KINERJA MODEL VACUUM FRYER MENGGUNAKAN PRINSIP BERNOULLI

(1)

KINERJA MODEL VACUUM FRYER

MENGGUNAKAN PRINSIP BERNOULLI

Oleh : Oleh : Usni Mubarok 2404 100 093 Dosen Pembimbing : Ir. Sarwono, MM

LABORATORIUM REKAYASA ENERGI DAN PENGKONDISIAN LINGKUNGAN JURUSAN TEKNIK FISIKA – FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER Surabaya, 2009

(2)

Pendahuluan

Metodologi & Data

Teori Penunjang

Analisa & Pembahasan

Grafik Hasil simulasi

Kesimpulan

saran

Daftar pustaka

Lampiran

(3)

Latar Belakang

Adanya peristiwa karamelisasi pada buah dan sayuran

Gambar keripik pisang dengan penggorengan biasa

Gambar keripik pisang dengan penggorengan vakum

Hasil penelitian dari J. Garayo dan Moreira, tekanan vakum sebaiknya diatas 6.65 kPa

(4)

Pemanfaatan renewable dan sustainable energi

Pemanfaatan prinsip Bernoulli

(5)

Permasalahan

Bagaimana merancang ulang sistem vacuum fryer

Bagaimana mengetahui hubungan variabel yang paling berpengaruh terhadap vakum yang

dihasilkan dihasilkan

Bagaimana menganalisa distribusi tekanan dan temperatur dengan menggunakan simulasi CFD

(6)

Membuat rancangan ulang vacuum fryer agar dapat dimanfaat untuk praktikum

Melakukan analisa hubungan antar variabel yang

Tujuan

Melakukan analisa hubungan antar variabel yang paling berpengaruh terhadap tekanan vakum

Melakukan analisa distribusi tekanan dan

(7)

Fluida yang digunakan adalah fluida dinamis dan internal flow

Aliran laminar dan tanpa gesekan.

Batasan Masalah

Aliran laminar dan tanpa gesekan.

Pengaruh suhu lingkungan (ambient) di abaikan.

Fluida gas adalah fluida gas ideal

Pengujian yang dilakukan dengan pembuatan mini plant

(8)

Mengetahui aplikasi dari prinsip bernoulli yang didapat dari bangku kuliah

Membantu memecahkan permasalahan di bidang pengolahan hasil pertanian

Manfaat

pengolahan hasil pertanian

Mengetahui pemanfaatan terhadap energi terbarukan

Alat vacuum fryer bisa dimanfaatkan untuk praktikum.

(9)

Teori Penunjang

Fluida dinamis

Prinsip bernoulli

Gas ideal

Diagram fasa

Computed fluid dinamics

Speed driver

pompa

(10)

Fluida dinamis merupakan fluida yang bergerak dalam ruang tertentu. Pembahasan pada fluida dinamis ini meliputi :

aliran fluida yang tunak (steady),

‐ ‐

Fluida dinamis

aliran fluida yang tunak (steady),

tak_‐kental (non viscous),

tak_‐temampatkan (incompressible) dan

(11)

Aliran fluida tunak (steady)

aliran dimana kecepatan setiap partikel di suatu titik selalu sama.

Aliran fluida yang tak_‐kental (non viscous).

Fluida dinamis

Aliran fluida yang tak_‐kental (non viscous).

viskositas atau kekentalan merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Contohnya zat cair.

Aliran fluida yang tak_‐temampatkan(incompressible).

aliran fluida yang tidak mengalami perubahan volum atau massa jenis ketika ditekan.

(12)

Aliran laminer, Re < 2300

Aliran turbulen, Re > 2300

Aliran Fluida

(13)

Debit itu menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui penampang tertentu dalam sela ng waktu tertentu. Secara matematis, bisa dinyatak

an sebagai berikut:

Debit Fluida

an sebagai berikut

Gambar aliran fluida yang melalui sebuah pipa

(14)

Persamaan kontinuitas untuk fluida

tak termampatkan

Gambar debit aliran dalam pipa

(15)

Prinsip Bernoulli

Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa di mana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida

tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi.

