Upload
lamcong
View
229
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
KINERJA MODEL VACUUM FRYERMENGGUNAKAN PRINSIP BERNOULLI
Oleh :Oleh :
Usni Mubarok
2404 100 093
Dosen Pembimbing :
Ir. Sarwono, MM
LABORATORIUM REKAYASA ENERGI DAN PENGKONDISIAN LINGKUNGANJURUSAN TEKNIK FISIKA – FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSurabaya, 2009
Pendahuluan
Metodologi & Data
Teori Penunjang
Analisa & PembahasanGrafik
Hasil simulasi
Kesimpulansaran
Daftar pustaka
Lampiran
Analisa & Pembahasan
Latar BelakangAdanya 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
Pemanfaatan renewable dan sustainable energi
Pemanfaatan prinsip Bernoulli
Gambar air terjun baung camp Gambar air terjun cuban rondo
PermasalahanBagaimana merancang ulang sistem vacuum fryer
Bagaimana mengetahui hubungan variabel yang
paling berpengaruh terhadap vakum yang
dihasilkandihasilkan
Bagaimana menganalisa distribusi tekanan dan
temperatur dengan menggunakan simulasi CFD
Gambar vacuum fryer lama
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
temperatur dengan menggunakan simulasi CFD.
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
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.
Teori PenunjangFluida dinamis
Prinsip bernoulli
Gas idealGas ideal
Diagram fasa
Computed fluid dinamics
Speed driver pompa
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
tak‐berotasi (irrotational)
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.
Aliran fluida yang tak‐berotasi (irrotational)
Aliran laminer, Re < 2300
Aliran turbulen, Re > 2300
Aliran Fluida
Gambar pola aliran laminer dan turbulen
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
Persamaan kontinuitas untuk fluida
tak termampatkan
Gambar debit aliran dalam pipa
Persamaan diatas dikenal dengan persamaan kontinuitas
Prinsip BernoulliPrinsip 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 digunakanAliran tunak (steady)
Aliran tak mampat (incompressible)
Aliran tanpa gesekan (inviscid/non viscous)
Aliran menurut garis arus (sepanjang streamline)
Persamaan Bernoulli
Gambar aliran dalam pipa yang
berbeda ketinggihan
Aplikasi prinsip bernoulli pada venturi
Gambar aliran dalam pipa venturi
Tekanan vakumMerupakan tekanan yang dibawah tekanan atmosfir
atau di kenal dengan tekanan negatif
Tabel klasifikasi vakum
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 tumbukanInteraksi antar partikel hanya terjadi saat tumbukan
Tumbukan (antar partikel, partikel dan dinding)
Berlaku hukun newton tentang gerak.
Pada volume konstan, tekanan gas berbanding
lutus dengan temperatur
Hukum Gay - Lussac
Gambar chamber dimana
volumenya konstan
Diagram fasa adalah grafik yang menunjukkan
wujud zat sebagai fungsi tekanan dan temperatur
Diagram Fasa
Gambar diagram fasa
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.
Fungsi utama pompa
Kecepatan Putaran PompaParameter 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
Hubungan Kecepatan Putaran Pompa
Terhadap Debit
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5
De
bit
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
Kecepatan Putaran Pompa
He
ad
N terhadap H
Hubungan Kecepatan Putaran Pompa
terhadap Daya
0
50
100
150
1 2 3 4 5
Kecepatan Putaran Pompa
Da
ya
N terhadap P
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 –
persamaan matematika (model matematika).
Preprocessingmerupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD, sepertimembuat model, mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.
Proses simulasi CFD
menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.
Solvingmenghitung kondisi – kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing
PostprocessingPostprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD
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.
