SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT

Transkripsi

1 SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT SKRIPSI Ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: CAHYO FAJAR BUDI ANRANTO NIM. I PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

2 KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS SEBELAS MARET. FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI 51 TEKNIK MESIN Jl lr Sutami No. 36A Kentingan Surakarta Telp web: mesin^ft.uns.ac.id SURAT TUGAS PEMBTMBTNG DAN PENGUJI TUGAS AKHTR PROGRAM SARJANA TEKNTK MESTN UNS Program Studi :5l Teknik Mesin Nomor : O7 A2ffNSLllOlZOLG Nama NIM Bidang Pembimbing 1 Pembimbing 2 Penguji :CAHYO FAJAR BUDI ANRANTO :1O412O14 :Konversi Energi :lndri Yaningsih, S.T.,M.T/ OO4 :AGUNG TRI WUAYANTA, M.Eng., Ph. D./ : 1. Dr. BUDI KRISTIAWAN, ST., MT./ 1971O O3I.OO1 2. DR. ENG. SYAMSUL HAD, S.T., M.T./ t OO2 3. R. LULUS LAMBANG, st,mt/ L Mata Kuliah Pendukung L.Aero dan Hidro Dlnamika(MSO6O33-15) 2.CFD (Computational Fluid DynamicsXMSO6OT3-15) 3. Penukar Kalor(MSO l JudulTugas Akhir "SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT" Tembusan: 1.. Mahasiswa ybs. 2. Dosen Pembimbing TA ybs. 3. Koordinator TA. 4. Arsip. EI4E@ HalIdari Lhal.

3 SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT Disusun Oleh CAHYO FAJAR BUD ANRANTO NIM :1O Dosen Pembimbing 1 Dosen bimbing 2 lndri Yaningsih, S.T,,M.T N r P ,42AL2L22AO4 AGUNG TRI A, M.Eng., Ph.D. NrP Telah dipertahankan di depan Tim Dosen Penguji pada tanggal 21-O3-2O 1O:OO:OO, bertempat di M.LO2, Gd.l FT-UlrlS. 1. Dr. BUDI KRISTIAWAN,5T., MT r_ DR. ENG. SYAMSUL HADI, 5.T., M.T R. LULUS LAMBANG, ST,MT Koordinator Tugas Akh NlP LOO2 NtP.

4 HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan bahwa sesungguhnya dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal-hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia derajat kesarjanaan saya dicabut. Surakarta, Februari 2017 Cahyo Fajar Budi Anranto iv

5 HALAMAN MOTTO Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. (QS. Al-Insyirah: 6) Keistimewaan dari sebuah kehidupan adalah menjadi dirimu sendiri. (Joseph Campbell) Yang membuatku terus berkembang adalah tujuan-tujuan hidupku. (Muhammad Ali) Satu-satunya sumber pengetahuan adalah pengalaman. (Albert Einstein) Lakukan yang terbaik yang bisa Anda lakukan. (Cahyo Fajar Budi Anranto) Ketika orang pintar dikalahkan oleh orang yang beruntung, maka orang yang beruntung akan dikalahkan oleh orang yang selalu berusaha keras, berdoa dan mampu beradaptasi dengan segala kondisi. (Cahyo Fajar Budi Anranto) Sejauh mana engkau pergi, keluarga selalu setia menunggumu kembali. (Cahyo Fajar Budi Anranto) v

6 HALAMAN PERSEMBAHAN Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat dan karunia yang diberikan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Dengan mengucapkan rasa syukur kepada Allah SWT, karya ini saya persembahkan kepada: Ibuku tersayang Kasmi yang selalu mendoakan untuk kebaikan anak-anaknya, serta kasih sayang yang sangat dalam untuk kami semua Bapakku tersayang Suranto yang selalu bekerja keras untuk memenuhi kebutuhan keluarga, serta mendidik anak-anaknya supaya menjadi pribadi yang mandiri dan bermanfaat bagi lingkungan sekitar Kedua kakakku yang selalu saya sayangi Andra dan Suci, yang membuat hidupku tidak pernah sepi Serta semua keluarga besar yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu Ibu Indri Yaningsih dan Bapak Agung Tri Wijayanta, yang selalu memberikan bimbingan dan ilmu kepada saya yang InsyaAllah akan berguna di masa depan Semua sahabatku di Teknik Mesin UNS terutama angkatan 2012 (CAMRO): Abdollah, Agil, Agung, Aldi, Alfi, Apri, Bayu, Bagus, Bima, Dandy, Dharma, Fachri, Faishal, Frans, Guntur, Tommy, Baim, Ivan, Olif, Lasikun, Rizqi, Mahfudz, Asfar, Andy, Mirsa, Oky, Ditya, Afit, Rama, Rezha, Ridwan, Ifa, Syarif, Alam, Vidi, Wachid, Wahyu, Bilal, Zulfi yang telah berjuang bersama mulai dari Injeksi hingga sekarang yang akan selalu saya rindukan Ucapan terima kasih saya berikan kepada Aprivianto yang telah banyak membantu saya dalam proses simulasi tugas akhir saya Sahabat terdekat Chamelia yang selalu memberikan dukungan dan semangat kepada saya dalam segala hal vi

