SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS KONDU

Gratis

0
0
11
1 year ago
Preview
Full text

  

SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI

PADA PROSES PIROLISIS DENGAN PERUBAHAN PANAS

REAKSI (ENTALPI)

MAKALAH SEMINAR HASIL

KONSENTRASI TEKNIK KONVERSI ENERGI

  Diajukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik Disusun Oleh:

  

FARIS SAPUTRA

NIM. 0910623043

  • – 62

  

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

MALANG

2014

  

LEMBAR PERSETUJUAN

SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI

PADA PROSES PIROLISIS DENGAN PERUBAHAN PANAS

REAKSI (ENTALPI)

MAKALAH SEMINAR HASIL

KONSENTRASI TEKNIK KONVERSI ENERGI

  Diajukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik Disusun oleh:

  

FARIS SAPUTRA

NIM. 0910623043

  • – 62

  Telah diperiksa dan disetujui oleh:

  

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Agung Sugeng Widodo, ST., MT., Ph.D.

  Dr. Eng. Widya Wijayanti, ST., MT. NIP. 19710321 199802 1 001 NIP. 19750802 199903 2 002

  

SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI

PADA PROSES PIROLISIS DENGAN PERUBAHAN PANAS

REAKSI (ENTALPI)

Faris Saputra, Widya Wijayanti, Agung Widodo.

  Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia

  E-mail :

  

ABSTRAK

  Dengan keterbatasan ketersedian bahan bakar fosil dan keperluan akan bahan bakar

  

renewable yang semakin meningkat, maka pengembangan energi alternatif dirasa

  sangat diperlukan. Oleh karena itu para peneliti membuat berbagai macam metode, salah satunya adalah proses pirolisis. Pirolisis adalah proses dekomposisi bahan organik melalui proses pemanasan tanpa melibatkan oksigen. Pada proses pirolisis terjadi perpindahan panas dan terjadi perubahan panas reaksi (entalpi). Untuk mengetahui distribusi temperatur pada proses pirolisis, dilakukan simulasi secara numerik dengan membandingkan proses pirolisis tanpa dan dengan adanya entalpi. Perubahan entalpi yang dibandingkan dalam simulasi ini adalah 0 dan 100. Sedangkan parameter lainnya seperti massa jenis, kalor jenis, konduktivitas termal dan koefisien konveksi dianggap konstan. Dari hasil simulasi ini menunjukkan bahwasanya terjadi perbedaan peningkatan distribusi temperatur antara perpindahan panas konduksi yang terjadi pada proses pirolisis tanpa dan dengan perubahan panas reaksi (entalpi) secara transien. Sehingga dapat disimpulkan bahwa perubahan entalpi memiliki pengaruh terhadap distribusi temperatur pada proses pirolisis.

  Kata kunci: pirolisis, perpindahan panas, finite difference. bumi, maka perlu dicari alternatif

  PENDAHULUAN

  sumber energi. Untuk konsumsi minyak

  Latar Belakang

  solar di Indonesia dapat dilihat pada Banyak negara ,terutama Indonesia tabel 1 berikut. mengalami masalah kekurangan bahan

  Dengan masalah keterbatasan bakar minyak (dari bahan bakar fosil) ketersediannya bahan bakar fosil dan untuk negaranya sendiri. Kebutuhan keperluan akan bahan bakar renewable bahan bakar untuk mesin diesel di yang semakin meningkat, maka

  Indonesia tiap tahunnya semakin pengembangan energi alternatif dirasa meningkat seiring dengan pertambahan sangat diperlukan. Oleh karena itu para jumlah mesin industri dan jumlah peneliti membuat berbagai macam kendaraan bermesin diesel. Dengan metode pembuatan bahan bakar semakin terbatasnya cadangan minyak alternatif, salah satunya adalah proses pirolisis. Pirolisis adalah proses dekomposisi bahan organik melalui proses pemanasan tanpa melibatkan oksigen. Produk yang dihasilkan dari proses pirolisis berupa arang (karbon padat), tar (minyak), dan gas permanen yang meliputi metana, hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida.

