Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Perbandingan Diameter dan Temperatur Tetesan Metanol Terhadap Waktu Antara Model Simulasi dengan Data Eksperimen
Pius Vepa Puntoadji, Engkos Achmad Kosasih
Kampus UI Depok 16424, Indonesia
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia
[email protected], [email protected]
Abstrak
Laju penguapan semprotan bahan bakar pada motor pembakaran dalam mempunyai peran yang sangat penting dalam kesempurnaan pembakaran. Semprotan ini berbentuk seperti tetesan-tetesan bahan bakar yang sangat kecil. Tevfik Gemci et. al. telah melakukan simulasi semprotan cairan dengan perangkat lunak KIVA-3V. Beberapa perangkat lunak simulasi pembakaran, seperti KIVA-3V dan Fluent, menggunakan model analogi Ranz-Marshall dan stagnan film untuk menghitung laju perpindahan massa dan panas. Penelitian ini bertujuan untuk melihat kesesuaian kombinasi kedua model tersebut yang diterapkan pada tetesan metanol (Le=1,5) dengan data eksperimen. Analisa yang dilakukan menunjukkan bahwa besar Sh dan Nu model stagnan film memiliki korelasi yang lemah terhadap model analogi Ranz-Marshall.
Comparison of Diameter and Temperature of Methanol Droplet Against Time Between Simulation Model and Experimental Data
Abstract
Fuel spray evaporation rate in inner combustion engine has an important role in the perfection of
combustion. The spray consists of small dropplets of fuel. Tevfik Gemci et. al. had worked on simulation of spray with KIVA-3V software. Some combustion simulation software, such as KIVA-3V and Fluent, use Ranz-Marshall analog model and stagnant film model to calculate heat and mass transfer rate. This study is aimed to show the correlation between the two models on methanol droplet evaporation (Le=1,5) using experimental data. Besides, this study is also intended to compare stagnan film and Ranz-Marshall analog model to the combination of the two models (modified stagnan film) which Kosasih E.A and Alhamid M.I had proposed. After it was analysed, it was found that the result of Sh dan Nu using Ranz-Marshall analog model has a bad correlation to stagnan film.
Keywords : droplet; stagnant film model; Ranz-Marshall analogue model; methanol
1. Pendahuluan Bahan bakar cair masih menjadi sumber energi utama dalam motor pembakaran dalam
karena densitas energinya yang tinggi. Pada motor pembakaran dalam, bahan bakar cair
disuntikkan ke dalam ruang bakar berbentuk kabut. Kabut bahan bakar ini dapat dikatakan
memiliki bentuk seperti tetesan-tetesan yang sangat kecil. Karakteristik penguapan tetesan ini
mempengaruhi kesempurnaan pembakaran, sehingga perlu dipelajari seperti apakah profil
penguapan yang paling cocok untuk pembakaran.
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
2
Berbagai model persamaan analogi perpindahan panas dan massa telah dirumuskan
untuk menunjukkan karakteristik perpindahan panas dan massa dalam suatu sistem. Model
analogi yang umum digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan panas dan massa
adalah model yang diusulkan oleh Ranz W. E. dan Marshall W. R. Model analogi ini
memiliki persyaratan yang salah satunya adalah bilangan Lewis (Le) bernilai satu, yang
menjamin keserupaan profil temperatur dan profil konsentrasi. Selain model Ranz-Marshall,
model film stagnan juga sering digunakan untuk menghitung laju perpindahan panas dan
massa. Model ini mengasumsikan tidak ada perubahan tebal film, yang merupakan panjang
dari gradien temperatur dan konsentrasi zat dari permukaan tetesan ke udara ambient.
Sementara itu model film stagnan tidak melihat perpindahan panas dan perpindahan massa
secara simultan. Kedua model ini adalah model yang paling sering digunakan dalam software
simulasi pembakaran, seperti KIVA-3V dan Fluent.
