ruangan. Pada x/l=0,1 memiliki temperatur yang tinggi, dimana posisi ini dekat dengan blood warmer yang melepaskan panas. Pada detik ke-600 tren grafik mulai mendatar, hal ini menunjukkan bahwa pada periode ini tempertaur udara sudah lebih merata. Tren grafik pada detik ke- 1200 berimpit dengan tren grafik pada detik ke-600. Kondisi ini
13 15 17 19 21 23 25 27
0 0.5 1
Temperatur (oC)
x/l
detik ke-5 detik ke-60 detik ke-90
menunjukkan bahwa temperatur telah terkondisikan dimana sudah tidak terjadi perubahan temperatur yang signifikan. Jadi, kondisi steady tercapai pada detik ke-1200.
Dari hasil simulasi didapatkan bahwa distribusi kecepatan udara di dalam ruang bedah jantung Rumah Sakit DR. Soetomo Surabaya di area penghuni melakukan aktivitas berkisar antara 0,1 m/s hingga 0,2 m/s. kondisi ini sudah sesuai dengan criteria kecepatan udara yang diperbolehkan dalam ruang bedah untuk mencegah pengeringan luka bedah adalah di bawah 0,25 m/s.
(ASHRAE, HVAC Design and Manual for Hospitals and Clinincs, 2003). Dari vektor kecepatan udara juga terlihat bahwa pada area di atas pasien dan staf bedah tidak terjadi adanya aliran balik, sehingga kondisi tersebut cukup baik dalam hal pembersihan kontaminan di area penghuni (staf bedah) melakukan aktivitas.
Distribusi temperatur udara yang ada di dalam ruang edah jantung Rumah Sakit DR. Soetomo Surabaya dari detik awal hingga mencapai kondisi steady (detik ke-1200), berkisar antara 13,7oC hingga 32,55oC. Temperatur tinggi terjadi di daerah atas dari ruangan dengan area yang kecil, sehingga tidak begitu berpengaruh terhadap area dimana tempat penghuni (staf bedah) melakukan aktivitas. Pada daerah dimana pasien dan staf bedah melakukan aktivitas, ntemperatur berkisar antara 13,7oC hingga 14,6oC. Jika dibandingkan dengan standar kriteria temperatur di dalam ruang bedah sebesar 20oC hingga 24oC (untuk ruang bedah secara umum) dan temperatur terendah sebesar 15,6oC untuk ruang bedah jantung (ASHRAE, HVAC Design and Manual for Hospitals and Clinics, 2003), temperatur yang bekerja di dalam ruang bedah jantung Rumah Sakit DR. Soetomo Surabaya masih terlalu rendah.
Kesimpulan dari hasil simulasi ini adalah distribusi kecepatan udara di dalam ruang bedah jantung antara 0,05 m/s hingga 0,3 m/s. Kecepatan udara di area staf bedah dan pasien
sebesar 0,1 m/s hingga 0,2 m/s. Distribusi temperatur udara di dalam ruang bedah jantung anara 13,7oC hingga 29oC. Temperatur yang bekerja di daerah dimana pasien dan staf bedah melakukan aktivitas, berkisar antara 13,7oC hingga 14,6oC. Peletakan peralatan bedah di dalam ruangan berpengaruh terhadap aliran udara dan distribusi temperatur.
2.2 Pengkondisian Udara
Pengkondisian udara adalah suatu proses perubahan kondisi udara lingkungan ke kondisi yang direncanakan sehingga diperoleh temperatur, kelembaban dan kebersihan udara yang diinginkan. Untuk negara tertentu persyaratan sifat-sifat udara diatas ditentukan oleh undang-undang sesuai dengan aplikasi dari ruangan misalnya untuk ruangan pertemuan, untuk rumah sakit dan sebagainya.
Gambar 2.9 Ilustrasi beban beban pendinginan
Sistem pengkondisian udara pada umumnya terbagi menjadi dua golongan utama, yaitu :
1. Pengkondisian udara untuk kenyamanan. Pengkondisian udara untuk kenyamanan adalah pengkondisian udara ruangan yang bertujuan untuk memberikan kenyamanan bagi penghuni yang melakukan aktivitas didalamnya.