  Dengan adanya perkembangan teknologi saat ini, simulasi numerik dapat dilakukan untuk memprediksi pengaruh pada distribusi temperatur yang terjadi pada proses pirolisis, untuk memprediksi adanya perubahan reaksi kimia atau tanpa pada proses pirolisis itu sendiri.

  TINJAUAN PUSTAKA Pirolisis

  Pirolisis adalah suatu proses dekomposisi kimia bahan organik melalui proses pemanasan tanpa melibatkan oksigen. Bahan yang biasa digunakan untuk proses pirolisis adalah batu bara, limbah manusia dan hewan, sisa makanan, kertas, plastik, dan biomassa.

  Proses Pirolisis pada Silinder

  Proses pirolisis pada silinder adalah suatu proses pirolisis yang menggunakan media tabung sebagai tempat untuk melakukan proses pirolisis. Untuk material yang dipakai sebagai proses pirolisis di sini adalah serbuk kayu. Serbuk kayu yang ada di dalam furnace dimasukkan ke dalam piroliser sebagai alat pemanas. Di situ serbuk kayu akan dibuat berubah bentuk menjadi char, tar, dan gas tergantung kebutuhan penelitian.

  Perpindahan Panas Konduksi pada Keadaan Transient

  Perpindahan panas konduksi pada keadaan transien terjadi ketika suhu dalam suatu objek berubah sebagai fungsi waktu. Pada piroliser yang digunakan untuk proses pirolisis serbuk kayu pada penelitian terdapat wadah berbentuk silinder dan terjadi perpindahan konduksi secara transien, karena itulah dalam proses pemecahan masalahnya menggunakan teori yang berkaitan dengan perpindahan panas konduksi transien pada silinder yang berlubang seperti yang terlihat pada Gambar 1 berikut ini:

  Gambar 1. Perpindahan Panas

  konduksi transien pada silinder berlubang Dari gambar 1 diatas dapat dilihat bahwasanya perpindahan panas terjadi pada silinder berlubang 3 dimensi. Pada gambar terlihat bahwa selain sumbu z dan r, pada silinder berlubang tersebut terda pat sudut θ. Namun untuk mempermudah proses perhitungannya dan pemecahannya, sudut θ diabaikan dan bernilai nol sehingga nantinya dalam pemecahannya, perpindahan panas konduksi transien pada silinder berlubang dapat dicari dengan rumus :

  ( ) ( ) ( )

  Dimana : massa jenis (kg/ )

  Cp kapasitas panas spesifik pada tekanan konstan (J/Kg

  ) k konduktivitas termal (W/m )

  T temperatur ( )

  t waktu (s) METODE PENELITIAN Metode yang Digunakan

  Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan suatu metode penelitian eksperimental semu, yaitu melakukan studi literatur untuk mencari hubungan sebab akibat dalam suatu proses melalui pengumpulan data dari berbagai sumber, kemudian data tersebut diolah dalam simulasi yang Dari gambar di atas dapat dilihat menggunakan software MATLAB. bahwa benda mendapat perpindahan panas secara konduksi, dan diberi isolator. Karena koordinat silinder dan

  Langkah-langkah Simulasi

  perpindahan panasnya adalah transien Proses simulasi dilakukan (berdasarkan fungsi waktu). dengan menggunakan bantuan software MATLAB. Langkah-langkah proses

  Pada gambar di atas = 0 dan = simulasi dibagi menjadi 3 tahap, yaitu : 0 merupakan representasi dari keadaan

  1. Preprocessing

  tabung yang diberi isolator. Untuk TP= f(t)

  2. Processing

  2 dan TP = 800 , merupakan representasi dari panas yang

  3. Postprocessing

  datang dari heater. Untuk pada keadaan konduksi adalah representasi dari panas

  Preprocessing serbuk kayu yang menuju tabung.

