## SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA DAPUR LEBUR
CRUCIBLE NON FERROUS BAHAN BAKAR LPG MENGGUNAKAN TEKNIK COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Rikki Manurung 1*, Mahadi 2 , Syahrul Abda 3 , Tugiman 4 , M. Syahril Gultom 5
1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

## Email: Rikkimanurung25@gmail.com

## Abstract
To do the aluminum smelting process on a small scale can be done using a melting furnace or a cruicible type furnace. this type of melting furnace usually uses fuel oil, charcoal or gas. The use of gas is intended to  get  cleaner  and  faster  smelting  results.  Addition  of  bulkhead  to  the  lid  of  the  melting  furnace  is intended to accelerate the smelting process. By using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method it is hoped that it can simulate the results of changes in temperature after the smelting process and can see the effect of adding bulkheads on the lid. In this study, the use of CFD simulations was carried out using the  Ansys  19.2  Student  Version  software.  For  the  process  of  making  geometry  using  Solidwork.  The process of meshing, setting up, and setting material has been done. Obtained by using the same amount of gas and the same melting time, the temperature of the melting kitchen using the bulkhead and blower is around  613ºC,  907ºC,  446ºC,  50ºC  for  the  cup  walls,  combustion  chamber,  inner  walls,  outer  walls. Whereas for variations without temperature insulation, it is obtained around 441ºC, 788ºC, 325ºC, 48ºC.
For percent of errors each measurement point is below  10% from the experimental test results. Based on this simulation study it can be concluded that the use of bulkhead on the lid of the furnace melts greatly to help  the  smelting  process.  The  study  also  recommends  using  a  better  type  of  Ansys  so  that  the  use  of meshing is not restricted.
Keywords: Temperature, Simulation, Computational, Cruicible, Furnance

## Abstrak
Untuk melakukan proses peleburan aluminium dalam skala kecil dapat dilakukan dengan menggunakan dapur lebur atau tungku jenis cruicible. Dapur lebur jenis ini biasanya menggunakan bahan bakar minyak , arang ataupun gas. Penggunaan bahan bakar gas dimaksud  untuk mendapat hasil peleburan yang lebih bersih  dan  cepat.  Penambahan  sekat  pada  tutup  dapur  lebur  dimaksudkan  untuk  mempercepat  proses peleburan.  Dengan  menggunakan  metode  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  diharapkan  dapat mensimulasikan  hasil  perubahan  temperatur  setelah  proses  peleburan  dan  dapat  melihat  pengaruh penambahan  sekat  pada  tutup.  .  Dalam  studi  ini  ,  penggunaan  simulasi  CFD  dilakukan  dengan menggunakan  software  Ansys  19.2  Student  Version  .  Untuk  proses  pembuatan  geometri  dilakukan menggunakan  Solidwork.  Proses  meshing,  set  up  ,  dan  material  setting  telah  dilakukan.  Didapatkan dengan penggunaan jumlah gas dan waktu peleburan yang sama didapatkan suhu dapur lebur yang
menggunakan sekat dan blower  adalah sekitar 613ºC, 907ºC, 446ºC, 50ºC untuk dinding cawan, ruang
bakar, dinding dalam, dinding luar.
Sedangkan untuk variasi tanpa sekat suhu yang didapat sekitar 441ºC, 788ºC, 325ºC, 48ºC. Untuk persen ralat  masing  masing  titik  pengukuran  semuanya  dibawah  10%  dari  hasil  pengujian  eksperimen.
Berdasarkan  studi  simulasi  ini  dapat  disimpulkan  penggunaan  sekat  pada  tutup  dapur  lebur  sangat membantu proses peleburan. Studi ini juga merekomendasikan penggunaan jenis Ansys yang lebih baik agar penggunaan meshing tidak dibatasi.
Kata kunci : Temperatur, Simulasi, Komputasil, kruisible, Dapur lebur

## 1. Pendahuluan
Dalam   pengecoran  logam  tahapan  peleburan untuk mendapatkan logam cair pasti akan dilakukan dengan menggunakan suatu tungku peleburan dimana material bahan baku dan jenis tungku  yang  digunakan  harus  disesuaikan  dengan  material  yang  akan  dilebur[1].  Dalam peleburan jenis  cruisible  menggunakan  bahan  bakar LPG yang diharapkan lebih ekonomis dibandingkan  penggunaan  briket  atau  arang.    Penambahan  sekat  juga  dimaksud  untuk mempercepat proses peleburan.
Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  secara  harafiah  terbagi  pada  tiga  suku  kata  yaitu “computational”,  “fluid”  dan  “dynamics”.  Ditinjau  dari  ketiga  kata  tersebut  CFD  memiliki pengertian  yaitu  suatu  metode  untuk  mengkaji  fenomena  pergerakan  fluida  yang  dianalisis secara  komputasi.  Secara  definisi  CFD  merupakan  suatu  analisis  sistem  yang  meliputi  aliran fluida,  pindah  panas  dan  fenomena  lain  seperti  reaksi  kimia  yang  menggunakan  simulasi berbasisi  komputer[9].  Hal  yang  paling  mendasar  mengapa  konsep  CFD  banyak  sekali digunakan  dalam  dunia  industri  adalah  dengan  CFD  dapat  dilakukan  analisa  terhadap  suatu sistem  dengan  mengurangi  biaya  eksperimen  dan  tentunya  waktu  yang  panjang  dalam melakukan eksperimen.
Tujuan  dilakukannya  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  penambahan  sekat pada tutup dapur lebur melalui simulasi  dan membandingkan hasil tersebut dengan hasil yang didapat melalui pengujian eksperimen.

