PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER
KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM
MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0
DAN PENGUJIAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
WILLY AHTER SIRAIT 100421042
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Tugas Sarjana ini yang merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana yang dipilih, diambil dari mata kuliah Elemen Mesin, yaitu “PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0 DAN PENGUJIAN”. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua tercinta, ayahanda M. Sirait dan ibunda A.br Manurung dan segenap keluarga terima kasih atas doa serta dukungannya kepada penulis.
2. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktunya, membimbing dan memotivasi penulis untuk menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir.M.Syahril Gultom, MT, Selaku Ketua Dan Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh Staf, Dosen dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya rekan-rekan sesama stambuk 2010 jalur Ekstensi, (Siwan Ediamanta Perangin-angin, Andri Parulian Siregar) yang selalu memberikan motivasi dan kerja sama kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua.
Medan, Oktober 2013 Penulis,
ABSTRAK
Pengadukan (mixing) merupakan suatu aktivitas operasi pencampuran dua atau lebih zat agar diperoleh hasil campuran yang homogen. Pada media fase cair, pengadukan ditujukan untuk memperoleh keadaan yang turbulen (bergolak). Mesin mixer dengan daya pengaduk ¼ Hp putaran 2800 rpm dan perbandingan transmisi roda gigi 1;10 menjadikan putaran maksimal 280 rpm. Elemen pemanas yang dipakai jenis stripe Heater dengan daya 2500 watt menghasilkan temperatur maksimal 300o C. LDPE (Low density polyethylene) adalah sejenis bahan thermoplast dengan suhu didih sekitar 115 -120 o C. bahan ini akan diaduk/ dicampurkan dengan remafin blue sebagai pewarna bahan plastik. Pengadukan dilakukan ketika bahan telah dicairkan terlebih dahulu. Dengan kapasitas dari mixer 6,9 liter. Dan kinerja dari Pengaduk disimulasikan dengan ansys CFD (Computational Fluid Dynamic)14.0
ABSTRAC
Mixing is an operating activity mixing two or more substances in order to obtain a homogeneous mixture results. In the liquid phase medium, stirring aimed to obtain the turbulent state (turbulent). Engine with a power stirrer mixer ¼ hp 2800 rpm rotation and gear transmission ratio of 1, 10, made the rounds maximum 280 rpm. Type of heating element used stripe Heater with 2500 watts of power generating maximum temperature 300o C. LDPE is a kind of material THERMOPLAST the boiling temperature around 115 -120 o C. This material will be stirred / mixed with a blue dye remafin plastic material. Stirring is carried out when the material has melted first. With a capacity of 6.9 liter mixer. And the performance of the mixer is simulated with ansys CFD14.0
DAFTAR ISI
1.4 Sistematika penelitian ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.3.1 Kecepatan putaran rendah ... 19
2.3.2 Kecepatan putaran sedang ... 19
2.3.3 Kecepatan putaran tinggi ... 19
2.4 Jumlah Pengaduk ... 20
2.4.1 Pemilihan jenis Pengaduk ... 20
2.5.1 Macam aliran fluida ... 22
2.5.2 Pola Alir Liquid ... 23
2.5.3 Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk ... 24
2.6 Polietilena ... 26
2.6.1 Sifat – sifat Polietilena ... 27
2.6.2 Jenis Polietilena ... 27
2.6.3 Polietilena berdensitas rendah Atau LDPE ... 28
2.7 Elemen Pemanas Listrik ... 29
2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 29
2.8.1 Perhitungan Dinamika Fluida (CFD) ... 30
2.8.2 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT .... 36
BAB III PERHITUNGAN ... 37
3.1 Objek ... 37
3.2 Perancanganan Peralatan ... 37
3.2.1 Perancangan Mesin Mixer ... 37
3.2.1.1 Merencanakan Bejana aduk ... 37
3.2.1.2 Menentukan Daya Motor Pengaduk ... 38
3.2.1.3 Menentukan Putaran Pengaduk ... 40
3.2.1.4 Merencanakan Pengaduk (blade) ... 41
3.2.1.5 Menghitung gaya Pada sudu Pengaduk ... 46
3.2.2 Menentukan jarak antara Pengaduk dengan Bejana aduk .... 49