2. Pengkondisian udara untuk industri.
Pengkondisian udara untuk industri adalah pengkondisian udara yang diperlukan untuk pemrosesan bahan, peralatan produksi, atau barang-barang yang ada dalam ruangan tersebut.
Untuk melaksanakan fungsi diatas peralatan harus diinstalasikan dan dikontrol sepanjang tahun. Kapasitas dari peralatan pengkondisian udara dihitung pada beban pendinginan maksimum aktual sesaat, dengan dikontrol pada kondisi tertentu saat terjadinya beban puncak atau pada saat beban parsial.
Gambar 2.10 Model sistem pengkondisian udara sederhana Melalui Gambar 2.13 dapat dilihat skema pengkondisian udara sederhana, dimana udara luar sebanyak (cfm)oa dicampurkan dengan udara return dari ruangan sebanyak (cfm)ra dan memasuki apparatus sebanyak (cfm)da yang merupakan jumlah dari (cfm)oa dan (cfm)ra, udara mengalami pemrosesan di apparatus kemudian disuplai ke ruangan sebanyak (cfm)sa, dimana dalam sistem ini (cfm)sa sama dengan (cfm)da. Udara dari ruangan sebagian dikeluarkan dan sebagian lagi dikembalikan untuk dicampurkan dengan udara segar, begitulah seterusnya siklus berlangsung.
2.3 Psychrometric Chart
Psikometri merupakan kajian tentang sifat – sifat campuran udara dan uap air (moist) yang mempunyai arti penting di dalam bidang teknik pendingin, karena udara atmosfir tidak sepenuhnya kering. Psychrometric chart menunjukkan sifat udara dalam berbagai macam kondisi dan dapat digunakan untuk menentukan hasil dari pencampuran udara dari berbagai macam properti. Udara di atmosfer yang berada disekeliling kita merupakan campuran antara udara kering dan uap air yang dinamakan udara moist. Karena gas campuran ini dikondisikan dalam kontrol sistem alam maka perlu diketahui bagaimana perilaku dari udara moist tersebut. Melalui Psychrometric chart, dapa dipelajari sifat termodinamika dari moist udara dan hubungannya dengan kelembaban material dan kenyamanan manusia.
.
Gambar 2.11 Psychrometric Chart
Dari Gambar 2.11 dapat diketahui beberapa sifat udara, antara lain:
Dry bulb , dinyatakan oleh nilai yang berada pada sumbu horizontal.
Wet bulb, dinyatakan oleh nilai yang berada pada garis yang sama dengan garis kelembaban 100%.
Dew point, merupakan temperatur dimana jika sejumlah udara didinginkan, maka uap air yang terkandung didalamnya akan mulai mengembun. Nilai yang menyatakan titik pengembunan ini juga berada pada garis kelembaban 100%.
Enthalpy, didefinisikan sebagai kandungan panas dari udara per unit berat udara kering dalam satuan J/Kg udara kering
Specific volume, didefinisikan sebagai volume udara campuran dengan satuan m3/Kg udara kering.
Humidity ratio, merupakan berat uap air per pound udara kering. Ditunjukkan pada sumbu vertikal.
Relative humidity, didefinisikan sebagai perbandingan fraksi molekul uap air di dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan yang sama.
2.4 Proses-Proses Pada Pengkondisian Udara
Proses-proses yang terjadi pada udara digambarkan dalam bagan psikometrik untuk menjelaskan dengan lebih detail. Bagan tersebut digunakan untuk menjelaskan perubahan sifat-suifat udara yang penting, seperti temperatur, rasio kelembaban, dan entalpi dalam proses-proses tersebut.
Beberapa proses dasar pengkondisian udara meliputi:
pemanasan atau pendinginan sensible, pelembaban adiabatic dan non adiabatic, pendinginan dan pengurangan kelembaban (pengeringan), pengurangan kelembaban kimiawi, dan campuran.
Beberapa proses dasar pada pengkondisian udara adalah:
a. Pemanasan atau pendinganan sensible, adalah suatu proses dimana laju perpindahan panas yang hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara.
b. Pelembaban, dapat bersifat adiabatik seperti pada proses 1-2 atau dengan penambahan kalor seperti pada proses 1-3.
c. Pendinginan atau pengurangan kelembaban (pengeringan), menghasilkan penurunan temperatur dan rasio kelembaban.