7 SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT Cahyo Fajar Budi Anranto Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia cahyofajar@student.uns.ac.id Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh sisipan louvered strip terhadap peningkatan perpindahan panas dan pola aliran pada penukar kalor pipa konsentrik. Penukar kalor memiliki dimensi panjang 2110 mm, diameter dalam dan luar pipa dalam 14,3 mm dan 15,8 mm serta diameter dalam dan luar pipa luar 23,4 mm dan 25,4 mm. Louvered strip berbentuk oval dengan panjang 10 mm, lebar 6 mm dan tebal 1 mm yang menempel pada pipa pejal dengan diameter 2 mm. Louvered strip disusun secara backward dengan variasi sudut kemiringan α = 15, 20 dan 25. Proses simulasi menggunakan software ANSYS Fluent dengan model turbulensi RNG k-ε. Model turbulensi RNG k-ε dipilih karena sesuai untuk pemodelan aliran yang berputar dengan bilangan Reynolds yang tidak terlalu tinggi. Fluida yang digunakan adalah air (incompressible) dengan mengabaikan pengaruh gravitasi serta diasumsikan dalam kondisi tunak. Penambahan louvered strip menyebabkan aliran fluida terganggu sehingga pola aliran yang terbentuk semakin turbulen. Semakin tinggi turbulensi menyebabkan perpindahan panas semakin meningkat. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan perpindahan panas paling tinggi pada sudut kemiringan α = 25 dengan nilai bilangan Nusselt sebesar 340,95. Kata kunci: Simulasi, louvered strip, ANSYS Fluent, perpindahan panas dan pola aliran vii

8 NUMERICAL SIMULATION THE EFFECT OF SLANT ANGLE TOWARD HEAT TRANSFER ENHANCEMENT ON CONCENTRIC TUBE HEAT EXCHANGER WITH LOUVERED STRIP INSERT Cahyo Fajar Budi Anranto Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia cahyofajar@student.uns.ac.id Abstract The research aims to know the influence of louvered strip insert for heat transfer enhancement and flow pattern on concentric tube heat exchanger. The heat exchanger is 2110 mm length, inside and outside diameter of inner tube are 14.3 mm and 15.8 mm, inside and outside of outer tube are 23.4 mm and 25.4 mm. Louvered strip is oval with 10 mm length, 6 mm width and 1 mm thick that stick on solid pipe with 2 mm of diameter. Louvered strip arranged in backward with variation of slant angle α = 15, 20 and 25. Simulation processes use ANSYS Fluent with RNG k-ε turbulence model. RNG k-ε turbulence model is selected because suitable for swirling flow modeling with low Reynolds number. The fluid is water (incompressible) with gravity effect neglected and steady state condition determined. Louvered strip insert generate the fluid flow disturbed and the flow become more turbulent. More higher turbulent flow will cause increasing heat transfer. The simulation results show that the best heat transfer enhancement occurs in slant angle α = 25 with Nusselt number value is 340,95. Keywords: Simulation, louvered strip, ANSYS Fluent, heat transfer and flow pattern viii

9 KATA PENGANTAR Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat limpahan rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan laporan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret. Dalam proses penyelesaian skripsi ini tentu saja terdapat bantuan dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu dan Ayah penulis yang selalu memberikan doa dan nasehat sehingga penulis bisa menjadi seperti sekarang. 2. Bapak D. Danardono Dwi Prija T., S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing akademis yang selalu memberikan pengarahan selama menjalani perkuliahan di Teknik Mesin UNS. 3. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing I yang selalu memberikan ilmu pengetahuan tentang bagaimana penyusunan skripsi yang baik. 4. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing II yang selalu memberikan ilmu pengetahuan tentang bagaimana melakukan penelitian simulasi dengan baik. 5. Bapak Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T., Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. dan Bapak R. Lulus Lambang, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran yang membangun untuk skripsi ini. 6. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin UNS yang telah memberikan ilmu dan motivasi selama menjalani masa perkuliahan. 7. Sahabat Tugas Akhir Simulasi Perpindahan Panas: Agung, Aldi, Apri, Dandy, Frans dan Wahyu yang telah berjuang bersama dari awal hingga selesainya Tugas Akhir. 8. Seluruh sahabat Teknik Mesin UNS 2012 (CAMRO) yang selalu memberikan motivasi dan doa kepada penulis untuk segera menyelesaikan masa studi. ix

