SIMULASI NUMERIK UJI EKSPERIMENTAL PROFIL ALIRAN SALURAN MULTI BELOKAN DENGAN VARIASI SUDU PENGARAH

SIMULASI NUMERIK UJI EKSPERIMENTAL PROFIL ALIRAN SALURAN MULTI BELOKAN DENGAN VARIASI SUDU PENGARAH Syukran1* dan Muh. Haiyum2 1,2

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh-Medan km. 280 Buketrata – Lhokseumawe * E-mail: [email protected]

Abstrak Teknik multi belokan merupakan salah satu metode yang lazim digunakan dalam optimasi perpindahan panas pada suatu peralatan termal. Pemakaian sudu pengarah pada saluran aliran akan memicu terjadinya peningkatan temperatur aliran. Kaji eksperimen untuk mencari geometri sudu pengarah yang optimal membutuhkan waktu dan biaya yang besar. Menjawab hal tersebut, diperlukan kaji secara simulasi dengan pemodelan menggunakan perangkat lunak. Penelitian ini bertujuan menguji secara simulasi tingkat kesesuaian hasil simulasi terhadap hasil eksperimental tentang profil aliran dalam saluran multi belokan dengan vasiasi sudu pengarah. Data pengujian mengacu pada karya tulis penelitian terdahulu. Pemodelan dilakukan menggunakan perangkat lunak Gambit 2.2 dan Fluent 6.2.16. Geometri model terdiri atas 3 tipe, yakni saluran tanpa sudu pengarah, saluran dengan sudu pengarah 90º, dan saluran dengan sudu pengarah 105º. Validasi hasil simulasi mengacu pada data eksperimental penelitian terdahulu. Hasil simulasi menunjukkan bahwa profil temperatur dalam saluran hasil simulasi cenderung sama dengan data eksperimental. Penyimpangan kecil antara hasil simulasi terhadap hasil eksperimental disebabkan oleh idealisasi pendefinisian kasus. Kata kunci: Sudu pengarah, simulasi, model, multi belokan

Pendahuluan Teknik multi belokan merupakan salah satu metode yang lazim digunakan dalam optimasi perpindahan panas pada suatu peralatan termal yang bekerja baik secara konveksi paksa maupun konveksi alamiah. Pemakaian sudu pengarah (baffle) pada saluran aliran akan menciptakan belokan-belokan aliran sehingga saluran memilki profil multi belokan. Pemanas udara surya merupakan salah satu contoh peralatan termal yang menggunakan sudu pengarah untuk meningkatkan tranfer perpindahan panas antara fluida dan bidang penyerap panas. Adanya sudu pengarah akan memperpanjang daerah aliran fluida antara sisi masuk dan keluar, sehingga waktu kontak antara fluida dan bidang penyerap panas akan lama. Akibatnya temperatur fluida pada sisi keluar akan meningkat drastis dibanding temperatur pada sisi masuk. Meningkatnya transfer panas aliran sangat dipengaruhi oleh posisi sudu pengarah dalam saluran. Kemiringan dan kelonggaran sudu sangat menentukan perubahan temperatur yang akan dicapai pada sisi keluar pemanas. Secara eksperimental saluran fluida pemanas tanpa sudu pengarah jauh berbeda temperatur keluarnya dibanding pemanas yang menggunakan sudu pengarah. 1

