STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR DENGAN METODE CFD

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR DENGAN METODE CFD Disusun Oleh : AGUS JAMALDI NIM : D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 MOTTO Barang siapa yang menghendaki kehidupan dunia maka wajib baginya memiliki ilmu, dan barang siapa yang menghendaki kehidupan Akherat, maka wajib baginya memiliki ilmu, dan barang siapa menghendaki keduanya maka wajib baginya memiliki ilmu (HR. Turmudzi) Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar (Umar bin Khathab) Belajarlah ketika orang lain tidur, bekerjalah ketika orang lain bermalasan, dan bermimpilah ketika orang lain berharap (William A. Ward) vi

7 KATA PENGANTAR Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat, hidayah serta inayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan benar sesuai dengan waktunya. Sholawat serta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, beserta keluarga, sahabat yang telah banyak memberikan tuntunan dan yang kita nanti syafa at-nya di yaumul akhir kelak. Penulisan tugas akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada yang terhormat : 1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo B. R, ST.,M.Sc.,Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sarjito, MT.,Ph.D selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing, mengarahkan, dan memberi petunjuk dalam penyusunan tugas akhir ini. vii

8 4. Bapak Marwan Effendy, ST.,MT.,Ph.D selaku dosen pendamping yang telah memberikan banyak arahan dan masukkan bagi penulis. 5. Bapak M. Alfatih Hendrawan, ST.,MT selaku Pembimbing Akademik. 6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik. 7. Ibu dan Bapak yang selalu memberikan dukungan yang tiada terhingga. 8. Teman-teman teknik mesin dan teman seperjuangan Rizki, Agung, Abdullah, Andrey, Eko, Rika, Ma arif, Sumarudin, Bayu yang selalu memberi motivasi bagi penulis. 9. Bapak Gatot Sugiyanto, dan Atik Kistari yang selalu memberi dukungan selama masa kuliah. Tim Asisten LPPITD dan Bayu Surya UMS yang telah memberi dukungan, dan pengalaman selama kuliah. 10. Berbagai pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Semoga semua bantuan yang sudah diberikan menjadi amal soleh dan mendapat balasan dari Allah SWT. Penulis menyadari dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak kekurangan, kritik dan saran yang bersifat membangun akan penulis terima dengan senang hati. Semoga tugas akhir ini bermanfaat khususnya bagi penulis dan umumnya bagi kita semua. Surakarta, Oktober 2016 Agus Jamaldi viii

9 STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR DENGAN METODE CFD Agus Jamaldi, Sarjito, Marwan Effendy Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura ajamaldi@yahoo.co.id Abstrak Penurunan temperatur di dalam cerobong evaporasi dapat diupayakan dengan menambahkan sistem semprotan air di dalam cerobong. Tulisan ini membahas penelitian secara simulasi untuk menyelidiki pengaruh dari konfigurasi nosel dan tingkat kelembaban terhadap profil kecepatan dan distribusi temperatur di dalam cerobong. Penelitian ini dilakukan melalui pendekatan simulasi dengan menerapkan k-ε turubulen model. Geometri cerobong dan nosel yang digunakan mengacu dari penelitian sebelumnya secara simulasi. Termasuk data yang didapat yang dipilih sebagai desain standar selama studi perbaikan mesh dan tahap validasi, selanjutnya dilakukan modifikasi pada konfigurasi nosel di dalam cerobong. Profil kecepatan dan distribusi temperatur diamati selama proses penelitian. Hasil penelitian menunjukkan bahwa validasi data konsisten dengan data simulasi sebelumnya. Konfigurasi dengan 8 nosel pada ketinggian 3.94 m dan 3 nosel pada ketinggian 3.5 m dari dasar cerobong, menghasilkan kondisi paling optimal pada penurunan temperatur dan kecepatan uap air di dalam cerobong evaporasi. Kata kunci : cerobong evaporasi, nosel, k-ε turubulen model. ix

10 Abstract The decrease of temperature in the evaporation chimney could be achieved by adding water spray system inside the chimney. This paper describes a simulation research in order to investigate the influence of the nozzle configuration and the level of humidity to the velocity profile and temperature distribution inside the chimney. This research was performed computationally by applying k-ε turbulence model. Geometry of chimney and nozzle used by other researcher in the previous simulation, including their finding data, were chosen as a standard design during mesh refinement study and validation stage, hereinafter was modified in terms of nozzle configurations inside the chimney. The profile of velocity and temperature were observed along the investigation. The results show that the validation data is consistent to the previous study. The configuration, with 8 nozzles at a height of 3.94 m and 4 nozzles at a height of 3.5 m from the base of the stack, produces an optimum level in terms of the decrease of temperature and the velocity of vapour. Key words : evaporation chimney, nozzle, k-ε turbulence model. x

11 DAFTAR ISI Halaman Judul... Pernyataan Keaslian Skripsi... Halaman Persetujuan... Halaman Pengesahan... Lembar Soal Tugas Akhir... Halaman Motto... Kata Pengantar... Abstrak... Daftar Isi... Daftar Gambar... Daftar Tabel... Daftar Simbol... i ii iii iv v vi vii ix xi xiii xv xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan Laporan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kajian Pustaka... 7 xi

12 2.2 Landasan Teori Computational Fluids Dynamics (CFD) Nosel k-epsilon turbulence models Droplet momentum transfer Droplet distribution models BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram alir penelitian Tahapan penelitian Pre-processing Boundary condition Solution BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Validasi data Validasi meshing Hasil dan pembahasan Studi efek konfigurasi nosel terhadap performa pendinginan Studi efek perbedaan tingkat RH terhadap performa pendinginan Analisis perhitungan BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA xii

