simulasi distribusi temperatur pada suatu ruangan beratap genteng

perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA SUATU
RUANGAN BERATAP GENTENG BERBAHAN KOMPOSIT
PLASTIK-KARET MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
BENEDICTUS HENDY HANANTA PUTRA
NIM. I0410012
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2015
commit
to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Simulasi Distribusi Temperatur Pada Suatu Ruangan Beratap Genteng
Berbahan Komposit Plastik-Karet Menggunakan Ansys Fluent
Benedictus Hendy Hananta Putra
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perbandingan distribusi temperatur
ruangan yang beratap genteng dengan bahan komposit, tanah liat, dan asbes serta
untuk mendapatkan rekomendasi bahan genteng yang dapat diaplikasikan. Proses
simulasi untuk mendapatkan distribusi temperatur itu dengan software ANSYS
Fluent. Setiap tahap akan divariasi dengan kecepatan udara 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4
m/s, 5 m/s untuk setiap material genteng yang digunakan. Perpindahan panas yang
terjadi ada tiga yaitu radiasi, konveksi, dan konduksi. Dinding ruangan akan
menggunakan bahan bata, sedangkan atap divariasikan menggunakan tiga bahan
genteng berbeda. Hasil simulasi temperatur ruangan pada variasi kecepatan 1 m/s,
2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s dicapai oleh bahan tanah liat dengan temperatur
berturut-turut 305,98 K; 305,70 K; 304,61 K; 304,47 K; dan 304,32 K.
Berdasarkan ANSI/ASHRAE standard 55-2004 dari hasil dari simulasi tersebut
didapatkan distribusi temperatur terbaik menggunakan genteng berbahan
komposit plastik-karet. Genteng berbahan komposit juga direkomendasikan
sebagai genteng alternatif berdasarkan ANSI/ASHRAE standard 55-2004.
Kata kunci : perpindahan panas, genteng komposit, simulasi
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Simulation of Temperature Distribution in a Room Covered with PlasticRubber Composite Roof Tile With Ansys Fluent
Benedictus Hendy Hananta Putra
Mechanical Engineering Department
The Faculty of Engineering, Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstract
The objective of this research is to get a comparison of the distribution of the
room temperature by using three materials, namely plastic-rubber composite, clay,
asbestos, and also to get a recommendation tile materials that can be applied.
ANSYS Fluent was used for the temperature distribution simulation. Each stage
will be varied with the air speed of 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s for each tile
material used. There are three heat transfers in this simulation, namely radiation,
convection, and conduction. The operative temperature of the simulation results
on the variation speed of 1 m/s, 2 m/s, 3m/s, 4 m/s, 5 m/s has achieved by clay
material with successive temperature 305,98 K; 305,70 K; 304,61 K; 304,47 K;
dan 304,32 K. Based on the ANSI / ASHRAE Standard 55-2004, the results of the
simulation obtained that the best temperature distribution using tiles which made
from plastic-rubber composites. Composite tile is also recommended as an
alternative tile by ANSI / ASHRAE Standard 55-2004.
Keywords: heat transfer, composite roof tile, simulation
commit to user
iv
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah
memberikan berkat dan kesempatan sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan Skripsi dengan judul “Simulasi Distribusi Temperatur Pada Suatu
Ruangan Beratap Genteng Berbahan Komposit Plastik-Karet Menggunakan Ansys
Fluent ” ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
Berbagai pihak telah ikut berperan membantu penulis dalam menyelesaikan
Tugas Akhir ini dengan memberikan arahan dan bimbingan serta motivasi. Oleh
karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih kepada:
1. Bapak Heru Sukanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I yang tanpa lelah
memberikan bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini
2. Bapak Eko Prasetyo Budiana, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang dengan
sabar
memberikan
bimbingan
dan
arahan
sehingga
penulis
dapat
menyelesaikan Skripsi ini.
3. Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D, bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi.,
S.T., M.T., dan bapak Dr.Techn Suyitno, M.T selaku dosen penguji tugas
akhir saya yang telah memberikan saran yang membangun
4. Bapak Dr. Nurul Muhayat., S.T., M.T. selaku koordinator Tugas Akhir dan
bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi., S.T., M.T. selaku ketua jurusan Teknik Mesin
UNS.
5. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
6. Kedua orangtua, kakak, dan adik yang selalu memberikan doa, semangat, dan
dukungan selama penulis menyelesaikan tugas akhir.
7. Teman-teman teknik mesin angkatan 2010 yang telah mendukung dan
memberikan waktu berbagi cerita saat penulis menemui permasalahan.
8. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun
laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
commit to user
v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi
ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Mei 2015
Penulis
commit to user
vi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI
Halaman Judul...........................................................................................
i
Halaman Pengesahan.................................................................................
ii
Abstrak ....................................................................................................
iii
Kata Pengantar ........................................................................................
v
Daftar Isi ..................................................................................................
vii
Daftar Gambar...........................................................................................
ix
Daftar Tabel...............................................................................................
xi
Daftar Notasi ............................................................................................
xii
Daftar Rumus ............................................................................................
xiii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah .....................................................