Proses tersebut terjadi pada koil pendingin atau alat penurun kelembaban. Kapasitas refrigerasi selama proses pendinginan atau pengurangan kelembaban adalah sebagai berikut:
………
(Wilbert F Stocker, Refrigerasi Dan Pengkondisian Udara, 1982)
(a) (b)
Gambar 2.12 Proses Dasar Pengkondisian Udara. (a) Pemanasan dan Pendinginan. (b) Pembasahan
d. Proses kimiawi, uap air dari udara diserap atau diabsorpsi oleh suatu bahan higroskopik. Apabila proses tersebut diberi penyekat kalor sehingga entalpinya tetap dan karena kelembaban turun, maka temperatur udara harus naik.
e. Campuran dua aliran udara adalah proses yang umum di dalam pengkondisian udara. Gambar 2.4 (e.1) menunjukkan pencampuran antara ṁ1 kg/dt udara dari keadaan 1 dengan ṁ2
kg/dt udara dari keadaan 2. Hasilnya adalah kondisi 3, terlihat pada grafik psikometrik dalam Gambar 2.4 (e.2). persamaan dasar untuk proses pencampuran ini adalah persamaan
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 = ṁ(ℎ1− ℎ2)
kesetimbangan energi dan kestimbangan massa. Persamaan 2.2 dan 2.3 menunjukkan bahwa entalpi dan rasio kelembaban akhir adalah rata-rata dari entalpi dan rasio kelembaban udara saat masuk.
..
(Wilbert F. Stocker, Refrigerasi Dan Pengkondisian Udara, 1982) Dan persamaan kesetimbangan massa air adalah:
(Wilbert F. Stocker, Refrigerasi Dan Pengkondisian Udara, 1982) Dimana:
W : rasio kelembaban, kg/kg h : entalpi, kJ/kg
(c)
(d)
ṁ1ℎ1+ ṁ2ℎ2= (ṁ1+ ṁ2)ℎ3
ṁ1𝑊1+ ṁ2𝑊2= (ṁ1+ ṁ2)𝑊3
(e.1) (e.2)
Gambar 2.13 Proses Dasar Pengkondisian Udara. (c) Pendinginan dan Pengeringan. (d) Pengeringan Kimiawi. (e.1) Skema Proses Pencampuran. (e.2) Proses Pencampuran Dipetakan Pada Grafik
Psikometrik
2.5 Zona Kenyamanan
Proses perpindahan kalor yang terjadi di dalam tubuh manusia terjadi secara terus menerus, sehingga membutuhkan suatu kesetimbangan termal. Proses perpindahan kalor ini terjadi secara konveksi radiasi, penguapan dan keringat.
Temperatur udara kering sangat besar pengaruhnya terhadap besar kecilnya kalor yang dilepas melalui penguapan (evaporasi) dan melalui konveksi pada tubuh manusia. Kondisi nyaman didapatkan dari kombinasi temperatur, kelembaban, gerakan udara dan kebersihan udara yang diharapkan.
Temperatur efektif didefinisikan sebagai indeks lingkungan yang menggabungkan temperatur dan kelembaban udara menjadi satu indeks yang mempunyai arti bahwa respon termal manusia pada temperatur tersebut adalah sama.
Meskipun mempunyai temperatur dan kelembaban yang berbeda, tetapi keduanya harus mempunyai kecepatan udara yang sama. Manusia memiliki kenyamanan yang berbeda-beda berdasarkan nilai-nilai faktor tersebut.
Gambar 2.14 Zona termperatur operatif dan kelembaban relative yang memenuhi standar kenyamanan bagi manusia
Pada Gambar 2.7 menampilkan zona kenymanan manusia terhadap temperatur ruangan, dew point temperature, dan rasio kelembaban. Standar kenyamanan termis di Indonesia berpedoman pada standar [ANSI/ASHRAE 55 – 1982] merekomendasikan suhu nyaman 25 oC + 2 oC, atau rentang antara 23 oC hingga 27 oC dengan kelembaban udara relatif 50%.