Asumsi yang digunakan

Aliran tunak (steady)

Aliran tak mampat (incompressible)

Aliran tanpa gesekan (inviscid/non viscous)

(16)

Persamaan Bernoulli

Gambar aliran dalam pipa yang berbeda ketinggihan

(17)

Aplikasi prinsip bernoulli pada venturi

(18)

Tekanan vakum

Merupakan tekanan yang dibawah tekanan atmosfir atau di kenal dengan tekanan negatif

(19)

Gas Ideal

Gas terdiri dari partikel yang sangat banyak dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik Partikel gas tersebar merata dalam ruang

Interaksi antar partikel hanya terjadi saat tumbukan Interaksi antar partikel hanya terjadi saat tumbukan Tumbukan (antar partikel, partikel dan dinding)

(20)

Pada volume konstan, tekanan gas berbanding lutus dengan temperatur

Hukum Gay - Lussac

Gambar chamber dimana volumenya konstan

(21)

Diagram fasa adalah grafik yang menunjukkan wujud zat sebagai fungsi tekanan dan temperatur

Diagram Fasa

(22)

Pompa merupakan mesin yang menambahkan energi atau mengambil energi dari fluida karena adanya sistem yang berotasi dalam mesin

Kecepatan Putaran Pompa

Definisi pompa

adanya sistem yang berotasi dalam mesin tersebut

Memindahkan cairan dari satu tempat ke tempat lainnya.

Mensirkulasikan cairan sekitar sistem.

(23)

Kecepatan Putaran Pompa

Parameter kinerja pompa (debit alir, head, daya) akan berubah dengan bervariasinya kecepatan putaran. Untuk

mengendalikan kecepatan yang aman pada kecepatan yang berbeda-beda maka penting untuk mengerti hubungan

antara keduanya. Persamaan yang menjelaskan hubungan tersebut dikenal dengan “Hukum Afinitas” :

Debit aliran berbanding lurus dengan kecepatan putaran Debit aliran berbanding lurus dengan kecepatan putaran

Head berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan putaran Daya berbanding lurus dengan kubik kecepatan putaran

(24)

Hubungan Kecepatan Putaran Pompa Terhadap Debit 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 D e b it N terhadap Q

Grafik pada hukum afinitas

1 2 3 4 5

Kecepatan Putaran Pompa

Hubungan Kecepatan Putaran Pompa Terhadap Head 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5

H

e

a

d

N terhadap H

Hubungan Kecepatan Putaran Pompa terhadap Daya 0 50 100 150 1 2 3 4 5

D

a

y

a

(25)

Suatu teknologi komputasi yang memungkinkan kita untuk mempelajari dinamika dari

benda-benda atau zat-zat yang mengalir (Tuakia,2008). Secara definisi, CFD adalah ilmu yang

Computed Fluid Dinamics

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang

mempelajari cara memprediksi aliran fluida,

perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan –

(26)

Preprocessing

merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD, seperti

membuat model, mesh yang sesuai, kemudian

menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.

Proses simulasi CFD

menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.

Solving

menghitung kondisi – kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing

Postprocessing

Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD

(27)

GAMBIT

merupakan salah satu preprocessor yang

didesain untuk membantu membuat model dan

melakukan diskritisasi (meshing) pada model

untuk analisis CFD.

Software CFD

untuk analisis CFD. FLUENT

menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh(grid) yang tidak tersruktur sekalipun dengan cara yang relative mudah.

(28)

METODOLOGI DAN DATA

Diagram alir penelitian

Variasi pengujian alat

(29)

Diagram alir penelitian

ya tidak

(30)

(31)

Design ulang alat

Pengukuran tekanan vakum Savety valve

Speed driver pompa

(32)

T1 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal sebelum fluida masuk venturi (C)

T2 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal setelah fluida keluar venturi (C)

T3 = Suhu yang terukur oleh thermometer bimetal dalam

chamber (C)

Keterangan gambar

chamber (C)

T4 = Suhu yang terukur pada bak penampung air (C)

P1 = Tekanan yang terukur oleh pressure gauge sebelum fluida masuk venture (psi)

P2 = Tekanan yang terukur oleh pressure gauge setelah fluida keluar venturi (psi)

P3 = Tekanan yang terukur oleh vacuum gauge (psi) Qp = Debit yang di hasilkan pompa (m3/s)

