SIMULASI PENGARUH KEMIRINGAN BAFFLES TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS DAN EFEKTIVITAS PADA ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE MENGGUNAKAN SOLIDWORKS SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : DANNY HARNANTO NIM. I1410012 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015
MOTTO DAN PERSEMBAHAN Motto Never give up, fix mistakes, and keep stepping Every expert started from a begineer Persembahan Tugas Akhir ini saya persembahkan kepada: Keluarga dan teman-teman
ABSTRAK DANNY HARNANTO, COMPUTATION FLUID DYNAMIC, SIMULASI PENGARUH KEMIRINGAN BAFFLES TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS DAN EFEKTIVITAS PADA ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE MENGGUNAKAN SOLIDWORKS. Penelitian kemiringan baffles dengan variasi bilangan Reynolds bertujuan untuk mengetahui pengaruh turbulensi terhadap koefisien perpindahan panas dan efektivitas. Simulasi alat penukar kalor menggunakan Solidworks. Penelitian dilakukan dengan variasi kemiringan baffles 0, 10, 20, 30. Variasi bilangan Reynolds pada saluran masuk shell yaitu 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 dan 6000. Simulasi yang didapatkan berupa visualisasi aliran kecepatan dan distribusi temperatur. Hasil penelitian menunjukkan koefisien perpindahan panas maksimal terdapat pada kemiringan baffles 30 0 dengan variasi bilangan Reynolds terbesar yaitu 6000 dengan nilai 229.80 W. Efektivitas maksimal diperoleh pada kemiringan baffles 0 dengan variasi bilangan Reynolds 6000 sebesar 0.0391. Simulasi penelitian ini mampu memberikan desain pembuatan untuk penukar kalor. Kata kunci: penukar kalor, efektivitas, kemiringan baffles, bilangan Reynolds
ABSTRACT DANNY HARNANTO, COMPUTATION FLUID DYNAMIC, SIMULATION THE EFFECT OF BAFFLES INCLINATION FOR COEFFICIENT HEAT TRANSFER AND EFFECTIVENESS IN HEAT EXCHANGER TYPE OF SHELL AND TUBE USING SOLIDWORKS. The research inclination baffles with variations Reynolds number turbulence has purposed to determine the effect of the heat transfer coefficient and effectiveness. Simulation of a heat exchanger using Solidworks. The research was conducted with the variation inclination of baffles 0, 10, 20, 30. Variations Reynolds number at the inlet shell are 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 and 6000. The simulations obtained in the form of flow visualization velocity and temperature distribution. The results showed there is a maximum heat transfer coefficient of inclination baffles 30 o with the largest variation Reynolds number is 6000 with a value of 229.80 W. maximum effectiveness obtained at baffles inclination 0 with variations baffles Reynolds number of 6000 amounted to 0.0391. The simulation of this research was able to provide for the manufacture of heat exchanger design. Keywords: heat exchanger, effectiveness, baffles inclination, Reynolds number
KATA PENGANTAR Puji dan syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang senantiasa melimpahkan rahmat, hidayah serta kekuatan kepada Penulis, sehingga Penulis dapat melaksanakan penelitian dan menyelesaikan laporan Tugas Akhir dengan judul, SIMULASI PENGARUH KEMIRINGAN BAFFLES TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS DAN EFEKTIVITAS PADA ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE MENGGUNAKAN SOLIDWORKS, sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak yang sangat berarti demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Oleh sebab tersebut pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih sedalam dalamnya kepada : 1. Didik Djoko Susilo, S.T.,M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS. 2. Bapak Eko Prasetya Budiana, ST.,MT., selaku Pembimbing I tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, kesabaran, motivasi dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 3. Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T.,M.Kom, selaku Pembimbing II tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, kesabaran dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 4. Bapak Tri Istanto, ST.,MT, selaku Pembimbing Akademik. 5. Bapak bapak dosen dan staf karyawan di lingkungan Teknik Mesin UNS, atas didikan, nasehat, ilmu yang diajarkan dan kerjasamanya. 6. Ayah, Ibu dan adik yang selalu memberikan dorongan semangat dan doa kepada Penulis terima kasih untuk kasih sayangnya. 7. Teman teman Teknik Mesin transfer angkatan 2010 dan teman teman Teknik Mesin UNS. 8. Seluruh pihak yang telah membantu Penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