1
1.2. Perumusan Masalah ............................................................
2
1.3. Batasan Masalah .................................................................
2
1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ..........................................
2
1.5. Sistematika Penulisan..........................................................
3
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................
4
2.2. Dasar Teori .........................................................................
6
2.2.1. Persamaan Kontinuitas .............................................
6
2.2.2. Persamaan Energi .....................................................
6
2.2.3. Persamaan Navier Stokes ........................................
7
2.2.4. Turbulence Models ...................................................
7
2.2.5. Perpindahan panas pada ruangan..............................
8
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Alat dan Bahan yang Digunakan ........................................
11
3.1.1. Alat ..........................................................................
11
3.1.2. Bahan .......................................................................
11
3.2. Garis Besar Penelitian ........................................................
12
3.3 Penentuan Domain commit
dan Kondisi
Batas .................................
to user
15
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
3.3.1. Penentuan Domain....................................................
15
3.3.2. Kondisi Batas...........................................................
15
3.4. Variasi Penelitian................................................................
15
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Set Up Kondisi Umum Simulasi .........................................
18
4.2.1. Turbulence Models ................................................
18
4.2.2. Radiation Models...................................................
18
4.2.3. Boundary Conditionss............................................
18
4.2. temperatur dan Vektor Kecepatan pada Ruangan ...............
19
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan..........................................................................
35
5.2. Saran....................................................................................
35
DAFTAR PUSTAKA
Lampiran
commit to user
viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kondisi batas pada temperatur sinusoidal .............................
5
Gambar 2.2 Distribusi temperatur berbagai macam nilai Ra.....................
5
Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konduksi ......................................
8
Gambar 2.4 Lapis batas pada perpindahan panas secara konveksi ...........
9
Gambar 3.1 Keseimbangan termal ruangan ..............................................
13
Gambar 3.2 Diagram alir penelitian..........................................................
14
Gambar 3.3 Domain ruangan ....................................................................
15
Gambar 3.4 Simulasi tahap pertama .........................................................
16
Gambar 4.1 Hasil meshing ........................................................................
17
Gambar 4.2 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 1 m/s pada
menit ke-30.............................................................................
21
Gambar 4.3 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 2 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
22
Gambar 4.4 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 3 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
23
Gambar 4.5 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 4 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
24
Gambar 4.6 Distribusi temperatur untuk kecepatan angin 5 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
25
Gambar 4.7 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 1 m/s pada
samping ruangan ..................................................................
26
Gambar 4.8 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 2 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
27
Gambar 4.9 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 3 m/s pada
menit ke-30 ..........................................................................
28
Gambar 4.10 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 4 m/s pada menit
ke-30 ....................................................................................
29
Gambar 4.11 Vektor kecepatan untuk kecepatan angin 5 m/s pada menit
ke-30 ....................................................................................
commit to user
ix
30
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Gambar 4.12 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu
pada ruangan beratap genteng komposit..............................
32
Gambar 4.13 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu
pada ruangan beratap genteng tanah liat ..............................
33
Gambar 4.13 Hubungan temperatur yang terbentuk dengan lama waktu
pada ruangan beratap genteng asbes ....................................
commit to user
x
34
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Properties genteng komposit ....................................................
11
Tabel 3.2 Thermodynamic properties of glass plate material... ...............
11
Tabel 3.3 Thermodynamic properties of glass plate material... ...............
12
Tabel 3.4 Nilai emisivitas bahan... ............................................................
12
Tabel 4.1 Tebal material yang digunakan .................................................
19
Tabel 4.2 Kondisi batas terowongan udara ..............................................
19
Tabel 4.3 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada
ruangan beratap genteng komposit...........................................
31
Tabel 4.4 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada
ruangan beratap genteng tanah liat...........................................
31
Tabel 4.5 Rata-rata temperatur pada ketinggian 1,1 m dari tanah pada
ruangan beratap genteng asbes .................................................
commit to user
xi
31
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR NOTASI
= luas [m2]
= panas spesifik [J/(kg.K)]
ℎ
= koefisien perpindahan panas konveksi [W/(m2.K)]
= koefisien perpindahan panas konduksi [W/(m.K)]
̇
= koefisien perpindahan panas radiasi [W/(m.K)]
̇
= laju energi panas secara konveksi [W]
= laju energi panas secara radiasi [W]
= Rayleigh number
= temperatur [K]
= waktu [s]
= massa jenis [kg/m3]
= viskositas dinamik [Pa.s]
commit to user
xii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR RUMUS
Rumus 2.1 Persamaan Kontinuitas............................................................
6
Rumus 2.2 Persamaan Energi....................................................................
6
Rumus 2.3 Persamaan Navier Stokes pada sumbu x.................................
7
Rumus 2.4 Persamaan Navier Stokes pada sumbu y.................................
7
Rumus 2.5 Persamaan Navier Stokes pada sumbu z.................................
7
Rumus 2.6 Persamaan pemodelan Turbulen .............................................
7
Rumus 2.7 Persamaan perpindahan panas secara konduksi......................
8
Rumus 2.8 Persamaan perpindahan panas secara konveksi ......................
9
Rumus 2.9 Persamaan perpindahan panas secara radiasi..........................
10
commit to user
xiii