Geometry dan Mesh Analisa Kontur Fasa

LAMPIRAN Lampiran 1 LANGKAH-LANGKAH ANALISA DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS 15.0 :

a. Geometry dan Mesh

1. Evaporator didesain terlebih dahulu. Desain dapat dilakukan dengan menggunakan aplikasi seperti AutoCAD, Catia, SolidWorks serta pada Geometry Ansys itu sendiri. Dalam hal ini aplikasi yang digunakan adalah SolidWorks 2010 yang kemudian di-import ke dalam Geometry Ansys 15.0. 2. Dari perintah “File”  “Import External Geometry File…”, pilih file yang ingin di-import kemudian pilih “Open”. Gambar 1 Cara Meng-import Data 3. Setelah File Solidworks “Import1” muncul, pilih Import1 kemudian dengan perintah “Generate” untuk menampilkan geometry evaporator. Gambar 2 Generate. 4. Setelah geometry muncul maka secara otomatis ansys akan membaca berapa part yang kita buat. Pada “Details View”  “FluidSolid” kita dapat menggubah material part tersebut menjadi solid ataupun fluid. Gambar 3 Material Bahan. 5. Setelah selesai, kita dapat menutup geometry lalu klik kanan mouse pilih “Update” untuk melanjutkan dan mengupdate data dari geometry ke mesh. Ini berlaku pada lainnya seperti mesh, setup, solution dan result. Hal ini kita lakukan setiap kita selesai mengatur dan memasukkan data yang kita inginkan. Gambar 4 Cara Meng-update Data. 6. Kemudian buka mesh untuk melakukan meshing. Pada mesh hal pertama yang kita lakukan adalah memberi batasan atau yang kita kenal “Boundary Condition” dengan memilih bagian mana yang ingin kita batasi kemudian klik kanan mouse pilih “Create Named Selection”. 7. Meshing pada Ansys dalam hal ini mengikuti meshing yang telah dikerjakan secara otomatis oleh ansys. Untuk kualitas meshing dapat diatur sesuai dengan yang kita inginkan. Untuk selanjutnya penjelasan mengenai pengaturan meshing dapat dipelajari pada tutorial ansys.

