perbandingan diameter dan temperatur tetesan metanol

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)


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.


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


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


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


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)


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


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


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


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 dan temperatur tetesan metanol

Documents