2.6 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah mekanisme perpindahan energi yang disebabkan perbedaan temperatur baik pada suatu media atau antarmedia. Energi panas berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Berikut ini merupakan penjelasan metode perpindahan panas yang terjadi.
2.6.1 Konduksi
Konduksi merupakan perpindahan panas yang terjadi pada media yang memiliki perbedaan temperatur dan mekanisme secara fisiknya adalah aktivitas antara molekul yang lebih aktif ke molekul yang kurang aktif. Model matematik dari perpindahan panas secara konduksi ini menurut Fourier adalah sebagai berikut:
(Wilbert F. Stocker, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, 1982) Dimana:
q” : heat flux, W/m2
k : konduktivitas panas, W/mK dT : beda temperatur, K
dx : beda jarak, m
Tanda minus digunakan karena perpindahan panas selalu terjadi kea rah temperatur yang lebih rendah.
2.6.2 Konveksi
Konveksi merupakan bentuk perpindahan panas yang disertai perpindahan materi. Umumnya terjadi pada benda cair dan gas. Secara matematis besarnya perpindahan panas konveksi dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
………
(Wilbert F. Stocker, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, 1982) Dimana:
q” : heat flux, W/m2
h : koefisien konveksi, W/m2K Ts : temperatur permukaan, K Tf : temperatur fluida, K
𝑞"𝑐𝑜𝑛𝑑= −𝑘𝑑𝑇 𝑑𝑥
𝑞"𝑐𝑜𝑛𝑣= ℎ𝑐(𝑇𝑠− 𝑇𝑓)
Gambar 2.15 Thermal boundary layer pada isothermal plat datar
Konveksi merupakan bentuk perpindahan panas dimana molekul-molekul benda membawa energi panas dari satu titik ke titik lainnya.Umumnya terjadi pada benda cair dan gas.Aliran konveksi dipengaruhi beberapa faktor:
Aliran horizontal dan vertical
Alian laminer atau turbulen Permukaan rata atau melengkung
Jenis fluidanya, zat cair atau gas
Sifat-sifat fluida seperti viskositas , kalor jenis, dsb Perpindahan panas konveksi dapat dibagi menjadi dua:
Force convection
Yaitu perpindahan panas karena adanya factor kerja dari luar terhadap fluida perantara, misalnya konveksi dengan adanya bantuan fan, blower, air conditioning dan sebagainya.
Free convection
Yaitu perpindahan panas tanpa ada factor luar melainkan karena buoyancy force. Secara umum,besarnya laju perpindahan panas konveksi dapat dirumuskan:
q’’= h ( T∞ - Ts ), Ts > T∞
Dimana:
h = koefisien perpindahan panas secara konveksi (W/m2K) q”= convection heat flux (W/m2)
Cold
T∞,h
Gambar 2.16 Perpindahan panas secara konveksi
Konveksi pada plat datar secara aliran paralel
Konveksi jenis ini banyak sekali dijumpai pada penerapan engineering. Paralel flow sepanjang plat datar ini dibagi menjadi 6 pembahasan:
1. Laminar flow over on isothermal plate
Dengan mengasumsikan steady state, incompressible laminar flow, dengan property fluida konstan dan mengakibatkan viskositas didapatkan persamaan boundary layer sebagai berikut:
Continuity : 𝜕𝑢
𝜕𝑥+𝜕𝑢
𝜕𝑦= 0 Momentum : 𝑢.𝜕𝑢
𝜕𝑥 +𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑦 = 𝑢 𝜕2𝑢
𝜕𝑦2
Energi : 𝑢.𝜕𝑇
𝜕𝑥+ 𝑣.𝜕𝑇
𝜕𝑦= 𝑎.𝜕2𝑇
𝜕𝑦2 Spesies : 𝑢.𝜕𝑃𝐴
𝜕𝑥 + 𝑣.𝜕𝑃𝐴
𝜕𝑦 = 𝐷𝐴𝐵 𝜕2𝑃𝐴
𝜕𝑦2