b. Setup dan Solution

1. Evaporator kemudian dianalisa dengan di dalam FLUENT . Buka fluent kemudian centang “Double Precision” dan pilih “Open”. 2. General - Check mesh. “General”  “Check” - Report quality. “General”  “Report Quality’ - Aktifkan transient untuk waktu. “General”  “Time”  “Transient” - Aktifkan gravitasi, kemudian isi -9.81 pada koordinat “Y”. Gambar 5 General. 3. Models - Analisa perubahan fasa. “Models”  “Multiphase”  “Edit” Gambar 6 Multiphase Model. a Pilih Mixture pada daftar Model. b Aktifkan Implicit Body Force pada daftar Body Force Formulation. c Pilih Ok untuk menutup kotak jendela Multiphase Model. - Aktifkan energy equation. “Models”  “Energy”  “Edit” Gambar 7 Energy. - Aktifkan viscous “Models”  “viscous”  “Edit” a Pilih k-epsilon 2 eqn. b Pilih Ok untuk menutup kotak jendela Viscous Model. Gambar 8 Viscous Model. 4. Materials - Copy water-liquid h2ol dari database. a Pilih FLUENT Database… untuk membuka kotak jendela FLUENT Database Materials. i. Pilih water-liquid h2ol dari FLUENT Database Materials. ii. Klik Copy dan tutup kotak jendela FLUENT Database Materials. b Ganti nama dan formula kimia material sesuai fluida kerja. c Masukkan 1023.475 kgm 3 untuk Density. d Masukkan 4001.45 jkg-K untuk Specific Heat. e Masukkan 0.6085 wm-K untuk Thermal Conductivity. f Masukkan 0.969 kgm-s untuk Viscosity. g Masukkan 58.5 untuk Molecular Weight. h Masukkan 0 jkgmol untuk Standart State Enthalpy. i Masukkan 298 untuk Reference Temperature. j Pilih ChangeCreate dan tutup kotak jendela CreateEdit Materials. Gambar 9 Membuat dan Merubah Material Fluida Kerja. - Copy water-vapor h2o dari database. a Pilih “FLUENT Database…” untuk membuka kotak jendela FLUENT Database Materials. i. Pilih water-vapor h2o dari FLUENT Database Materials. ii. Klik Copy dan tutup kotak jendela FLUENT Database Materials. b Pilih ChangeCreate dan tutup kotak jendela CreateEdit Materials. - Copy steel dari database. a Pilih FLUENT Database… untuk membuka kotak jendela FLUENT Database Materials. i. Pada daftar “Material Type” pilih solid. ii. Pilih steel dari FLUENT Database Materials. iii. Klik Copy dan tutup kotak jendela FLUENT Database Materials. b Ganti nama material. c Masukkan 8060 kgm 3 untuk Density. d Masukkan 530 jkg-K untuk Specific Heat. e Masukkan 17 wm-K untuk Thermal Conductivity. k Pilih ChangeCreate dan tutup kotak jendela CreateEdit Materials. Gambar 10 Membuat dan Merubah Material Stainless-steel. 5. Phases - Pilih primary phase “Phase”  “phase-2”  “Edit” Gambar 11 Mengatur Fasa-1. a Pilih brine dari daftar Phase Material. b Pilih ok untuk menutup kotak jendela Primary Phase. - Pilih secondary phase “Phase”  “phase-1”  “Edit” Gambar 12 Mengatur Fasa-2. a Pilih water-vapor dari daftar Phase Material. b Pilih ok untuk menutup kotak jendela Primary Phase. 6. Pilih Evaporation-Condensation Model “Phase”  “Interaction” Gambar 13 Mengatur Hubungan Fasa. a Klik Mass tab b Pilih phase-1 dari daftar From Phase. c Pilih phase-2 dari daftar To Phase. d Pilih evaporation-condensation dari daftar Mechanism dan klik “Edit…” untuk membuka kotak jendela Evaporation-Condensation.320,2271 K Gambar 14 Evaporation-condensation Model. e Klik ok untuk menutup kotak jendela Evaporation Condensation. c Klik ok untuk menutup kotak jendela Phase Interaction. 7. Cell Zone Conditions Karena sumber panas berasal dari pemanas yaitu 373.15 maka: “Cell Zone Conditions”  “heater”  “Edit” Gambar 15 Mengatur Sumber Energi. 8. Boundary Conditions Atur boundary conditions untuk pressure oulet. “Boundary Condition”  “press-out” Gambar 16 Pressure Outlet mixture. 9. Solution Method Atur parameter pada Solution Method. Gambar 17 Solution Method. 10. Solution Controls Gambar 18 Solution Controls. 1. Masukkan 0.5 untuk Pressure. 2. Masukkan 0.2 untuk Momentum. 3. Masukkan 0.5 untuk Volume Fraction. 11. Solution Initialization Memulai iterasi dengan menggunakan Hybrid Initialization. Gambar 19 Solution Initialization. Lalu tandai bagian fluida dari “Patch”. Bagian yang memiliki cairan seperti brine pada kolom “Zones to Patch” lalu pilih liquid pada kolom “Phase” kemudian klik Volume Fraction pada kolom “Variable” dan isi nilai 1 pada Value. Gambar 20 Patch Area brine. Dan pastikan pada area vapor tidak terdapat cairan. Dengan cara yang sama. Gambar 21 Patch Area vapor. 12. Run Calculation Tahap akhir jalankan kalkulasi data dengan variasi waktu yang kita inginkan. Gambar 22 Run Calculation. xiv DAFTAR PUSTAKA Al-Kharabsheh, A. and Goswami, D. Y., Theoretical analysis of a water desalination system using low grade solar heat, Journal of Solar Energy Engineering 126 2004 774-780. Ali MT, Fath HES, Armstrong PR. A comprehensive techno-economical review of indirect solar desalination. Renew Sustain Energy Rev 2011;15:4187- 99. Ambarita, Himsar. 2011. Perpindahan Panas Konveksi dan Pengantar Alat Penukar Kalor. Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU Bemporad, G. A., 1995, ‘‘Basic Hydrodynamic Aspects of a Solar Energy Based Desalination Process,’’ Desalination, 54, pp. 125–134. Cath TZ, Childress AE, Elimelech M. Forward osmosis: principles, applications and recent developments. J Membr Sci 2006;2811 –2:70–87. Cengel, Y.A. Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition. Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore Helal AM, Al-Malek SA. Design of a solar-assisted mechanical vapor compression MVC desalination unit for remote areas in the UAE. Desalination 2006;197:273 –300. Rane MV, Padiya YS. Heat pump operated freeze concentration system with tubular heat exchanger for seawater desalination. Energy Sustain Dev 2011;15:184 –91. Incropera, F. P., and DeWitt, D. P., 1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer edition, John Wiley Sons, New York. Lock, G. S. H., 1994, Latent Heat Transfer: An Introduction to Fundamentals, Oxford Science Publications, New York. Kalogirou S. Seawater desalination using renewable energy sources. Prog Energy Combust Sci 2005;31:242-81. Manjarrez R, Galvan M. Solar multi stage flash evaporation SMSF as a solar energy application on desalination processes. Description of one demonstration project. Desalination 1979;31:545 –54. xv Mamayev, O. I., 1975, Temperature-salinity Analysis of World Ocean Waters, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, pp. 72. Mezher T, Fath H, Abbas Z, Khaled A. Techno-economic assessment and environmental impacts of desalination technologies. Desalination 2011;266:263 –73. Parekh S, Farid MM, Selman JR, Al-Halaj S. Solar desalination with a humidification –dehumidification technique – a comprehensive technical review. Desalination 2004;160:167 –86. Qiblawey HM, Banat F. Solar thermal desalination technologies. Desalination 2008;220:633 –44. Qtaishat MR, Banat F. Desalination by solar powered membrane distillation systems. Desalination 2012;3082:186 –97. Rice W, DSC. Chau. Freeze distillation using hydraulic refrigerant compressors. Desalination 1997;109:157 –64. Roberts DA, Johnston EL, Knott NA. Impacts of desalination plant discharges on the marine environment:a critical review of published studies. Water Res 2010;44:5117-28. Rohsenow, W. M., Hartnett, J. P., and Ganic, E. N., 1985, Handbook of Heat Transfer, third edition, McGraw-Hill Book Company, New York, pp. 6.31 –6.41. Salcedo R, Antipova E, Boer D, Jimenez L, Guillen-Gosalbez G. Multi-objective optimization of solar Rankine cycles coupled with reverse osmosis desalination considering economic and lifecycle environmental concerns. Desalination 2012;286:358 –71. Sangi R. Performance evaluation of solar chimney powerplants in Iran. Renew Sustain Energy Rev 2012;16:704 –10. UN-Water. 2006. Coping With Water Scarcity : a Strategic Issue and Priority for System-Wide Action. Wu JW, Biggs MJ, Hu EJ. Thermodynamic analysis of an adsorption-based desalination cycle.Chem Eng Res Des 2010;88:1541 –7. 30