## 1. Metode
Penelitian  dilakukan  di  Laboratorium  Foundry  ,Departemen  Teknik  Mesin,  Universitas Sumatera  Utara.  Objek  penelitian  adalah  Dapur  Lebur  berbahan  bakar  gas  LPG  dengan kapasitas maksimum 3kg.
Gambar 2.1 Dapur Lebur berbahan bakar LPG

## 2.1 Metode Numerik
Proses  peleburan  yang  dilakukan  di  dapur  peleburan  dilakukan  melalui simulasi.material  yang  dipakai  untuk  dinding  dalam  adalah  semen  tahan  api  (refractory)  jenis
C16.  Untuk  bahan  dinding  luar  digunakan  material  baja.  Api  yang  dihasilkan  dimodelkan melalui  simulasi  non  premixed  combustion  .  Simulasi  dalam  kondisi  transient    dan  gaya gravitasi ditambahkan dalam simulasi secara vertikal
1. Konservasi Massa [10]
( ) 0 =   +   i i u x t   (1)
Dimana i x , 3 , 2 , 1 = i menunjuk ke sumbu z y x , , berturut-turut.

## 2. Konservasi Momentum, dan
( ) ( ) j i j j i i x x p x u u t u   +   − =   +     f x u x u x u k k ij i j j i     +           −           +   3 2 Dimana 3 , 2 , 1 , , = k j i mengarah ke sumbu z y x , , secara berturut-turut.
3. Konservasi Energi
( ) ( ) i i x x cT t cT   =   +      + +   −         q x u p x T k i i i  
Dimana i, j, k =  1,2,3  sebagai  sumbu x, y, z.

## 2.2  Skema Eksperimental
Gambar 2. 2 Titik Pengujian Temperatur Akhir
Pengujian  eksperimental  dilakukan  dengan  dengan  menggunakan  data  akusisi  dan  kabel termokopel  yang  dihubungkan  ke  komputer  untuk  membaca  temperatur  pada  titik  pengujian. Pengujian dilakukan dengan dengan penggunaan bahan bakar yang sama .Penggunaan blower ditambahkan untuk memasok udara ke dalam ruang bakar

## 3.Kondisi Batas
Simulasi  dilakukan  dengan  waktu  18  menit  .  Penggunaan  gas  dimasukkan  sebesar o,ooo37kg/s  dan  tekanan  minimum  dari  regulator  100000Pa.  Untuk  inlet  blower  hanya dimasukkan velocity inlet sebesar 10m/s.

## Gambar 3.1  Setting Material C-16

## 3.1 Hasil Simulasi
Simulasi  dilakukan  menggunakan  Ansys  19.2.  Simulasi  menunjukkan  penggunaan  sekat pada  tutup  mengakibatkan  proses  peleburan  yang  lebih  cepat.  Hal  ini  terlihat  dari  kontur temperatur di beberapa titik yang lebih tinggi temperaturnya dengan waktu simulasi yang sama. Simulasi dilakuakan dengan 3 variasi:
- Variasi 1 simulasi dapur lebur dengan sekat dan blower
- Variasi 2 simulasi dapur lebur dengan blower dan tanpa sekat
- Variasi 3 simulasi dapur lebur dengan sekat tanpa blower
Gambar 3.2 Pengukuran Temperatur pada Plot Kontur
Gambar 3.3 Pengukuran Temperatur  Tanpa Sekat

## Gambar 3.4 Pengukuran Temperatur Tanpa Blower
4. Kesimpulan
Dari simulasi didapatkan temperatur akhir pada dapur lebur sebagai berikut
Simulasi  menunjukkan  bahwa  hasil  simulasi  tidak  jauh  berbeda  dari  hasil  pengujian eksperimen. Diapatkan bahwa penggunaan sekat dan blower jauh lebih menguntungkan karena dengan  waktu  yang  sama  temperatur  pada  titik  pengujian  variasi  1  jauh  lebih  besar  daripada variasi lainnya

## Referensi
[1] Groover, Mikell P. 1976.  Fundamentals of Modern Manufacturing Fourth Edition. Jhon Wiley and Sons Inc.
[9] Versteeg,  H.K.  and  Malalasekera,  W.  1995.  An  Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics. London. Longman Group Limited
[10] Ambarita, Himsar. 2010. Persamaan Pembentuk Aliran. Teknik Mesin USU.
Cawan Ruang Bakar Dinding Dalam Dinding Luar Pengujian Eksperimen Variasi 1 630,7343  826,4412  490,1975 54,0479 Pengujian Simulasi Variasi 1 613,589 907,77 446,991 50,21

## Pengujian Eksperimen Variasi
2 480 778,0496  329,145 49,512 Pengujian Simulasi Variasi 2 441,25 788,67 325,106 48,15 Pengujian Simulasi Variasi 3 416,585 641,108 255,176 41,431