(33)

Vacuum fryer

dan alat ukurnya

Gambar vacuum fryer

sebelum design ulang

Gambar vacuum fryer

(34)

Prinsip kerja pada venturi

(35)

Control Volume Pengujian

POMPA VENTURI

CHAMBER

KOMPOR

Keterangan

= Aliran fluda cair

= Aliran udara (tekanan) = Aliran temperatur

(36)

Variasi Pengujian

Savety Valve

Tertutup Terbuka Tertutup + Chamber

Variasi Pengujian alat

Speed Driver Tanpa Dengan R10 - -R₉ 1 2 4 3 5

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

Hubungan suhu terhadap waktu

Hubungan debit air terhadap waktu Hubungan tekanan terhadap waktu Hubungan tekanan terhadap Waktu

Hubungan tekanan vakum terhadap tekanan pompa Metode Analisa Grafik

Hubungan tekanan vakum terhadap tekanan pompa Hubungan suhu terhadap tekanan vakum

Metode Analisa CFD Analisa persebaran

temperatur dan tekanan

Gambar control volume pengujian

(43)

Nama NamaNama

Nama GeometriGeometriGeometriGeometri Ukuran (m)Ukuran (m)Ukuran (m)Ukuran (m) Panjang pipa inlet 0.1

Panjang pipa outlet 0.1 Diameter pipa 0.0254 Panjang venturi 0.25

Pembuatan geometri pada GAMBIT

Panjang venturi 0.25 Diameter inlet venturi 0.042 Diameter outlet venturi 0.028 Lubang dalam venturi 0.006 Panjang saluran pipa 0.25 Diameter chamber 0.2

(44)

Penentuan Kondisi Batas dan Kontinuum

Nama Type Continuum

Pipe Wall Fluid

Venturi Wall Fluid

Vacuum channel Wall Fluid

Chamber Wall Fluid

Inlet Pipe Velocity Inlet Fluid

(45)

Pembuatan Meshing dan Grid

(46)

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Hasil simulasi CFD

Grafik

(47)

Grafik hubungan suhu

terhadap waktu

GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

32 34 36 S U H U T1 T2

GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

25 30 35 40 S U H U T1 T2 26 28 30 32 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WAKTU (menit) S U H U _T2 T3 T4 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WAKTU (menit) S U H U _T2 T3 T4

Gambar saat savety valve

terbuka tanpa menggunakan

speed driver

tertutup dan menggunakan

(48)

Grafik hubungan debit terhadap waktu

GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

0.006 0.008 0.01 D E B IT A IR Q pompa

GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

0.006 0.008 0.01 D E B IT A IR Q pompa 0 0.002 0.004 0.006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WAKTU (menit) D E B IT A IR Q pompa 0 0.002 0.004 0.006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WAKTU (menit) D E B IT A IR Q pompa

speed driver

(49)

Grafik hubungan tekanan

terhadap waktu

GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

60 80 100 120 140 T E K A N A N ( k P a ) P1 P2

GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU

80 100 120 140 160 T E K A N A N ( k P a ) P1 P2 0 20 40 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WAKTU (menit) T E K A N A N ( k P a ) P2 P3 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WAKTU (menit) T E K A N A N ( k P a ) P2 P3

speed driver

(50)

Grafik hubungan tekanan

terhadap debit

GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR

80 100 120 140 T E K A N A N ( k P a ) P1 P2

GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR

80 100 120 140 160 T E K A N A N ( k P a ) P1 P2 0 20 40 60 80 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 DEBIT AIR T E K A N A N ( k P a ) P2 P3 0 20 40 60 80 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 DEBIT AIR T E K A N A N ( k P a ) P2 P3

speed driver

(51)

Grafik hubungan vakum

terhadap tekanan pompa

GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA

6.48 6.5 6.52 6.54 T E K A N A N V A K U M ( k P a )

GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA

5 6 7 8 T E K A N A N V A K U M ( k P a ) 6.38 6.4 6.42 6.44 6.46 6.48 127 128 129 130 131 132

TEKANAN POMPA (kPa)

T E K A N A N V A K U M ( k P a ) P2 terhadap P1 0 1 2 3 4 5 146 146.2 146.4 146.6 146.8 147