Dengan segenap bantuan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis semoga akan mendapat limpahan berkah dari Allah SWT. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum dapat dikatakan sempurna, untuk itu dengan sangat dan rendah hati penulis menerima kritikan maupun saran yang membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir tersebut. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Surakarta, 19 Maret 2015 Penulis
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN.. ii MOTTO DAN PERSEMBAHAN.. iii ABSTRAK. iv ABSTRACT. v KATA PENGANTAR vi DAFTAR ISI.. viii DAFTAR GAMBAR. x DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang Masalah... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Tujuan Penelitian... 3 1.5 Manfaat Penelitian... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 5 2.1 Tinjauan Pustaka... 5 2.2 Dasar Teori.... 12 2.2.1 Dasar Perpindahan Panas... 12 2.2.2 Kecepatan Rata-Rata.. 12 2.2.3 Temperatur... 12 2.2.4 Perpindahan Panas Penukar Kalor... 13 2.2.5 Baffle.. 16 BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN... 17 3.1 Alat dan Bahan... 17 3.1.1. Alat Penelitian... 17 3.1.2. Bahan Penelitian... 17 3.2 Alur Pengerjaan Simulasi CFD... 17
3.3 Pemodelan... 17 3.4 Flow Simulation... 18 3.5 Kondisi Batas... 19 3.6 Model Turbulensi... 20 3.7 Meshing... 20 3.8 Pelaksanaan Penelitian... 22 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 24 4.1 Validasi Program... 24 4.2 Pengaruh Temperatur Pada Kemiringan Baffles 0 0... 26 4.3 Pengaruh Temperatur Pada Kemiringan Baffles... 29 4.4 Pengaruh Kecepatan Pada Kemiringan Baffles 0 0... 31 4.5 Pengaruh Kecepatan Pada Kemiringan Baffles... 32 4.6 Analisa Nilai Perpindahan Panas... 34 4.7 Analisa Nilai Koefisien Perpindahan panas... 36 4.8 Analisa Nilai Efektivitas... 38 BAB V PENUTUP... 40 5.1 Kesimpulan... 40 5.2 Saran... 40 DAFTAR PUSTAKA... 41 LAMPIRAN... 42
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Visualisasi kecepatan dengan 6 baffles... 5 Gambar 2.2 Visualisasi kecepatan dengan baffles Cut 36%... 6 Gambar 2.3 Temperatur keluar dengan variasi kemiringan baffles... 6 Gambar 2.4 Kontur temperatur pada kemiringan baffles 20 o... 8 Gambar 2.5 Alat penukar kalor U-Tube... 8 Gambar 2.6 Kontur temperatur pada kemiringan baffles 20 o... 9 Gambar 2.7 Grafik temperatur air di shell... 8 Gambar 2.8 Grafik hubungan waktu dengan perpindahan panas... 11 Gambar 2.9 Temperatur aktual dan temperatur rata-rata... 13 Gambar 2.10 Penukar kalor aliran searah... 14 Gambar 2.11 Penukar kalor aliran berlawanan... 14 Gambar 2.12 Baffles cut dan tipe baffles... 16 Gambar 3.1 Alur simulasi... 17 Gambar 3.2 Model penukar kalor shell and tube... 18 Gambar 3.3 Volume control... 19 Gambar 3.4 Kondisi batas domain komputasi... 20 Gambar 3.5 Meshing domain komputasi... 22 Gambar 3.6 Diagram alir penelitian... 23 Gambar 4.1 Aliran kecepatan pada laju aliran massa 0.5 kg/s... 25 Gambar 4.2 Kontur temperatur terhadap temiringan baffles 0 o... 28 Gambar 4.3 Kontur temperatur pada reynolds 6000... 29 Gambar 4.4 Kontur kecepatan pada kemiringan baffles 0 o... 32 Gambar 4.5 Kontur kecepatan terhadap reynolds 6000... 33 Gambar 4.6 Grafik perpindahan panas... 35 Gambar 4.7 Grafik koefisien perpindahan panas... 37 Gambar 4.8 Grafik efektivitas... 39
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Geometri alat penukar kalor... 5 Tabel 2.2 Hasil variasi kemiringan baffles... 7 Tabel 2.3 Data hasil simulasi... 7 Tabel 2.4 Geometri alat penukar kalor tipe U-tube... 8 Tabel 2.5 Data hasil perpindahan panas... 10 Tabel 2.6 Data hasil pengujian... 10 Tabel 3.1 Geometri alat penukar kalor... 18 Tabel 4.1 Geometri alat penukar kalor... 24 Tabel 4.2 Validasi hasil simulasi... 25 Tabel 4.3 Sifat fluida... 25 Tabel 4.4 Nilai temperatur terhadap Reynolds 6000... 30 Tabel 4.5 Nilai temperatur permukaan dinding tube... 30 Tabel 4.6 Data simulasi temperatur air... 34 Tabel 4.7 Tabel laju perpindahan panas pada air... 35 Tabel 4.8 Data simulasi temperatur oli... 36 Tabel 4.9 Tabel koefisien perpindahan panas... 37 Tabel 4.9 Tabel efektivitas... 38