Kosasih E. A., dan Alhamid M. I.[1] telah melakukan uji korelasi model analogi Ranz-
Marshall dengan model stagnan film pada penelitiannya tentang penguapan tetesan Premium
(!" = sekitar 3). Dalam jurnalnya yang berjudul “Penguapan Tetesan Premium”, model
analogi Ranz-Marshall dan model stagnan film memiliki korelasi yang sangat lemah. Hal ini
terlihat dari besar Nu dan Sh untuk masing-masing model tidak memiliki keserupaan profil
dan selisih nilainya terlalu jauh. Oleh karena itu, perlu dilakukan peninjauan kembali untuk
mengetahui batas-batas penggunaan kombinasi kedua model tersebut.
2. Tinjauan Teoritis
Kalor tiap satuan luas yang diterima oleh tetesan berasal dari konveksi udara (qo) dan
konduksi (qcond) termokopel. Kalor ini kemudian akan diinterpretasikan oleh metanol sebagai
kalor laten dan sensible. Persamaan kesetimbangan kalor dalam penelitian ini adalah:
!!"#$ + !! = !! ℎ!" + !! !! − !! (1)
Besar No dapat dihitung dengan data hasil penelitian dengan cara:
!! =!!
!"!"
(2)
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
3
Model stagnan film merupakan model persamaan yang berguna untuk menghitung laju
penguapan dan laju perpindahan panas pada fenomena perpindahan panas dan massa. Stagnan
film sendiri merupakan lapisan semu yang mana di luar lapisan tersebut sudah tidak ada
gradien perubahan konsentrasi dan temperatur zat (tetesan). Persamaan model stagnan film
untuk menghitung kalor konveksi dari udara ke tetesan:
!! =!!!! !!!!!
[!"# (!!!!!/!!)!!] (3)
dengan No (persamaan 4) adalah laju molal penguapan tiap satuan luas, Cp adalah
kalor jenis molal, T adalah suhu dan subskrip 0 dan ∞ berturut-turut adalah tetesan dan udara,
serta hL adalah koefisien perpindahan panas (=Nu*k/d). Nu adalah bilanan Nusselts, k adalah
konduktivitas udara dan d adalah diameter tetesan.
!! = !! ln!!!!!!!!
(4)
dengan X merupakan fraksi uap bahan bakar dan kL adalahkoefisien perpindahan
massa. Besar koefisien perpindahan massa ini dapat dihitung dengan kL=Sh*D/d, di mana Sh
adalah bilangan Sherwood dan D adalah difusivitas uap metanol di udara.
Model analogi Ranz-Marshall merupakan model analogi yang paling umum
digunakan. Model analogi ini berguna untuk menghitung nilai Sh dan Nu yang nantinya akan
berguna untuk menghitung besar koefisien perpindahan panas dan massa. Sama seperti model
analogi lainnya, model ini memiliki syarat di mana besar bilangan Le harus sama dengan 1
untuk menjamin keserupaan profil perpindahan panas dan perpindahan massa. Selain itu
model ini memiliki persyaratan lain, di antaranya:
1. property fisik tidak berubah
2. laju perpindahan massa kecil
3. tidak ada reaksi kimia
4. tidak ada disipasi panas akibat viskositas
5. tidak ada energi radiasi yang diserap
6. tidak ada difusi tekanan, termal, atau paksa.
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
4
Besarnya Sh dan Nu menurut model analogi Ranz-Marshall adalah:
!" = 2+ 0,6 !"!/!!"!/! (5)
dan
!ℎ = 2+ 0,6 !"!/!!"!/! (6)
di mana Re adalah bilangan Reynolds tetesan, Pr adalah bilangan Prandtl, dan Sc
adalah bilangan Schmidt.
Pada penelitian ini, tetesan metanol akan menggantung pada termokopel rambut. Oleh
karena itu, kalor konduksi dari termokopel ke tetesan akan memiliki pengaruh yang cukup
signifikan. E.A. Kosasih telah melakukan analisa numerik untuk menghitung kalor konduksi
dari termokopel ke tetesan. Besarnya kalor konduksi ini adalah:
!!"#$ = ! !!"! !!"! !! − !! tanh (!") (7)
dengan ! = !!!" !!" !!"