Pengkajian mengenai pemakaian sudu pengarah dalam saluran fluida telah benyak diteliti oleh para ahli, antara lain Metzger and Sahm [1] telah melakukan penelitian eksperimental tentang karakteristik perpindahan panas pada saluran multi belokan dengan geometri yang bervariasi dan menyimpulkan secondary flow di sekitar daerah belokan diakibatkan oleh gaya sentrifugal. Chyu [2] meneliti perpindahan panas dalam dua laluan dengan tiga lintasan dan menyimpulkan koefisien perpindahan massa pada daerah belokan sangat tidak seragam. Astarita [3] melakukan pengukuran koefisien aliran didekat belokan dengan menggunakan metode termography infrared dan menyimpulkan adanya pemisahan aliran disekitar belokan. Penelitian-penelitian sekitar pengaruh sudu pengarah tersebut juga masih berlangsung sampai saat ini. Haiyum [4], melakukan penelitian optimasi penyerap panas pada saluran multi belokan dengan variasi sudut kemiringan sudu pengarah 90o dan 105o. Hasil pengujian menunjukkan temperatur maksimum yang dicapai untuk posisi sudu 90o dan 105o adalah 81oC dan 83oC. Kendala eksperimental yang dihadapi dalam melakukan optimasi lanjut guna mencari posisi dan konfigurasi sudu pengarah pada saluran multi belokan adalah diperlukan pengujian ulang. Modifikasi posisi sudu pengarah secara eksperimental sangat tidak efektif dan efisien. Selain membutuhkan waktu yang panjang juga membutuhkan dana yang besar. Peralatan uji membutuhkan banyak instrumen pengukuran agar dihasilkan hasil uji yang representatif. Oleh sebab itu diperlukan suatu metode simulasi numerik untuk mengkaji posisi dan konfigurasi sudu pengarah sehingga dapat dijadikan referensi dalam melakukan optimasi perancangan pemanas udara termal. Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji secara simulasi numerik profil aliran untuk pemanas udara surya pada saluran multi belokan dengan variasi sudu pengarah. Untuk mempermudah simulasi dan validasi hasil, maka data primer yang dijadikan input dalam simulasi dirujuk pada hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya [4]. Simulasi ini diperlukan untuk melihat kesesuaian terhadap hasil eksperimental sehingga dapat diketahui bahwa tingkat kevalidan hasil simulasi. Dengan demikian, metode simulasi tersebut dapat dijadikan pedoman dalam memprediksi dan mencari optimasi kasus dimasa akan datang. Metode Penelitian Saluran fluida yang dijadikan model dalam simulasi berdimensi 250 cm (panjang), 85 cm (lebar), dan 12 cm (tinggi) dengan dimensi sisi masuk dan keluar 35cm (panjang) dan 12 cm (tinggi). Dimensi sudu pengarah 65 cm (panjang) dan 12 cm (lebar). Data dan geometri yang dijadikan rujukan pemodelan simulasi adalah data geometri penelitian [4]. Model yang akan dilakukan simulasi terdiri dari 3 model geometri, yaitu: 1. Saluran tanpa sudu pengarah 2. Saluran dengan sudu pengarah 90o 3. Saluran dengan sudu pengarah 105o Pemodelan dan simulasi dilakukan dengan menggunakan metode komputasi dinamika fluida (compuatational fluid dynamics). Seluruh peramater perhitungan simulasi dilakukan secara iterasi [5].

2

Skematik geometri objek yang dijadikan model ditunjukkan pada Gambar 1. Tahapan simulasi yang dilakukan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 2. Input data awal simulasi mengacu pada data temperatur dan laju alir massa udara pada sisi masukan. Pemodelan dilakukan dengan teknik komputasi fluida dinamik. Data inlet simulasi : - Temperatur : 30oC - Tekanan : 1 atm - Kecepatan aliran : 3 m/s

(a). Saluran tanpa sudu pengarah

(b) Saluran dengan sudu pengarah 90o

(c) Saluran dengan sudu pengarah 105o.

Gambar 1.Geometri model saluran.

Hasil diskritisasi model ditunjukkan pada Gambar 3.a/b/c.

3

Gambar 2. Diagram alir penelitian

(a). Tanpa sudu pengarah

(b). Sudu pengarah 90o

(c). Sudu pengarah 105o

Gambar 3. Hasil Diskritisasi Model 4

Validasi hasil simulasi. Simulasi hasil simulasi dirujuk pada data penelitian eksperimental [4] terhadap data hasil simulasi. Validasi hanya dilakukan terhadap data temperatur. Data temperatur hasil eksperimen tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.

(a) Data temperatur aliran tanpa sudu pengarah

(b).Data temperatur aliran dengan sudu pengarah 90º

(c).Data temperatur aliran dengan sudu pengarah 105º Gambar 4. Data validasi simulasi

5

Hasil dan Pembahasan Profil Temperatur (oC). Berdasarkan Gambar 5 terlihat pola temperatur yang berbeda dari setiap bentuk saluran. Untuk saluran tanpa sudu pengarah, kosentrasi temperatur tertinggi rata-rata pada sisi keluar yang dicapai berkisar antara 55-58oC. Stagnasi aliran terjadi pada area kiri sisi masuk. Hal ini berkaitan dengan geometri saluran Di ujung sisi keluar terjadi stagnasi aliran yang relatif kecil sebagai akibat konfigurasi saluran yang memiliki bentuk sudut antara sisi-sisi saluran.