Kondisi kecepatan boundary layer tidak bergantung pada temperature dan konsentrasi spesimen. Perumusan masalah Hydrodynamics dapat dengan persamaan alian dimana:
𝑢 = 𝜕𝜓
𝜕𝑦 𝑑𝑎𝑛 𝑢 = −𝜕𝜓
𝜕𝑥
Untuk kasus laminar low on isothermal dapat didekati dengan angka flux dimana:
𝑁𝑢𝑥 = 0,3387 𝑅𝑒𝑥1/2 𝑃𝑟1/3
[1+(0,0468
𝑃𝑟 )
2 3]
1/4 Pex ≥ 100
Dimana: Re = Reynold number Pr = Prandtl number Pe = Peclet number
2. Turbulen flow over on isothermal plate
Berdasarkan hasil eksperimen untuk turbulen flow dengan reynold number mencapai koefisien gerakan lokal dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐶𝑓𝑥 = 0,0592 𝑅𝑒𝑥−1/5 𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝑥 ≤ 108 Persamaan di atas dengan modifikasi reynold local
nusselt number untuk aliran turbulen adalah:
𝑁𝑢𝑥= 𝑆𝑡. 𝑅𝑒𝑥. 𝑃𝑟 = 0,0296 𝑅𝑒𝑥4/5𝑃𝑟1/2 0,6 ≤ Pr ≤ 60
Dan local Sherwood number adalah
𝑆ℎ𝑥 = 𝑆𝑡𝑚 𝑅𝑒𝑥 𝑆𝑐 = 0,0296 𝑅𝑒𝑥4/5𝑆𝑐1/2 0,6 ≤ 𝑆𝑐 ≤ 3000 3. Mixed Boundary Layer Condition
Pada kasus mixed boundary layer dapat didekati dengan rumus:
ℎ𝐿= 1
𝐿 (∫ ℎ𝑙𝑎𝑚 𝑑𝑥
𝑥𝑐 0
+ ∫ ℎ𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑑𝑥
𝑥𝑐 0
)
Sehingga:
𝑁𝑢𝐿= (0,037 + 𝑅𝑒𝐿4/5− 𝐴) 𝑃𝑟1/3
[
0,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 60 𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝐿≤ 108
]
Dengan menganalogikan analogi heat mass ransfer didapatkan rumus Sherwood number:
𝑆ℎ𝐿= (0,037 + 𝑅𝑒𝐿4/5− 𝐴) 𝑆𝑐1/3
[
0,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 60 𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝐿≤ 108
] 4. Unheated Starting Length
Ada daerah dimana tidak ada perpindahan panas pada jarak tertentu, dimana 0 adalah jarak boundary pada saat belum berpindah. (no heat transfer).
Dapat dituliskan sebagai berikut :
Gambar 2.17Flat plate in parallel flow
Nusselt number pada kasus ini
𝑁𝑢𝑥 = 𝑁𝑢𝑥 |𝜉=0
[1−(𝜉
⁄ )𝑥9/10]
1/9
5. Flat plate with constant heat flux condition
Ada kemungkinan uniform surface heat flux telah berpengaruh daripada uniform temperature pada kasus kondisi ini maka nilai Nu number dirumuskan:
(𝑇𝑠 − 𝑇∞) = 𝑞𝑠" .𝐿
𝑘 𝑁𝑢𝐿
6. Limitation on use convection coefficient
Meskipun persamaan pada bagian ini cocok untuk kebanyakan perhitungan engineering, dalam prakteknya lebih sering digunakan nilai exact untuk koefisien konveksi mengacu pada free stream turbulent dan kekerasan permukaan dan kesalahan 25% mungkin terjadi dalam persamaan ini.
2.6.3 Radiasi
Radiasi merupakan cara perpindahan energi panas dengan gelombang elektromagnetik dari suatu permukaan benda ke lingkungannya tanpa memerlukan media penghantar. Model matematik dari perpindahan panas secara radiasi ini adalah sebagai berikut:
(Wilbert F. Stocker, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, 1982) Dimana:
q” : heat flux, W/m2
σ : konstanta Stefan-Boltzman, 5.67 x 10-8 W/m2K4 ɛ : emisivitas bahan
hr : koefisien perpindahan panas radiasi, W/m2K Ts : temperatur permukaan, K
Tsur : temperatur lingkungan, K
Untuk benda hitam sempurna atau black body mempunyai nilai e=1, karena benda hitam merupakan pemancar dan penyerap panas yang baik. Sedangkan permukaan yang mengkilap termasuk pemancar dan penyerap panas yang buruk memiliki nilai e=0.