, ℎ!" merupakan koefisien konveksi udara ke termokopel
(0,615!"!"!,!""!/!!"), !!", !!", dan L adalah konduktivitas, diameter, dan panjang
termokopel (yang bersentuhan dengan udara).
Susunan 9 persamaan tersebut digunakan untuk mencari bilangan Nu dan Sh untuk
model stagnan film dan modifikasi. Kedua bilangan tak berdimensi ini bisa pula dihitung
dengan persamaan analogi Ranz-Marshall sebagai berikut[4]:
3. Metodologi Penelitian
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
5
Gambar 1. skema alat uji
Penelitian menggunakan susunan alat seperti ditunjukkan pada gb.1 dan gb.2. Udara
dihembuskan oleh blower dengan 6 variasi kecepatan (0,1 m/s sampai dengan 0,6 m/s) yang
diatur oleh inverter. Selanjutnya, udara akan memasuki heater dan suhunya dikontrol dan
divariasikan (30oC hingga 50 oC). Kemudian udara panas masuk ke dalam tabung pyrex di
mana terdapat tetesan metanol (diameter 0.8-1.2 mm) yang menggantung pada ujung
termokopel rambut. Hal yang ingin diukur dalam penelitian ini adalah perubahan panas dan
diameter tetesan terhadap waktu seperti pada gambar 3.
Gambar 2. alat uji
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
6
Pengukuran perubahan diameter dan temperatur tetesan terhadap waktu berguna
sebagai data awal untuk menghitung laju perpindahan panas dan massa tetesan. Pengambilan
data temperatur dilakukan oleh termokopel rambut tipe K yang terintegerasi ke komputer
melalui NI-DAQ. Sebelumnya, perangkat lunak Labview telah dipasang di komputer yang
digunakan sehingga dapat memunculkan bacaan suhu termokopel. Lalu, perubahan diameter
tetesan direkam dengan bantuan kamera DSLR yang dipasang lensa makro. Pengaktifan
kamera DSLR dan perangkat lunak Labview harus serentak supaya temperatur yang terukur
sesuai dengan detik di mana diameter tetesan sedang terlihat.
Gambar 3. perubahan diameter tetesan
Data diameter dan suhu tetesan tiap satuan waktu digunakan untuk menghitung qo dan
No. Rekaman yang diperoleh kemudian diambil beberapa frame atau foto dalam selang waktu
t detik dengan bantuan perangkat lunak VLC Media Player. Foto-foto ini akan menunjukkan
perubahan diameter tetesan setiap selang waktu t detik. Diameter tetesan di setiap foto diukur
dengan bantuan perangkat lunak ImageJ. Seperti yang terlihat pada gambar 3, diameter
tetesan berubah sekitar 0,36 mm dalam waktu 86 detik. Dengan data tersebut dapat diperoleh
besar dr/dt dan diberikan ke dalam persamaan 2 untuk menghitung No. Lalu, No dan data
perubahan T yang diperoleh digunakan untuk menghitung besar qo dalam persamaan 1. Nilai
qo kemudian digunakan untuk menghitung besar Nu untuk model stagnan film (persamaan 3)
dan modifikasi (persamaan 5), dan Nu yang diperoleh dibandingkan dengan Nu model analogi
Ranz-Marshall. Begitu pula untuk Sh model stagnan film dan modifikasi dibandingkan
dengan model analogi Ranz-Marshall.