  Pada tahap ini dilakukan pemodelan Kondisi batas bagian atas menggunakan distribusi temperatur pada silinder: kondisi batas konveksi.

  Mesh Generation Menentukan domain / geometri Meshing Asumsi 2D

  Meshing adalah proses membagi

  Permasalahan yang akan dikaji geometri menjadi elemen-elemen kecil dalam pembahasan skripsi ini adalah dimana nantinya dihasilkan node-node mengambil setengah bagian dari proses yang akan dipakai / digunakan dalam perpindahan panas pada silinder yang perhitungan komputasi secara elemen digambarkan pada gambar 3.1 di bawah hingga. ini.

  Persamaan atur

  Persamaan atur yang digunakan dalam simulasi ini adalah: ( ) ( )

  Physical Properties Gambar 2. Asumsi dalam bentuk 2D

  Dari rumus di atas didapat tiga physical properties yaitu , C, k.

  Analisa Kondisi

  Dengan nilainya masing-masing:  atau massa jenis untuk mahoni afrika adalah 0, 64 gr cm-1  C atau kalor jenis kayu adalah 1,7 J g-1

  • 1

   k atau bisa disebut konduktivitas termal kayu yang dipakai adalah 0.1 W m- 1 K-1

  Gambar 3. Analisa Kondisi

  Boundary condition (Kondisi Batas)  Kondisi batas isolasi  Konduksi batas heater  Kondisi batas konveksi Processing

  Jarak mesh untuk arah r sepanjang 10 cm adalah dengan jumlah titik dari i = 0 sampai titik i = 50. Jarak mesh untuk arah z sepanjang 15 cm adalah dengan jumlah titik dari j = 0 sampai titik j = 75.

  Boundary Conditions

  = massa jenis, C = kalor jenis, k = konduktivitas termal,

  ( ) ( ) (1) dengan

  Persamaan atur yang dipakai untuk perpindahan panas konduksi pada keadaan transien pada silinder.

  Gambar 5. Mesh generation Persamaan atur

  Untuk dengan L merupakan panjang z dan N merupakan banyak partisi, sedangkan penentuan untuk diasumsikan sama dengan .

  Dari domain pada subbab 4.2.1 akan dipartisi menjadi elemen-elemen kecil dimana nantinya dihasilkan node- node yang dapat digunakan dalam perhitungan komputasi secara elemen hingga.

  Pada tahap ini kita akan melakukan:

  Gambar 4. Domain/geometri Mesh generation

  Domain yang digunakan dalam simulasi distribusi temperatur pada silinder ini, dijelaskan pada gambar 4.3 di bawah ini:

  Postprocessing  Tampilan hasil Hasil dan Pembahasan Preprocessing Menentukan domain/geometri

  2. Penyelesaian suatu persamaan terdiskritisasi: Memasukkan hasil dari diskritisasi persamaan atur yang sudah didapat dengan menggunakan software MATLAB.

  difference .

  1. Diskritisasi persamaan atur: Penurunan rumus governing equation dengan menggunakan metode finite

  Penentuan syarat batas yang tepat menjadi sangat penting dalam menurunkan solusi numerik. Syarat batas yang tidak tepat akan menghasilkan profil temperatur yang tidak sesuai. Berikut adalah syarat batas yang ditetapkan pada permukaan kiri dan bawah bagian tabung:

  Permukaan atas (j=N+1) Pada kondisi batas atas menggunakan kondisi batas konveksi. Di mana ditunjukkan dengan rumus:

  • , karena maka suhu kiri =
  • , karena maka suhu bawah = T awal Permukaan kanan

  (4) dengan = massa jenis (g/cc) = 0.64,

  ( ) ( )

  Persamaan perpindahan panas konduksi pada silinder dengan pengaruh entalpi dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:

   Processing Diskritisasi persamaan atur

  A = 0.15

  Atas = (3) dimana h = 0.0003

  . Untuk itu ditentukan terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan garis dari dan di mana dan melambangkan waktu minimal dan maksimal sedangkan dan melambangkan suhu minimal dan maksimal . Oleh karena itu diperoleh persamaan nomor (2) ini merupakan persamaan yang digunakan untuk menentukan kondisi batas pada sisi kanan tiap satuan waktu apabila .