10 9. Semua sahabat Teknik Mesin UNS yang selalu menemani di masa perkuliahan. 10. Seluruh pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Penulis berharap semoga skripsi ini mampu memberikan manfaat, wawasan dan inspirasi bagi siapa saja yang membacanya. Namun penulis juga menyadari bahwa masih terdapat kekurangan didalam skripsi ini, sehingga penulis juga mengharapkan kritik dan saran yang membangun supaya karya tulis berikutnya dapat lebih baik lagi. Surakarta, Februari 2017 Penulis x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN... iv HALAMAN MOTTO... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR PERSAMAAN... xiv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penulisan Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Penukar Kalor Louvered Strip Insert Aliran Dalam Pipa Rumus Perhitungan Data dan Validasi Plain Tube Computational Fluid Dynamics (CFD) Proses Simulasi pada Fluent BAB III METODOLOGI PENELITIAN Pelaksanaan Penelitian Alat dan Instrumentasi Penelitian Komputer Software ANSYS 15.0 Fluent Variasi Penelitian Diagram Alir Penelitian Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Simulasi Penukar Kalor Tanpa Sisipan (Plain Tube) Simulasi Penukar Kalor Dengan Penambahan Sisipan Metode Analisis Data xi

12 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Validasi Penelitian Hasil dan Analisa Data Simulasi Pola Aliran Kontur Aliran Karakteristik Perpindahan Panas Karakteristik Faktor Gesekan Daya Pemompaan BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Penukar kalor aliran searah (parallel-flow)...9 Gambar 2.2 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran searah...9 Gambar 2.3 Penukar kalor aliran berlawanan arah (counter-flow)...10 Gambar 2.4 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran berlawanan arah...10 Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik...11 Gambar 2.6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik...11 Gambar 2.7 Nomenklatur louvered strip insert...12 Gambar 2.8 Bentuk-bentuk dasar meshing...16 Gambar 2.9 Metode pressure based...18 Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS 15.0 Fluent...21 Gambar 3.2 Skema pemasangan louvered strip insert susunan backward...22 Gambar 3.3 Diagram alir penelitian...23 Gambar 4.1 Grafik validasi bilangan Nusselt pada plain tube...27 Gambar 4.2 Grafik validasi faktor gesekan pada plain tube...28 Gambar 4.3 Validasi pemodelan dengan dua metode meshing yang berbeda...29 Gambar 4.4 Posisi pengambilan data...30 Gambar 4.5 Pola aliran fluida panas pada bilangan Reynolds Gambar 4.6 Pola aliran di suatu titik pada bilangan Reynolds Gambar 4.7 Kontur kecepatan di suatu titik pada bilangan Reynolds Gambar 4.8 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt...34 Gambar 4.9 Kontur suhu pada bilangan Reynolds Gambar 4.10 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesekan...36 Gambar 4.11 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan penurunan tekanan...37 Gambar 4.12 Kontur tekanan pada bilangan Reynolds Gambar 4.13 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan daya pemompaan...39 xiii

14 DAFTAR PERSAMAAN Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds...12 Persamaan (2.2) Aliran laminar...13 Persamaan (2.3) Aliran transisi...13 Persamaan (2.4) Aliran turbulen...13 Persamaan (2.5) Laju perpindahan panas di pipa dalam...13 Persamaan (2.6) Laju perpindahan panas di sisi annulus...13 Persamaan (2.7) Persentase kesalahan keseimbangan energi...13 Persamaan (2.8) Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan luas permukaan dalam pipa dalam...13 Persamaan (2.9) Nilai beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD)...13 Persamaan (2.10) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus...13 Persamaan (2.11) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi pipa dalam...14 Persamaan (2.12) Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam...14 Persamaan (2.13) Faktor gesekan di pipa dalam...14 Persamaan (2.14) Daya pemompaan...14 Persamaan (2.15) Persamaan Petukhov...14 Persamaan (2.16) Nilai f pada persamaan (2.15)...14 Persamaan (2.17) Persamaan Blasius...14 Persamaan (2.18) Persamaan konservasi massa...15 Persamaan (2.19) Persamaan konservasi momentum...15 Persamaan (2.20) Persamaan konservasi momentum...15 Persamaan (2.21) Persamaan konservasi momentum...15 Persamaan (2.22) Persamaan konservasi energi...15 Persamaan (2.23) Persamaan model turbulensi k-ε RNG...15 Persamaan (2.24) Persamaan model turbulensi k-ε RNG...15 xiv