t = 0s v = 0,3 m/s T = 40oC d = 1,12mm
t = 86s v = 0,3 m/s T = 40oC d = 0,76mm
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
7
4. Hasil dan Pembahasan
Gambar 4. grafik pernamdingan Nu masing-masing model
Gambar 5. grafik pernamdingan Sh masing-masing model Gambar 4 menunjukkan grafik perbandingan hasil perhitungan besar Nu untuk
masing-masing model. Pada grafik tersebut aksis x yang digunakan adalah variabel yang
digunakan dalam model analogi Ranz-Marshall, sehingga besar koefisien determinasi (R2) Nu
model analogi akan selalu sama dengan 1. Selain itu, kekuatan korelasi model stagnan film
R² = 0.17626
0.0019531 0.0039063 0.0078125 0.015625 0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
NU
RE1/2PR1/3
NU METANOL
Nu sf Nu RM Linear (Nu sf) Linear (Nu RM)
R² = 0.16022
0.0019531 0.0039063 0.0078125 0.015625 0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8
1 2 3 4 5 6 7
SH
RE1/2SC1/3
SH METANOL
Sh sf Sh RM Linear (Sh sf) Linear (Sh RM)
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
8
terhadap model analogi dapat diketahui dengan melihat berapa jarak plot nilai Nu dan berapa
koefisien determinasinya. Grafik tersebut menggambarkan bahwa model stagnan film
memiliki korelasi yang lemah terhadap model analogi Ranz-Marshall, dengan besar koefisien
determinasi sekitar 0,17. Nilai Nu model stagnan film berada di bawah Nu Ranz-Marshall,
hampir 1000 kali lebih kecil. Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa, nilai Nu model stagnan
film memiliki korelasi yang sangat lemah terhadap model analogi Ranz-Marshall.
Sama halnya untuk bilangan Sh seperti yang ditunjukkan gambar 5. Gambar 5
menunjukkan grafik perbandingan nilai Sh untuk masing-masing model. Model stagnan film
memiliki korelasi yang lemah terhadap model Ranz-Marshall (R2=0,16) dan nilainya berada
di bawah Sh Ranz-Marshall, hampir 1000 kali lebih kecil. Sama seperti untuk bilangan Nu,
untuk bilangan Sh pun model stagnan film memiliki korelasi yang lemah terhadap model
analogi Ranz-Marshall.
Analisa korelasi bilangan Nu dan Sh tidak dapat sepenuhnya menjelaskan kedekatan
kombinasi kedua model simulasi tersebut dengan data eksperimental. Oleh karena itu perlu
dilakukan suatu analisa perbandingan perhitungan diameter dan temperatur tetesan dengan
kombinasi model stagnan film dan Ranz-Marshall dengan data hasil pengukuran.
Gambar 6. grafik temperatur terhadap waktu hasil perhitungan model simulasi dan pengukuran
Gambar 6 merupakan grafik perbandingan perhitungan numerik diameter kombinasi
model analogi dan Ranz Marshall dengan data hasil pengukuran pada kecepatan udara 0,3 m/s
dan temperatur udara 30oC. Dalam grafik tersebut terlihat bahwa dengan model simulasi,
tetesan akan habis (diameter = 0 m) pada detik ke-16. Sedangkan, pengukuran diameter
menunjukkan bahwa tetesan masih memiliki diameter sebesar 0,9 mm hingga detik ke-143.
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0 20 40 60 80 100 120 140 160
d(m)
t (s)
Perbandingan Diameter terhadap Waktu Kecepatan Udara 0,3 m/s Temperatur 30oC
d sf d exp
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
9
Berdasarkan grafik tersebut, dapat dikatakan bahwa simulasi perpindahan massa dengan
kombinasi model analogi dan stagnan film tidak sesuai dengan data pengukuran.
Gambar 7 menunjukkan grafik perbandingan perhitungan numerik temperatur tetesan
model simulasi dengan data hasil pengukuran. Grafik temperatur model simulasi terhenti pada
detik ke-16, hal ini disebabkan karena tetesan telah habis pada detik tersebut. Sedangkan
berdasarkan pengukuran, tetesan memiliki temperatur sebesar 21oC pada detik ke-143. Grafik
ini juga menunjukkan ketidaksesuaian antara model simulasi dengan data hasil pengukuran.
Gambar 7. grafik temperatur terhadap waktu hasil perhitungan model simulasi dan pengukuran
Hal yang sama juga ditunjukkan pada gambar 7 dan gambar 8. Kedua gambar tersebut
merupakan grafik perbandingan temperatur dan diameter hasil analisa numerik model
simulasi dan hasil pengukuran pada variasi suhu udara 50oC dan kecepatan 0,3 m/s. Hasil
simulasi pada kedua gambar tersebut terhenti pada detik ke-16 karena tetesan telah habis.