2.7 Metode Distribusi Udara Pada Ruangan
Berdasarkan ASHRAE Fundamentals Handbook 1997 chapter 31 “Space Air Diffusion”, sistem distribusi di dalam ruangan terbagi atas tiga hal yaitu: sistem campuran, sistem perpindahan, dan sistem setempat. Berikut merupakan penjelasan dari setiap sistem tersebut.
Udara terkondisi biasanya dialirkan pada sistem keluaran dengan kecepatan lebih tinggi disbanding kecepatan sirkulasi udara ruangan yang dikondisikan. Temperatur udara terkondisi mungkin lebih tinggi atau lebih rendah atau sama dengan temperatur ruangan yang dikondisikan, tergantung pada beban ruangan
𝑞"𝑟𝑎𝑑= 𝜎ɛ(𝑇𝑠4− 𝑇𝑠𝑢𝑟4 )
semburan udara dari diffuser bercampur dengan udara sekeliling sehingga menurunkan kecepatan dan menyeimbangkan temperatur udara.
Kecepatan udara pendingin yang didistribusikan lebih besar dari kecepatan udara ruangan. Temperatur udara pendingin dapat lebih tinggi, di bawah, atau sama dengan temperatur udara ruangan.
Distribusi udara dipengaruhi oleh:
(1) Posisi inlet udara pada ruangan melalui salura udara.
Hal ini perlu diperhatikan guna mengurangi pergerakan udara pendingin dan perbedaan temperatur antara saluran udara dan ruangan.
(2) Pengaruh konveksi natural dan efek radiasi di dalam ruangan. Salah satu metode distribusi udara pada ruangan adalah prinsip saluran keluaran udara (air outlets). Outlet diklasifikasikan atas dinding, atap, dan lantai.
Distribusi campuran menghasilkan kecepatan udara, temperatur, kelembaban dan kualitas udara cukup seragam pada ruang yang dikondisikan. Jenis-jenis keluaran dan kinerjanya dibagi dalam 5 kelompok yaitu:
1. Kelompok A
Keluaran dipasang pada langit-langit atau dekat langit-langit yang mengalirkan udara secara mendatar. Berikut ini adalah gambar kelompok A:
Gambar 2.18 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok A (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) 2. Kelompok B atau dekat lantai yang mengalirkan udara secara
tegak dengan semburan yang tidak menyebar. Berikut ini adalah gambar kelompok B:
Gambar 2.19 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok B (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997) 3. Kelompok C
Keluaran dipasang pada lantai atau dekat lantai yang mengalirkan udara secara tegak dengan semburan yang menyebar. Berikut ini adalah gambar kelompok C:
Gambar 2.20 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok C (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997)
4. Kelompok D
Keluaran dipasang pada lantai atau dekat lantai yang mengalirkan udara secara mendatar. Berikut ini adalah gambar kelompok D:
5. Kelompok E
Keluaran dipasang pada langit-langit mengalirkan udara primer secara vertikal. Berikut ini adalah gambar kelompok E:
Gambar 2.21 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok D (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997)
Gambar 2.24 Karakteristik Gerakan Udara Pada Keluaran Kelompok E (ASHRAE Fundamental Handbook, 1997)
Halaman ini sengaja dikosongkan
37
Pada penyusunan tugas akhir ini metode penelitian yang digunakan adalah simulasi numerik dengan menggunakan software Fluent 6.3.26 yang nantinya digunakan sebagai acuan untuk melakukan analisa sistem penkondisian udara ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant 3.1 Tahapan Penelitian
Dalam melakukan penelitian mengenai studi numerik distribusi temperatur dan kecepatan udara ruang unit produksi PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant, terdapat beberapa tahapan yang dilakukan antara lain:
1. Studi Kasus
Permasalahan yang diangkat merupakan usaha untuk mengetahui bagaimana heat transfer dari distribusi temperatur dan kecepatan udara dari ruang unit produksi PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant dengan bantuan software FLUENT 6.3.26.