METODOLOGI DAN DATADiagram alir penelitian
Variasi pengujian alatVariasi pengujian alat
Metode analisa Grafik dan CFD
Diagram alir penelitian
ya
tidak
Design alat sebelum design ulang
Design ulang alat
Pengukuran tekanan vakum
Savety valve
Speed driver pompa
Gambar rancangan ulang vacuum fryer
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)
Vacuum fryer dan alat ukurnya
Gambar vacuum fryer
sebelum design ulang
Gambar vacuum fryer
setelah design ulang
Prinsip kerja pada venturi
Gambar Prinsip kerja pada venturi
Control Volume Pengujian
POMPA VENTURI
CHAMBERKOMPOR
Keterangan= Aliran fluda cair
= Aliran udara (tekanan)
= Aliran temperatur
Variasi PengujianSavety Valve
Tertutup TerbukaTertutup + Chamber
Variasi Pengujian alat
Speed
Driver
Tanpa
DenganR10
- -R9
1 2
4
3
5
Data dari pengujian pertama
Data dari pengujian kedua
Data dari pengujian ketiga
Data dari pengujian keempat
Data dari pengujian kelima
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 CFDAnalisa persebaran
temperatur dan tekanan
Gambar control
volume pengujian
NamaNamaNamaNama GeometriGeometriGeometriGeometri Ukuran (m)Ukuran (m)Ukuran (m)Ukuran (m)Panjang pipa inlet 0.1Panjang pipa outlet 0.1Diameter pipa 0.0254Panjang venturi 0.25
Pembuatan geometri pada GAMBIT
Panjang venturi 0.25Diameter inlet venturi 0.042Diameter outlet venturi 0.028Lubang dalam venturi 0.006Panjang saluran pipa 0.25Diameter chamber 0.2Tinggi chamber 0.14
Gambar GAMBIT vacuum fryer
Penentuan Kondisi Batas dan Kontinuum
Nama Type Continuum
Pipe Wall Fluid
Venturi Wall Fluid
Vacuum channel Wall FluidVacuum channel Wall Fluid
Chamber Wall Fluid
Inlet Pipe Velocity Inlet Fluid
Outlet Pipe Pressure Outlet Fluid
Pembuatan Meshing dan Grid
Gambar Grid Beserta Kondisi Batas Gambar Meshing
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi CFDGrafik
Grafik hubungan suhu terhadap waktu
GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
32
34
36
SU
HU
T1
T2
GRAFIK SUHU TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
25
30
35
40
SU
HU
T1
T2
26
28
30
32
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
WAKTU (menit)
SU
HU T2
T3
T4
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9
WAKTU (menit)
SU
HU
T2
T3
T4
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Grafik hubungan debit terhadap waktu
GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
0.006
0.008
0.01
DE
BIT
AIR
Q pompa
GRAFIK DEBIT AIR TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
0.006
0.008
0.01
DE
BIT
AIR
Q pompa
0
0.002
0.004
0.006
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
WAKTU (menit)
DE
BIT
AIR
Q pompa
0
0.002
0.004
0.006
1 2 3 4 5 6 7 8 9
WAKTU (menit)D
EB
IT A
IR
Q pompa
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Grafik hubungan tekanan terhadap waktu
GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
60
80
100
120
140
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P1
P2
GRAFIK TEKANAN TERHADAP PERUBAHAN WAKTU
80
100
120
140
160
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P1
P2
0
20
40
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
WAKTU (menit)
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P2
P3
0
20
40
60
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9
WAKTU (menit)
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P2
P3
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Grafik hubungan tekanan terhadap debit
GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR
80
100
120
140
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P1
P2
GRAFIK TEKANAN TERHADAP DEBIT AIR
80
100
120
140
160
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P1
P2
0
20
40
60
80
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
DEBIT AIR
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P2
P3
0
20
40
60
80
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
DEBIT AIR
TE
KA
NA
N (
kP
a)
P2
P3
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Grafik hubungan vakum terhadap tekanan pompa
GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA
6.48
6.5
6.52
6.54
TE
KA
NA
N V
AK
UM
(k
Pa
)
GRAFIK TEKANAN VAKUM TERHADAP TEKANAN POMPA
5
6
7
8
TE
KA
NA
N V
AK
UM
(k
Pa
)
6.38
6.4
6.42
6.44
6.46
6.48
127 128 129 130 131 132
TEKANAN POMPA (kPa)
TE
KA
NA
N V
AK
UM
(k
Pa
)
P2 terhadap P1
0
1
2
3
4
5
146 146.2 146.4 146.6 146.8 147
TEKANAN POMPA (kPa)
TE
KA
NA
N V
AK
UM
(k
Pa
)
P2 terhadap P1
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Grafik hubungan suhu terhadap tekanan dalam chamber
GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM
25
30
35
SU
HU
GRAFIK SUHU TERHADAP TEKANAN VAKUM
25
30
35
SU
HU
0
5
10
15
20
6.35 6.4 6.45 6.5 6.55
TEKANAN VAKUM (kPa)
SU
HU
T2 terhadap P2
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8
TEKANAN VAKUM (kPa)S
UH
U
T2 terhadap P2
Gambar saat savety valveterbuka tanpa menggunakan
speed driver
Gambar saat savety valve
tertutup dan menggunakanspeed driver (R9)
Hasil simulasi menggunakan CFD
Gambar distribusi tekanan pada kecepatan
fluida 3.36 m/s
Hasil simulasi menggunakan CFD
Gambar distribusi tekanan pada kecepatan
fluida 3.36 m/s
Hasil simulasi menggunakan CFD
Gambar distribusi temperatur pada kecepatan
fluida 3.36 m/s
Hasil simulasi menggunakan CFD
Gambar distribusi temperatur pada kecepatan
fluida 3.36 m/s
KesimpulanDari 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.
SaranMengubah – 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 chamber tersebut.
Daftar PustakaGranda, 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 UniversityEngineering Texas A & M University
Marquardt, Niels. Introduction To The PrinciplesOf 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
www.tecnocraft.com. Venturi Vacuum Generators What They Are and How to Design Them Into Your
Joachim, Kopp. Benno, Grolik. 2003. The Basics ofVacuum 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