Namun, hasil pengukuran menunjukkan bahwa diameter tetesan masih sebesar 0,6 mm dan
temperaturnya sebesar 22oC. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa, pada temperatur udara
50oC simulasi kombinasi model stagnan film dan analogi Ranz-Marshall juga tidak sesuai
dengan data hasil pengukuran
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120 140 160
T(o C)
t (s)
Perbandingan Temperatur terhadap Waktu Kecepatan Udara 0,3 m/s Temperatur 30oC
T sf T exp
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
10
Gambar 8. grafik temperatur terhadap waktu hasil perhitungan model simulasi dan pengukuran pada variasi suhu udara 50oC dan kecepatan 0,3m/s
Gambar 9. grafik temperatur terhadap waktu hasil perhitungan model simulasi dan pengukuran pada variasi suhu udara 50oC dan kecepatan 0,3m/s
Ketidaksesuaian antara model simulasi dengan data hasil pengukuran ini menyatakan bahwa model
stagnan film dan analogi Ranz-Marshall tidak cocok digunakan untuk simulasi penguapan tetesan metanol. Hal
ini dapat disebabkan karena bilangan Le metanol bernilai sekitar 1,5. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian
lebih lanjut untuk mengembangkan kedua model tersebut agar dapat diperoleh kesesuaian hasil simulasi dengan
data hasil pengukuran.
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
d(m)
t (s)
Perbandingan Diameter terhadap Waktu Kecepatan Udara 0,3 m/s Temperatur 50oC
d sf d exp
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
T(o C)
t (s)
Perbandingan Temperatur terhadap Waktu Kecepatan Udara 0,3 m/s Temperatur 50oC
T sf T exp
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016
11
4. Kesimpulan
• Besar Nu dan Sh Model film stagnan memiliki korelasi yang lemah terhadap model
analogi Ranz-Marshall pada penguapan tetesan metanol (Le = 1,5).
• Hasil simulasi perhitungan diameter dan temperatur tetesan dengan kombinasi model
Ranz-Marshall dan stagnan film menunjukkan hasil yang tidak sesuai dengan data
hasil pengukuran.
• Perlu dilakukan pengembangan terhadap model simulasi agar menghasilkan data yang
sesuai dengan hasil pengukuran.
5. Saran
Untuk penelitian mengenai penguapan tetesan yang selanjutnya, disarankan supaya:
1. Pengukuran suhu udara sebaiknya dilakukan secara aktual, selama penelitian
berlangsung.
2. Pengukuran kecepatan udara yang rendah sebaiknya menggunakan alat ukur dengan
tingkat ketelitian yang lebih baik.
3. Mengingat tetesan adalah zat transparan, maka pengaturan pencahayaan selama
merekam video sebaiknya diperhatikan dengan baik agar dapat menggambarkan
tetesan yang kontras dengan latar belakangnya.
4. Perekaman video sebaiknya menggunakan video kamera yang memiliki resolusi
tinggi, serta didukung dengan lensa tambahan untuk memperbesar dan memfokuskan
gambar pada jarak dekat.
Daftar Pustaka [1]
Kosasih E.A. dan Alhamid M.I., A New Approach on Film Stagnant Model, Proceedings of the International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion, Jakarta, Indonesia, December 10-14 2006.
[2] Kosasih E.A., Penguapan Tetesan Premium, Prosiding SNTTM ke-9, Palembang, Indonesia, 13-15 Oktober 2010.
[3] Kosasih E.A., Kalor Konduksi dari Termokopel pada Alat Uji Penguapan Tetesan Air, Prosiding Teknik Mesin Simposium Nasional Fakultas Teknik UMS, Solo, Indonesia, 17 Desember 2009.
[4] Bird, Byron. (2002). “Transport Phenomena: Second Edition”. (New York: John Wiley & Sons Inc.) hal 681.
Perbandingan Diameter ..., Pius Vepa Puntoadji, FT UI, 2016