13 LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi nosel tunggal... 8 Perbandingan profil kecepatan antara hasil simulasi dengan profil kecepatan dari Georges dan Buchlin... 8 Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi multi nosel Gambar 2.4 Distribusi temperatur pada bagian outlet dengan konfigurasi radius konstan Gambar 2.5 Distribusi temperatur pada bagian outlet dengan konfigurasi jarak konstan Gambar 2.6 Variasi temperatur keluar dan mass flow dengan konfigurasi nosel yang berbeda Gambar 2.7 Variasi rata-rata temperatur dan mass flow rate dengan susunan perbedaan jarak antar nosel Gambar 2.8 Konfigurasi nosel yang digunakan Gambar 2.9 Jumlah paper yang diterbitkan dari tahun yang menggunakan CFD untuk memprediksi performa pendinginan pada bagunan Gambar 2.10 Nosel PJ32 dan pola semprotan yang dihasilkan Gambar 2.11 Nosel TF6 dan pola semprotan yang dihasilkan Gambar 2.12 Gaya yang terjadi pada semprotan air Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Gambar 3.2 Geometri cerobong Gambar 3.3 Domain Gambar 3.4 Variasi tipe mesh Gambar 3.5 Variasi ketinggian letak nosel pada konfigurasi 4 nosel di atas dan 7 nosel di bawah Gambar 3.6 Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 6 nosel di atas dan 5 nosel di bawah xiii

14 Gambar 3.7 Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 8 nosel di atas dan 3 nosel di bawah Gambar 3.8 Konfigurasi nosel spiral Gambar 4.1 Validasi mesh Gambar 4.2 Ketinggian plane di dalam cerobong Gambar 4.3 Selisih ketinggian antar nosel Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 4 nosel di atas dan 7 nosel di bawah Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 6 nosel di atas dan 5 nosel di bawah Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 8 nosel di atas dan 3 nosel di bawah Distribusi temperatur pada perbandingan empat jenis konfigurasi nosel Distribusi kecepatan pada perbandingan empat jenis konfigurasi nosel Grafik distribusi temperatur pada perbedaan tingkat RH Gambar 4.10 Sistem aliran massa pada cerobong evaporasi xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Karakteristik tingkat kehalusan mesh Tabel 4.1 Validasi mesh pada penurunan temperatur di dalam cerobong Tabel 4.2 Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian Tabel 4.3 Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian Tabel 4.4 Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian Tabel 4.5 Hasil distribusi temperatur pada susunan nosel spiral Tabel 4.6 Distribusi temperatur pada empat konfigurasi nosel Tabel 4.7 Distribusi kecepatan pada empat konfigurasi nosel Tabel 4.8 Tekanan parsial untuk perhitungan RH Tabel 4.9 Hasil perhitungan perbedaan tingkat RH Tabel 4.10 Distribusi temperatur pada perbedaan tingkat RH xv

16 DAFTAR SIMBOL U vektor kecepatan (m/s) P tekanan (Pa) ρ massa jenis udara (kg/m 3 ) μ viskositas dinamik (Pa.s) T temperatur (K) t waktu (s) R konstanta gas (J/Kg.K) Cv Panas jenis (J/kg.K) t eddy viscosity (Pa.s) k energi kinetik turbulen (m 2 /s 2 ) ε energy kinetik turbulen yang terdisipasi (m 2 /s 3 ) ω frekuensi turbulen (s -1 ) vektor kecepatan semprotan (m/s) vektor kecepatan fluida sekitar (m/s) vektor gaya hambat (N) vektor gaya apung (N) vektor gaya gradien tekanan (N) vektor gaya tambahan massa (N) droplet drag coefficient droplet density (kg/m 3 ) d droplet diameter (m) vektor kecepatan slip (m/s) Re angka Reynolds Nu angka Nusselt L kalor laten penguapan air (kj/kg) C panas jenis air (J/kg.K) P sat tekanan uap jenuh air pada permukaan droplet (Pa) A, B dan C koefisien Antoine equation xvi

17 R(d) Rosin-Rammler distribution function d e diameter droplet (1/e atau 0.368) γ Rosin-Rammler power P(d) Nukiyama-Tanasawa distribution function c konstanta q Nukiyama-Tanasawa power D diameter silinder (m) Lo panjang/tinggi cerobong (m) d o θ p sat W m f diameter nosel (m) sudut semprot nosel (degree) tekanan uap jenuh (bar) humidity ratio (kg/kg) water vapour mass fraction ø i relative humidity of moist air at location i = 0, 1, 2 6 (%) R konstanta gas udara kering (287 J/kg.K) R w p atm p w p sat konstanta gas uap air (416.5 J/kg.K) tekanan atmosphere ( Pa) tekanan uap air (=ø.p sat ) (Pa, bar) tekanan jenuh air (Pa, bar) aliran massa uap air pada i = 0, 1, 2, 6 (kg/s) aliran massa udara kering (kg/s) aliran massa udara basah pada i = 0,1, 2, 6 (kg/s) humidity ratio pada i = 0, 1, 2, 6 (kg/kg udara kering) jumlah uap air antara lokasi i dan j (kg/s) kalor jenis air (kj/kg.k) aliran massa semprotan air (kg/s) temperatur semprotan air (K) temperatur udara basah pada i = 0, 1, 2, 6 (K) daya serap thermal antara i dan j (W, kw) panas jenis uap air (kj/kg.k) xvii

18 panas jenis udara (kj/kg.k) h Q r d s enthalpy udara basah (kj/kg) debit (m 3 /s) nozzle pitch circle radius (m) nozzle separation distance (m) xviii