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Analisa evaporator dilakukan dengan menggunakan software Ansys fluent 15.0. Analisa simulasi evaporator dilakukan dengan menggunakan data-data seperti panas heat source yang berasal dari heater dengan temperature yang diberikan sebesar 373.15K dan asumsi-asumsi seperti tekanan dibawah satu atm yaitu tekanan vakum sebesar 10665.3452 Pa yang diberikan pada evaporator. Analisa dilakukan untuk memperhatikan parameter perubahan fasa volume fraction cair menjadi uap, penyebaran temperatur serta mengetahui aliran laju penguapan yang terjadi pada evaporator. Hasil analisa yang didapat akan dibandingkan dengan hasil pengujian. 3.1.Objek Penelitian Pengujian ini dilakukan pada objek penelitian yaitu evaporator dengan material stainless steel 304. Material evaporator mempunyai ukuran dengan bagian bawah berbentuk silinder dengan ukuran diameter 250 mm; tinggi 150 mm dan tebal 5 mm serta bagian atas berbentuk kerucut dengan ukuran diameter bawah 250 mm; diameter atas 12,7 mm dan tebal 3 mm yang disertai dengan heater yang memiliki ukuran diameter 50 mm dengan panjang 2400 mm. Gambar 3.1 Model Solidworks 3D Evaporator Tertutup. 31 Gambar 3.2 Model Solidworks 3D Evaporator Terbuka. 3.2.Waktu dan Tempat Simulasi evaporator dilakukan dengan menggunakan komputer yang berlokasi di Laboratorium Pusat Riset Sustainable Energy Gedung J20 Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 3.3.Peralatan yang Digunakan Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis evaporator adalah sebuah komputer dengan spesifikasi sebagai berikut : 1. Perangkat keras Hardware Dalam hal ini perangkat keras yang digunakan adalah komputer yang digunakan untuk melakukan simulasi fluent pada evaporator. a. Komputer Komputer yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: - Processor: Intel Core i5 - RAM: 8 GB - CPU : 3,40 GHz - System: Windows 7 64 – bit - VGA : NVIDIA GeForce GT 630 - Software : Ansys 15.0 32 Gambar 3.3 Komputer. 2. Perangkat lunak Software Perankat lunak software yang digunakan untuk melakukan simulasi fluent pada evaporator ada 2 jenis yaitu: a. SolidWorks 2010 Solidworks digunakan untuk mendesain model evaporator yang akan disimulasikan. Gambar 3.4 Software Solidworks 2010 b. Ansys 15.0 Gambar 3.5 Software Ansys 15.0 33 3.4.Diagram Alir Penelitian Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.4 Gambar 3.6 Diagram Alir Penelitian. Mulai Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian Studi Awal : Studi Literatur Pengumpulan Data : - Data Evaporator - Data Temperatur Pengolahan Data : Komputasi Data Bandingkan dengan data hasil pengujian Analisa Data Kesimpulan Selesai Tidak Ya 34 Keterangan diagram alir pada gambar 3.4 dijelaskan sebagai berikut :