TEKANAN POMPA (kPa)

T E K A N A N V A K U M ( k P a ) P2 terhadap P1

speed driver

(52)

Grafik hubungan suhu terhadap

tekanan dalam chamber

GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM

25 30 35 S U H U

GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM

25 30 35 S U H U 0 5 10 15 20 6.35 6.4 6.45 6.5 6.55

TEKANAN VAKUM (kPa)

S U H U T2 terhadap P2 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8

TEKANAN VAKUM (kPa)

S

U

H

U

T2 terhadap P2

speed driver

(53)

Hasil simulasi menggunakan CFD

Gambar distribusi tekanan pada kecepatan fluida 3.36 m/s

(54)

Hasil simulasi menggunakan CFD

Gambar distribusi tekanan pada kecepatan fluida 3.36 m/s

(55)

Hasil simulasi menggunakan CFD

Gambar distribusi temperatur pada kecepatan fluida 3.36 m/s

(56)

Hasil simulasi menggunakan CFD

Gambar distribusi temperatur pada kecepatan fluida 3.36 m/s

(57)

Kesimpulan

Dari mini plant yang telah dibuat, didapatkan vakum sampai 7.99 kPa, dengan rasio luasan inlet, lubang dalam dan luasan outlet venturi seluas 42 mm : 6 mm : 28 mm . Hasil ini lebih baik dari 6.65 kPa.

Dari 5 variasi pengujian yang telah dilakukan. didapatkan variabel yang paling berpengaruh terhadap vakum yang

dihasilkan adalah tekanan pompa (P1), yaitu : dihasilkan adalah tekanan pompa (P1), yaitu :

Pada saat tekanan pompa (P1) 151.68 kPa dihasilkan vakum sebesar 7.99 kPa pada pengujian savety valve tertutup tanpa menggunakan speed driver pompa.

Pada saat tekanan pompa (P1) 130.99 kPa dihasilkan vakum sebesar 6.4 kPa pada pengujian savety valve terbuka tanpa menggunakan speed driver.

Dari hasil simulasi dengan fluent 6.2 didapatkan nilai persebaran tekanan sekitar 2.5 kPa sampai -1070 kPa. Sedang nilai persebaran temperaturnya berkisar 302 K sampai 303 K.

(58)

Saran

Mengubah – ubah penggunaan rasio dimensi dari venturi yang berbeda - beda untuk menghasilkan tekanan vakum yang lebih besar dari sebelumnya. Design baru alat, bisa dilakukan pada simulasi CFD terlebih dahulu sebelum ada perbaikan lebih lanjut. terlebih dahulu sebelum ada perbaikan lebih lanjut. Penelitian lebih lanjut dengan melibatkan

perubahan suhu dan dalam chamber dikasih irisan buah, sehingga bisa di analisa sejauh mana

hubungan tekanan vakum yang dihasilkan dengan perubahan suhunya dan kondisi buah dalam

(59)

Daftar Pustaka

Granda, Claudia., G. Moreira, ROSANA. 2005.

Kinetics of Acrylamide Formation During Traditional and Vacuum Frying of Potato Chips.

Journal of Food Process Engineering 28. Texas :

Department of Biological and Agricultural

Engineering Texas A & M University Engineering Texas A & M University

Marquardt, Niels. Introduction To The Principles Of Vacuum Physics. Germany : Institute for Accelerator Physics and Synchrotron Radiation University of Dortmund

M. Olson, Reuben., J.Wright, Steven. 1993. Dasar – Dasar Mekanika Fluida Teknik Edisi Kelima. Jakarta : PT Gramedia Pustaka Utama

(60)

www.tecnocraft.com. Venturi Vacuum Generators

What They Are and How to Design Them Into Your

Joachim, Kopp. Benno, Grolik. 2003. The Basics of Vacuum Technology

Heeley, David. 2005. Understanding Pressure and Pressure Measurement. Arizona : Freescale

Semiconductor, Inc.

Tuakia, Firman. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan FLUENT. Bandung : Informatika Bandung.

What They Are and How to Design Them Into Your

System. Melbourne : Teknocraft Inc

UNEP. 2006. Peralatan Energi Listrik Pompa dan Sistim Pemompaan. India : National Productivity Council

(61)