  Gambar 6. Boundary conditions

  : Pada kasus ini adalah kasus dimana sehingga temperatur pada keadaan ini adalah untuk dan 800 untuk

  Ditunjukkan dengan rumus

  : Dengan panjang 10 cm dan dengan banyak titik sebanyak 50 titik yang diberikan keadaan isolasi = 0.

  T awal Permukaan bawah

  Dengan panjang 15 cm dan dengan banyak titik sebanyak 75 titik yang diberikan keadaan isolasi = 0. Ditunjukkan dengan rumus

  Permukaan kiri :

  C = kalor jenis = 1.7, k = konduktivitas termal = 0.1 Untuk mendapatkan skema numerik, persamaan (4) diselesaikan dengan menggunakan metode beda hingga. Dalam kasus ini digunakan metode Crank - Nicolson, yaitu metode di mana diterapkan beda maju pada turunan  Titik yang diberi nomor 1 pertama terhadap waktu dan beda pusat

  Untuk menghitung nilai pada turunan kedua terhadap spasial pada titik ini (1, 75) digunakan rumus: bangun ruang. Sehingga didapat persamaan sebagai berikut.

  ( ) ( ) ( ) ( )

  dan seterusnya sampai titik nomor 9 pada gambar. (5) dengan Postprocessing

  Tampilan hasil

  Output yang diperoleh dari hasil simulasi adalah distribusi temperatur perpindahan panas konduksi pada proses dari pirolisis divisualisasikan menggunakan command plot pcolor pada matlab. Untuk dapat mengetahui perubahan temperatur tanpa dan dengan

  Penyelesaian persamaan

  adanya entalpi 100 ditunjukkan pada

  terdiskritisasi

  gambar di bawah ini: Di bawah ini merupakan contoh pembagian mesh dan noda pada tiap titik. Setiap bagian titik mempunyai penyelesaian persamaan yang berbeda - beda.

  Gambar 8. Grafik Temperatur rata -

  rata terhadap waktu Sumber: Software MATLAB

  Gambar 7. Rumus tiap titik di mesh t = 120 m t = 0 m t = 30 m t = 150 m t = 60m t = 180 m

  Gambar 9. (a) Mesh grid t = 0; (b) Mesh grid t = 30 m; (c) Mesh grid t = 1

  jam; (d) Mesh grid t = 2 jam; (e) Mesh

  grid t = 2.5 jam; (f) Mesh grid t = 3 jam

  (semua tanpa entalpi) t = 60

  Gambar 10. Grafik Temperatur rata -

  rata terhadap waktu (entalpi 100) t = 120 m t = 0 t = 30 m t = 150 t = 180 m

DAFTAR PUSTAKA

  [1] Cengel, Yunus A. ; 1998 : Heat

  transfer : A Practical Approach; University of Nevada. Reno.

  [2] Neta, B. : 2003 : Numerical

  Solution of Partial Differential Equations : Department of

  Mathematics Naval Postgraduate School, California. [3] Tovani, Novan. : 2008 : Studi

  Model Numerik Konduksi Panas Lempeng Baja Silindris

  

Gambar 11. (a) Mesh grid t = 0; (b) Yang Berinteraksi Dengan

Mesh grid t = 30 m; (c) Mesh grid t = 1 Laser : Fakultas Matematika

jam; (d) Mesh grid t = 2 jam; (e) Mesh Institut Pertanian Bogor. grid t = 2.5 jam; (f) Mesh grid t = 3 jam

  (dengan entalpi 100) [4] Wijayanti, Widya et al. : 2010 :

  Numerical Simulation of the

KESIMPULAN thermal conduction of packed bed

  Mengacu pada hasil simulasi of woody biomass particles perpindahan panas konduksi pada accompanying volume reduction proses pirolisis dengan entalpi 0 didapat induced by pyrolysis : Yamaguchi kurva T rata - rata yang terus meningkat University, 2-16-1, Ube-shi, dengan interval suhu yang berkisar Yamaguchi 755-8611, Japan. antara 25

  • 70 . Pada proses dengan entalpi 100 terjadi peningkatan kurva T [5] William, Simpson et al. : 1999 : rata - rata yang terjadi lebih signifikan Physical Properties and dengan interval suhu berkisar antara Moisture Relations of Wood : Department of Agriculture, U.S.