3.2.3 Perencanaan Elemen Pemanas (Heater) ... 50
3.2.3.1 Pemilihan Jenis elemen Pemanas ... 50
3.2.3.2 Merencanakan Panjang elemen Pemanas ... 51
3.2.4 Pengukur Suhu (thermometer) ... 52
3.2.5 System Pengontrol Suhu (Thermostat) ... 53
3.2.6 System Pengontrol Kecepatan ... 54
3.2.7 Timbangan Digital ... 55
3.3 Bahan Pengujian ... 55
3.3.1 LDPE (low density Polyethylene) ... 55
3.3.2 Remafin Blue ... 56
3.4.1 Waktu dan Tempat ... 57
3.4.2 Komposisi Material Pengujian ... 57
3.4.3 Proses Pengujian ... 58
3.5 Proses Melakukan Simulasi CFD Fluent ... 61
3.5.1 Proses Pre-processing ... 61
3.5.1.1 Pembuatan model 3D pengaduk ... 61
3.5.1.2 Pembuatan Model 3D bejana aduk ... 62
3.5.1.3 Pembuatan Model 3D penutup atas bejana aduk ... 63
3.5.1.4 Pengabungan dari Model 3D Pengaduk dan bejana aduk 63 3.5.2 Proses Grid Generation (Pembuatan Mesh) ... 64
3.5.2.1 Meshing pada penutup atas bejana aduk ... 65
3.5.2.2 Meshing pada dinding bejana aduk ... 65
3.5.2.3 Meshing pada pengaduk ... 66
3.5.3 Menentukan solution solver ... 67
3.5.3.1 Menentukan Jenis aliran ... 67
3.5.3.2 Menentukan Jenis material ... 68
3.5.3.3 Menentukan Kondisi Batas (boundary conditions) ... 69
3.5.4 Menjalankan Simulasi (Run) ... 69
3.6 Diagram Alir Proses Simulasi ... 70
BAB IV PENGUJIAN MESIN DAN SIMULASI ... 71
4.1 Hasil dari Pengujian Alat ... 71
4.2 Hasil dari Simulasi ... 72
4.2.1 Kontur temperature di sekitar Pengaduk ... 73
4.2.1.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 73
4.2.1.2 Hasil dari Simulasi ... 75
4.2.2 Kontur Tekanan ... 76
4.2.2.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 76
4.2.2.2 Hasil dari Simulasi ... 77
4.2.3 Kontur kecepatan disekitar Pegaduk ... 78
4.2.3.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 78
4.2.3.2 Hasil dari Simulasi ... 79
4.2.4.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 80
4.2.4.2 Hasil dari Simulasi ... 82
4.2.5 Kontur Arah Putaran ... 83
4.2.5.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 83
4.2.5.2 Hasil dari Simulasi ... 84
4.2.6 Kontur kecepatan Daerah Streamline ... 84
4.2.6.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 84
4.2.6.2 Hasil dari Simulasi ... 85
4.3 Hasil Simulasi Pada Putaran 100 rpm ... 86
4.3.1 Kontur temperature di sekitar pemutar ... 86
4.3.2 Kontur Tekanan ... 87
4.3.3 Kontur kecepatan disekitar Pegaduk ... 87
4.3.4 Kontur kecepatan Arah Vertikal ... 88
4.3.5 Kontur Arah Putaran ... 89
4.3.6 Kontur kecepatan Daerah Streamline ... 89
4.4. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Pengujian ... 90
4.5 Karakteristik Aliran Fluida ... 91
4.5.1 Karakteristik aliran fluida Newtonian ... 91
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 92
5.1 Kesimpulan ... 92
5.2 Saran ... 93
DAFTAR TABEL
Table 2.1 Kondisi Untuk Pemilihan Pengaduk ... 20
Table 2.2Daerah penggunaan berbagai type pengaduk... 21
Tabel 3.1 Faktor – faktor koreksi daya yang ditransmisikan ... 39
Tabel 3.2 Parameter dari LDPE ... 56
Tabel 3.3 Spesification Of refalin ... 56
Tabel 3.4 Perbandingan campuran material ... 57
Tabel 3.5 Standarisasi bilangan Reynold ... 67
Tabel 3.6 Penentuan jenis aliran pada simulasi ... 68
Tabel 3.7 material spesifikasi ... 68
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pengaduk Memakai Baffle ... 7
Gambar 2.2 Aliran yang terjadi dalam bahan ... 7
Gambar 2.3 Jenis Pengaduk propeller ... 15
Gambar 2.4 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle) ... 16
Gambar 2.5 Pengaduk Turbin pada bagian variasi ... 18
Gambar 2.6 Pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis pengaduk yang berbeda, (a) Impeller, (b) Propeller, (c) Paddle dan (d) Helical ribbon ... 21
Gambar 2.7 Struktur Etilen dan Polietielena ... 26
Gambar 2.8 Konservasi massa pada elemen fluida ... 31
Gambar 2.9 Konservasi momentum pada elemen fluida ... 32
Gambar 2.10 Konservasi enenergi pada elemen fluida ... 34
Gambar 3.1 Bejana Aduk ... 38
Gambar 3.2 Ukuran Utama dari Pengaduk ... 44
Gambar 3.3 Gaya yang bekerja pada pengaduk ... 46
Gambar 3.4 Jarak Pengaduk dengan Tabung ... 50
Gambar 3.5 Elemen Pemanas Type Stripe Heater ... 51