(a) tanpa sudu pengarah

(b). Dengan sudut pengarah 90o

(c) Profil temperatur sudu pengarah 105o Gambar 5. Profil temperatur saluran (oC) Selanjutnya profil temperatur untuk saluran dengan sudu pengarah sudut 90o (Gambar 4.b) menunjukkan temperatur aliran terus meningkat dengan semakin panjangnya proses aliran. Hal ini sebagai akibat pengaruh sudu pengarah yang dipasang pada saluran. Sudu pengarah memicu peningkatan temperatur aliran sebagai efek dari terjadinya turbulensi aliran dengan adanya sudu tersebut. Indikasi terjadinya turbulensi tersebut dapat didasarkan pada keterangan simulasi yang ditunjukan Gambar 6. Temperatur tertinggi rata-rata yang dicapai pada sisi keluar untuk saluran dengan sudu pengarah 90o berkisar antara 78 – 88oC. Profil temperatur aliran untuk saluran dengan sudu pengarah 105o mendekati sama dengan saluran dengan sudu pengarah 90º. Konfigurasi sudu pengarah dengan 6

sudut 105o menyebabkan area stagnasi aliran yang lebih besar sehingga hambatan aliran menjadi besar dibanding sudu pengarah 90o. Temperatur aliran pada sisi keluar berkisar antara 68 – 72oC. Ditinjau dari segi normalisasi proses aliran, maka posisi sudu pengarah dengan sudut 90o lebih baik dibanding sudu pengarah sudut 105o. Aliran untuk posisi 90o cenderung memiliki hambatan yang tidak terlalu besar. Indikasi ini terlihat dari kecilnya area stagnasi aliran pada saluran. Vektor kecepatan aliran (m/s). Berdasarkan Gambar 6 di atas dapat dijelaskan bahwa pemakaian sudu pengarah akan menciptakan aliran turbulen dan stagnasi aliran pada area tertentu dalam saluran fluida. Gambar 6.a, terlihat perbedaan posisi kesejajaran sisi masuk dan keluar menyebabkan terjadi stagnasi aliran pada area kiri sisi masuk. Kecepatan fluida cenderung diam (v=0).

(a) tanpa sudu pengarah

(b) dengan sudu pengarah 90o

(c) dengan sudu pengarah 105o Gambar 6. Vektor kecepatan aliran Selanjutnya pada saluran dengan sudu pengarah 90o, turbulensi aliran terjadi pada area belokan. Kecepatan aliran meningkat secara signifikan pada sisi-sisi panjang sudu pengarah. Besarnya kecepatan pada daerah tersebut cenderung sama untuk setiap sudu pengarah. Sedangkan untuk saluran dengan sudu pengarah 105o, terjadi resirkulasi aliran pada area segitiga antara sudu pengarah. Sirkulasi aliran ini 7

menyebabkan aliran cenderung stagnasi (v=konstan). Kosentrasi kecepatan terjadi sepanjang sudu pengarah dengan pola yang mendekati sama dengan saluran dengan sudu pengarah 90o. Validasi hasil simulasi. Simulasi hasil simulasi dirujuk pada data penelitian eksperimental [4]. Validasi hanya dilakukan terhadap data temperatur. Dari Gambar 4 dan 5 di atas dapat disimpulkan bahwa data temperatur aliran dalam proses aliran mendekati sama antara hasil simulasi terhadap hasil pengujian eksperimental. Ketidaksesuaian kecil dari data-data tersebut sebagai efek dari idealisasi kasus dalam simulasi dan kesalahan tertentu tertentu pada pengujian secara eksperimen. Namun demikian hasil pengujian dapat dikatakan valid untuk dijadikan rujukan dalam analisis lanjut tentang profil aliran pada saluran. Hasil simulasi ini dapat dijadikan referensi dalam melakukan modifikasi sudu pengarah maupun konfigurasi saluran dalam upaya optimasi termal. Referensi [1] D.E. Metzger, and M.K. Sahm, J. Heat Transfer (1986), 500-506. [2] M.K. Chyu, J. Heat Transfer 113 (1991), 63-70 [3] T. Astarita, G. Cardone and G.M Carlomagno, Heat transfer and surface flow visualization around a 180 deg turn in a rectangular channel, Heat Transfer in Turbulent Flows, ASME HTD-318, 1995, 161-168. [4] M. Haiyum, Optimasi Penyerap Panas memanfaatkan energi matahari dengan teknik multi belokan tajam, (Thesis Magister, Program Studi Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, 2008) [5] Anderson, Computatonal Fluid Dynamics, McGraw-Hill, (1995)

8