2. Studi Literatur
Pembahasan dari permasalahan tersebut mengikuti pembahasan dari studi literatur yang berkaitan dengan distribusi temperatur dan kecepatan udara yang terjadi pada suatu ruangan dan studi literatur mengenai simulasi numerik distribusi temperatur dan kecepatan udara pada suatu ruangan. Studi literatur diperoleh dari e-book, buku-buku, jurnal, dan penelitian terdahulu yang berkaitan dengan permasalahan.
3. Pengambilan Data
Dalam tugas akhir ini yang menjadi obyek penelitian adalah ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant. Dengan sistem pengkondisian yang saat ini diterapkan (existing), temperatur ruangan sebesar 34oC dan Relative Humidity (RH) sebesar 64
%.
4. Pemodelan dan Simulasi
Tahapan ini dilakukan dengan pre-processing, processing, dan post-processing. Pre-processing dilakukan dengan membuat geometri, penentuan meshing, dan penentuan boundary condition dengan menggunakan software GAMBIT 2.4.6. Processing dilakukan dengan melakukan simulasi dari meshing geometri yang telah dibuat. Post-processing dilakukan dengan menampilkan hasil simulasi berupa distribusi temperatur dan kecepatan. Proses processing dan post- processing dilakukan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26.
5. Pengolahan dan Analisa Data Hasil Simulasi
Setelah mendapatkan data dari hasil simulasi kemudian data tersebut diolah dan dianalisa. Data ditampilkan dalam bentuk kontur dan vektor untuk dapat dianalisa secara kualitatif.
Keseluruhan tahapan yang telah dilakukan dan hasil penelitian yang telah dibahas, kemudian disusun dalam bentuk laporan sistematis.
3.2 Pengambilan Data
Dalam tugas akhir ini yang menjadi obyek penelitian ruang unit produksi PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant. Dengan sistem pengkondisian yang saat ini diterapkan (existing), temperatur ruangan sebesar 34oC dan Relative Humidity (RH) sebesar 64 %.
Data yang didapatkan adalah sebagai berikut:
Keterangan:
Dimensi ruangan : 75.000 mm x 40.000 mm x 13.400 mm
Mechanic Ventilation (24 unit)
Blower Fan (7unit)
- Dimensi : 1.200 mm x 1.200 mm
- Daya : 4 kW, 5.5 Hp
- I : 14.4 A
- V : 380, f : 50 Hz
Gambar 3.1 Tampak Depan (Timur) Ruang Unit Produksi
Gambar 3.2 Tampak Samping (Selatan) Ruang Unit Produksi Gambar 3.2 merupakan gambar Tampak Samping (Selatan) Ruang Unit Produksi. Melihat terlalu kompleksnya geometri yang dibuat, maka geometri ruangan dibuat menjadi lebih sederhana dan sesuai tujuan yang akan dicapai. Simplifikasi ruangan ini meliputi:
pemilihan area simulasi, menghilangkan konveyor, menyatukan mesin – mesin yang berdekatan sebagai balok panjang, dan estimasi pekerja yang beraktivitas di sekitar mesin. Ruang sample yang ditinjau berukuran 8.000 mm x 40.000 mm x 13.400 mm.
Setelah membuat simplifikasi ruangan kemudian diambil suatu zona yang akan ditinjau lebih lanjut dalm simulasi. Zona tersebut ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 3.3 Zona Yang Ditinjau a. Peralatan dan Jumlah Orang
Berdasarkan data jumlah pekerja di PT. PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant mencapai 30pekerja.. Tabel 3.1 di bawah akan menunjukkan peralatan di Ruang Keberangkatan dan berapa daya dalam Watt yang dikeluarkan.
3.3 Pemodelan dan Simulasi
Pemodelan dan simulasi ini dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak GAMBIT 2.4.6 dan FLUENT 6.3.26. Urutan pembuatan adalah sebagai berikut:
3.3.1 Pre-Processing
Tahap pre-processing adalah tahap pembuatan model dan geometri dari perangkat lunak GAMBIT 2.4.6. Adapun proses yang dilakukan dalam software GAMBIT 2.4.6 adalah sebgai berikut:
a. Membuat model
Yaitu menggambar model uji berupa bentuk ruangan di PT.
PERTAMINA (Persero) – Production Unit Gresik Lubricant. Berikut ini adalah gambar bentuk model uji.