3.4.1. Studi Literatur

Penulisan melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan-bahan penulisan seperti buku-buku, jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis pengerjaan penelitian dan simulasi. 3.4.2. Eksperimen dan Pengumpulan Data Pada tahap ini dilakukan eksperimen berdasarkan cara yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Eksperimen yang dilakukan merupakan prinsip evaporasi-kondensasi dimana fluida dipanaskan menggunakan pemanas listrik dengan tekanan diperkecil hingga tekanan vakum sehingga hal ini menyebabkan titik didih dari fluida bertambah rendah dan lebih cepat mendidih. Kemudian data yang diperlukan dari hasil eksperimen dicatat, yaitu : temperatur dinding luar evaporator dengan menggunakan agilent dan tekanan evaporator sebelum pemanasan dimulai dengan menggunakan vakum pressure. Data-data ini nantinya akan dimasukan dan kemudian dibandingkan hasilnya dengan proses simulasi program CFD.

3.4.3. Simulasi Secara CFD

Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing, menentukan kondisi batas, menginput data-data yang dibutuhkan seperti tekanan awal dan temperature pemanas, selanjutnya simulasi. Sofware yang digunakan adalan Solidworks 2010 dan Ansys 15.0.

3.4.4. Analisa Data

Hasil simulasi dicatat dan dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti data temperatur yang ditampilkan berupa grafik dan menghitung ralat.

3.4.5. Penarikan Kesimpulan

Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya. 35 3.5.Skema Pengujian Gambar 3.7 Skema Pengujian Desalinasi. Prinsip kerja skema pengujian, yaitu : 1. Panel control akan menyuplai dan mengatur besar tegangan listrik yang akan dialirkan ke heater dengan tegangan maksimum sebesar 220 V dan mengaturnya secara otomatis dengan data temperatur yang dibaca oleh termokopel. 2. Heater merupakan sumber panas yang akan menaikkan temperatur fluida kerja di dalam evaporator. 3. Termokopel digunakan untuk mengukur besarnya perubahan temperatur yang terjadi dalam evaporator dan mengirimkan data tersebut ke panel control dan agilent. 4. Agilent akan mencatat temperatur setiap menit dan data tersebut akan disimpan ke dalam USB. 5. Data perubahan temperatur kemudian ditampilkan di laptop untuk selanjutnya dapat digunakan untuk keperluan analisis. 36

BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan mengenai hasil simulasi analisa tiga dimensi pada evaporator. Analisa yang dilakukan pada evaporator meliputi analisa fasa volume fraction, penyebaran temperatur serta mengetahui aliran laju penguapan yang terjadi pada evaporator yang akan ditampilkan dalam bentuk kontur, disertai dengan grafik kenaikan temperature hasil simulasi dan parameter nilai yang dicapai serta aliran fluida di dalamnya. 4.1.Desain pada SolidWorks 2010 Evaporator didesain dengan Solidworks 2010 dalam tiga dimensi 3D. Desain tersebut dibuat berdasarkan data dari hasil perancangan evaporator. Evaporator dirancang atas tiga bagian yaitu evaporator bagian bawah berbentuk silinder dengan ukuran diameter 250 mm dan tinggi 150 mm, evaporator bagian atas berbentuk kerucut dengan ukuran diameter bawah 250 mm, diameter atas 12,7 mm dan tinggi 120 mm, serta heater dengan diameter 5 mm dan panjang 2,4 m. Kemudian di import ke dalam ansys geometry dan mengubah material bahan. Seperti bagian fluida kerja bahannya adalah fluida dan bagian heater adalah solid. Gambar 4.1 Model 3D Geometry Evaporator pada Ansys 15.0. 37 4.2.Kondisi Batas dan Meshing pada Ansys 15.0 Kondisi batas yang digunakan pada heater, fluida, dan dinding evaporator berbahan stainless steel 304 dari evaporator sehingga fasa cair dan fasa uap dengan kenaikan temparatur dapat dianalisa. Pada bagian sisi evaporator, kondisi batas yang diberikan adalah wall, untuk membatasi pergerakan cairan dan aliran uap pada evaporator. Untuk heater yang berada didalam evaporator kondisi batas yang diberikan adalah interface karena bersentuhan langsung dengan fluida kerja, dan sisi atas evaporator diberi kondisi batas sebagai pressure outlet. Setelah kondisi batas diberikan, pengaturan mesh pada evaporator di atur sesuai dengan kondisi awal. Pengaturan mesh secara jelas dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 4.2 Model 3D Mesh Evaporator pada Ansys 15.0. 4.3.Analisa Fluent pada Ansys 15.0 Setelah desain selesai dan kondisi batas diberikan pada Geometry Ansys 15.0 analisa evaporator dilanjutkan dengan analisa Fluent dengan memasukkan data-data awal perhitungan, baik sifat material maupun kondisi awal dari system untuk selanjutnya dikalkulasi dan dianalisa. Dengan asumsi-asumsi seperti panas berasal dari heater dengan temperatur yang diberikan sebesar 373.15 K, ketebalan evaporator diabaikan, tekanan dibawah 1 atm yaitu tekanan vakum sebesar 10665.3452 Pa yang diperoleh dari pengukur tekanan vakum hasil penelitian, suhu awal sistem 300 K, gravitasi sebesar 9.81 ms 2 . 38

4.3.1. Hasil Analisa pada Fluent Ansys 15.0

Setelah data diinput pada FLUENT analisa evaporator diiterasi hingga temperatur mencapai 323.15 K sehingga hasil analisa yang didapat sesuai dengan hasil penelitian. Hasil analisa perubahan fasa volume fraction cair menjadi uap, temperatur, dan aliran fluida pada evaporator yang disertai parameter yang dicapai akan ditampilkan pada gambar di bawah :

a. Analisa Kontur Fasa

Dari hasil analisa kontur, dapat diperhatikan bahwa pada gambar 4.5 dan 4.6, terjadi perubahan fasa cair menjadi uap. Gambar 4.3 Hasil Analisa Kontur Fasa cair Depan. Gambar 4.4 Hasil Analisa Kontur Fasa cair ISO. 39

b. Analisa Kontur Temperatur