  25

  • 350 . Sehingga dapat disimpulkan bahwa perubahan entalpi memiliki pengaruh yang signifikan terhadap distribusi temperatur pada proses pirolisis.

  SARAN Untuk proses skripsi selanjutnya disarankan menggunakan metode selain metode finite difference agar dapat membandingkan hasil dari kedua metode tersebut.

Dokumen baru

Dokumen yang terkait

ANALISIS NUMERIK POLA PENYEBARAN ASAP DARI CEROBONG PABRIK GULA PT. SEMBORO JEMBER JAWA TIMUR BERBANTUAN SOFTWARE FLUENT
2
53
13
ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN PLAFON DAN INSULASI TERHADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS PADA ATAP
0
18
24
PEMBUATAN MONITORING TEMPERATUR PANAS DAN DINGIN SECARA OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN MICROKONTROLLER AT89S51 (DETECTOR AIR DAN BUZZER)
1
26
18
SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA VENTURY MIXER DENGAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
1
36
1
ALAT PENGERING ONCOM KEDELAI DENGAN ENERGI PANAS MATAHARI
2
52
1
ANALISA DAN SIMULASI PERBANDINGAN ALGORITMA WESTWOOD DAN ALGORITMA SELECTIVE ACKNOWLEDGMENT OPTION PADA SISTEM KENDALI KONGESTI JARINGAN TCP
4
92
39
STRATEGI COPING PADA ORANG LANJUT USIA KORBAN BENCANA LUAPAN LUMPUR PANAS LAPINDO SIDOARJO
1
29
2
ANALISIS TEKNIS DAN EKONOMIS PEMANFAATAN ENERGI PANAS BUMI DI JAWA TENGAH DALAM MENUNJANG SISTEM KELISTRIKAN DI JAWA TENGAH (Studi Kasus di PLTP Dieng)
2
29
18
ANALISIS TINGKAT KEKERASAN GIGI PADA SIMULASI KARIES GIGI DENGAN INHIBISI EKSTRAK DAUN SIRIH (Piper betle L.)
0
9
17
SIMULASI SISTEM KENDALI KECEPATAN MOBIL SECARA OTOMATIS
1
82
1
OPTIMISASI PARAMETER PELAPISAN CELUP PANAS BAJA AISI 1020 DENGAN ALUMINIUM
0
13
43
KARAKTERISASI BAJA KARBON SEDANG AISI 1045 YANG DILAPISI ALUMINIUM DENGAN METODE CELUP PANAS (HOT DIPPING)
3
12
41
PREDIKSI TEMPERATUR PAHAT PADA PROSES PENGGURDIAN (DRILLING) BAJA AISI 1045 DENGAN MENGGUNAKAN METODE SIMULASI BERBASIS METODE ELEMEN HINGGA
7
70
82
PERBANDINGAN LATIHAN DENGAN MENGGUNAKAN BOLA UKURAN 4 DAN 5 TERHADAP KETEPATAN MENENDANG BOLA KE ARAH GAWANG PADA EKSTRAKULIKULER SEPAKBOLA SD NEGERI WAY PANAS TAHUN AJARAN 2013/2014
0
30
51
RANCANG BANGUN PROTEKSI MESIN MOBIL TERHADAP PANAS (OVER HEATING) DAN PERINGATAN TERHADAP PERUBAHAN TEGANGAN UNTUK MENCEGAH KERUSAKAN AKI
16
79
73
Show more