Gambar 3.6 Permukaan Elemen Pemanas ... 52
Gambar 3.7 Thermometer BL type ... 53
Gambar 3.8 Thermostat ... 53
Gambar 3.9 Speed Control ... 54
Gambar 3.10 Timbangan Digital... 55
Gambar 3.11 Biji Plastik LDPE (Low Density Polyethylene)... 56
Gambar 3.12 Refalin – Blue ... 57
Gambar 3.13 LDPE (Low Density Polyethylene) ... 58
Gambar 3.14 Refalin – blue ... 58
Gambar 3.15 Proses Persiapan Alat ... 59
Gambar 3.16 Pencapaian Suhu 1100C ... 59
Gambar 3.17 Proses Perubahan Fasa ... 58
Gambar 3.18 Proses Pengadukan ... 60
Gambar 3.19 Proses Pengeluaran Hasil ... 60
Gambar 3.21 Model 3D Pengaduk ... 62
Gambar 3.22 Model 3D Bejana Aduk ... 63
Gambar 3.23 Model 3D Tutup Atas Bejana Aduk ... 63
Gambar 3.24 Model 3D Pengabungan dari model pengaduk dan bejana .. 64
Gambar 3.25 Meshing pada tutup bejana ... 65
Gambar 3.26 Meshing Pada dinding bejana aduk ... 65
Gambar 3.27 Meshing pada pengaduk ... 66
Gambar 3.28 Meshing keseluruhan... 66
Gambar 3.29 Diagram Alir Proses Simulasi ... 70
Gambar 4.1Material sebelum pengadukan ... 71
Gambar 4.2Hasil Pengujian ... 72
Gambar 4.3Tampilan utama menu result ansys ... 73
Gambar 4.4 Tampilan ansys kontur temperature dari atas ... 74
Gambar 4.5 Tampilan ansys kontur temperature Tampak depan ... 74
Gambar 4.6 Kontur temperatur tampak atas ... 75
Gambar 4.7 Kontur temperature tampak dari depan ... 75
Gambar 4.8 Tampilan ansys kontur tekanan dari atas ... 76
Gambar 4.9 Tampilan Ansys kontur temperature tampak depan ... 77
Gambar 4.10 Kontur tekanan tampak atas ... 77
Gambar 4.11 Kontur tekanan tampak depan ... 78
Gambar 4.12 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak atas ... 78
Gambar 4.13 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak depan ... 79
Gambar 4.14 Kontur kecepatan tampak atas... 79
Gambar 4.15 Kontur kecepatan tampak depan ... 80
Gambar 4.16 TampilanKontur Kecepatan Arah Vertikal ... 81
Gambar 4.17 TampilanKontur Kecepatan Arah Vertikal ... 81
Gambar 4.18 Kontur kecepatan arah vertikal ... 82
Gambar 4.19 Kontur kecepatan arah vertical tampak depan ... 82
Gambar 4.20 Tampilan kontur arah putaran ... 83
Gambar 4.21 Kontur arah putaran ... 84
Gambar 4.22 Tampilan ansys kontur kecepatan daerah streamline ... 85
Gambar 4.24 Kontur temperature disekitar pengaduk ... 86
Gambar 4.25 Kontur Tekanan ... 87
Gambar 4.26 Kontur Kecepatan di Sekitar Pengaduk ... 87
Gambar 4.27 Kontur Kecepatan Arah Vertikal ... 87
Gambar 4.28 Kontur Arah Putran ... 89
Gambar 4.29 Kontur Kecepatan Daerah Steamline ... 89
Gambar 4.30 Pengadukan pada pengujian ... 90
Gambar 4.31 Pola aliran menggunakan pengaduk propeller ... 92
DAFTAR NOTASI 𝑄𝑄̇ = Laju perpindahan panas (W)
k = Konduktivitas Termal ( W / (m.K))
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2) T2 = Temperatur akhir (°C) U = Kecepatan aliran fluida (m/s) μ = Viskositas (Ns/m2)
RaL = Bilangan Rayleigh
β =1/ Tr
g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s2) Ts = Temperatur permukaan plat (K)
Tr = Temperatur referensi (K)
α = Difusivitas thermal v = Viskositas kinematik
P = Daya nominal motor sebesar Fc = Faktor koreksi daya
Pd = Daya perencanaan
n = Putaran normal
𝐾𝐾𝑡𝑡 = Faktor koreksi yang dipilih adalah 3 Cb = Faktor koreksi yang dipilih adalah 2,3 𝑇𝑇 = Momen puntir
ds = Diameter poros motor
τa = Tegangan geser yang diijinkan
𝑆𝑆𝑆𝑆1 = Faktor keamanan yang diambil (6)
d1 = Diamter lingkar jarak roda gigi penggerak (mm)
d2 =Diamter lingkar jarak roda gigi penerus (mm)
ɑ = Jarak sumbu poros (mm)
v = Pembebanan pada cincin dalam yang berputar = 1 fn = Faktor keamanan
fh = Faktor umur
z2 = Jumlah gigi yang digerakkan n1 = Putaran Penggerak (rpm)
n2 = Putaran yang direncanakan (rpm)
ℎ𝑗𝑗 = koefisien perpindahan panas dari atau ke bejana berjaket 𝐷𝐷𝑗𝑗 = diameter bejana
k = konduktivitas termal fluida cair L = panjang dayung (paddle)
B = jarak antara dayung dengan dasar bejana N = kecepatan agitator
𝜌𝜌 = massa jenis fluida 𝜇𝜇 = viskositas fluida C = kapasitas panas
DAFTAR LAMPIRAN
1. Spesifikasi dari LOW DENSITY POLYETYLENE RESIN 2. Spesifikasi dari Remafin – Blue MX-ST
