SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR DENGAN RECTANGULAR- CUT TWISTED TAPE INSERT SKRIPSI Diajukan sebagai slah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : FIRGO PARANSISCO JAMSI SIHALOHO NIM. I 0412020 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017
ii
iii
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa 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, 12 Mei 2017 Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho iv
HALAMAN MOTTO Namun aku hidup, tetapi bukan lagi aku sendiri yang hidup, melainkan Kristus yang hidup di dalam aku (Galatia 2 : 20a) Orang cerdas memecahkan masalah, sementara orang jenius mencegah masalah. (Albert Eintein) Jadilah kalah karena mengalah, bukan kalah karena menyerah Jadilah pemenang karena kemampuan, bukan menang karena kecurangan (Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho) Buatlah dirimu lebih menarik dengan memiliki ilmu (Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho) Ingatlah bahwa kesuksesan selalu disertai dengan kegagalan (Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho) v
PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, kupersembahkan tulisan ini kepada: 1. Tuhan Yang Maha Esa semesta alam yang selalu memberikan nikmat, rahmat, dan hidayah-nya. 2. Bapak, Ibu, dan Kakak serta keluarga besar tercinta yang telah memberikan kasih sayang, cinta, dan doa yang tak pernah putus. Kasih sayang kalian takkan pernah terlupakan sepanjang hidupku. 3. Bapak Agung Tri Wijayanta dan bapak Syamsul Hadi, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang tak pernah lelah untuk membimbing tugas akhir saya. 4. Dandy Anugerah, Agung Hariadi, Aldi, Cahyo Fajar, Wahyu Nur Utomo, Aprivianto Tri selaku teman diskusi dalam pengerjaan Tugas Akhir. 5. Rekan-rekan mahasiswa teknik mesin yang memberikan saya pelajaran berupa arti sebuah solidaritas. 6. Sahabat terdekat Eka Julianti Silaban yang selalu memberi dukungan dan semangat kepada saya dalam segala hal. vi
Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor Dengan Rectangular-Cut Twisted Tape Insert Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: fransmetrick17@gmail.com ABSTRAK Penelitian secara numerik dilakukan dengan melakukan simulasi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan rectangular-cut twisted tape insert (RTT) dan classical twisted tape insert (CTT). Simulasi numerik dilakukan dengan pemodelan computational fluid dynamics (CFD) 3D menggunakan software ANSYS FLUENT 14.5. Model perhitungan yang digunakan adalah k-ε RNG dengan variasi sisipan yang digunakan adalah twist ratio (H/d) 2,7; 4,5 dan 6,5. Variasi bilangan Reynolds pada pipa dalam dilakukan pada rentang bilangan Reynolds 8.000 18.000. Fluida kerja yang digunakan pada pipa dalam dan annulus adalah air. Hasil simulasi manunjukkan bahwa penambahan RTT dapat meningkatkan bilangan Nusselt, faktor gesekan dan unjuk kerja termal. Penambahan RTT akan membuat aliran aksial baru yang dapat meningkatkan turbulensi. Turbulensi yang semakin tinggi akan meningkatkan perpindahan panas lebih baik. Kata kunci: Peningkatan perpindahan panas, faktor gesekan, rectangular-cut twisted tape insert, komputasi fluida dinamis vii
Numerical Simulation Of Heat Transfer Enhancement On Heat Exchanger With Rectangular-cut Twisted Tape Insert Firgo Paransisco Jamsi Sihaloho Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E-mail: fransmetrick17@gmail.com ABSTRACT Numerical simulation were carried out to study the characteristics of fluid in concentric pipe on heat exchanger with the addition of rectangular-cut twisted tape inserts (RTT) and classical twisted tape inserts (CTT). Numerical simulation was performed with computational fluid dynamics (CFD) 3D modeling using ANSYS FLUENT 14.5 software. In this study, k-ε RNG model was used to model the turbulent flow regime. The variations of tapes was twist ratio (H/d) 2.7; 4.5; 6.5 for Reynolds number 8,000 18,000. Water was used as working fluid at inner tube and annulus side. The simulation result showed that the addition of RTT could increase Nusselt number, fiction factor and thermal performance. In addition of RTT could create new axial flow that would enhance turbulance flow. Higher turbulance intensity would generate better heat transfer. Keywords : Heat transfer enhancement, friction factor, Rectangular-cut twisted tape insert, Computational fluid dynamics viii
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan hidayah-nya sehingga Tugas akhir dapat diselesaikan. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan akademik untuk kelulusan pada program studi Teknik Mesin UNS. Laporan ini berisi tentang analisa numerik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor dengan metode sisipan rectangular-cut twisted tape insert. Dengan diselesaikannya laporan ini, penulis berharap tulisan ini dapat digunakan sebagai referensi ataupun pertimbangan lebih lanjut bagi siapapun yang membacanya agar terciptanya peralatan termal kompak yang lebih baik. Penulis mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan ini, antara lain: 1. Keluarga yang telah memberikan doa restu serta semangat yang terus menerus. 2. Agung Tri Wijayanta, S.T., M.T., Ph.D. dan Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang selalu membimbing dan mengkoreksi Tugas Akhir saya. 3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku Kepala Prodi S1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret. 4. Seluruh dosen jurusan Teknik Mesin UNS yang telah memberikan Ilmu dan motivasi selama menjalani selama perkuliahan. 5. Dandy Anugerah, Agung Hariadi, Aldi, Cahyo Fajar, Wahyu Nur Utomo, Aprivianto Tri selaku teman diskusi dalam pengerjaan Tugas Akhir. 6. Teman-teman teknik mesin UNS angkatan 2012 (CAMRO) yang senantiasa selalu memberi semangat dan bantuan. 7. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang ada pada laporan ini. Oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang membangun dari pembaca, mengingat laporan ini masih jauh dari sempurna. ix
Akhir kata, penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi penulis maupun pembaca. Surakarta, 12 Mei 2017 Penulis x
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 TABEL... xv DAFTAR NOTASI... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Perumusan Masalah... 3 1.3. Batasan Masalah... 3 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II DASAR TEORI... 5 2.1. Tinjauan Pustaka... 5 2.2. Dasar Teori... 6 2.2.1. Dasar Perpindahan Panas... 6 2.2.2. Aliran dalam pipa (Internal Flow In Tube)... 8 2.2.3. Penukar Kalor... 10 2.2.4. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)... 13 2.2.5. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor... 14 2.2.6. Karakteristik Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor pipa konsentrik... 16 2.2.7. Computational Fluid Dinamic (CFD)... 17 2.2.8. Proses Simulasi Pada Fluent... 18 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 24 3.1. Pelaksanaan Penelitian... 24 3.2. Alat dan Instrumentasi Penelitian... 24 3.3. Mehsing... 26 3.4. Diagram Alir Penelitian... 27 3.5. Prosedur Penelitian... 31 3.5.1. Tahap Persiapan... 31 3.5.2. Pengujian Penukar Kalor tanpa sisipan (Plain tube)... 31 3.6.3. Pengujian Penukar Kalor dengan penambahan sisipan... 32 3.6. Metode Analisis Data... 33 BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN... 34 4.1. Validasi Penelitian... 34 4.2. Analisis Pola Aliran Fluida... 37 xi
4.2.1. Streamline... 37 4.2.2. Distribusi Kecepatan... 40 4.3. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dengan Penambahan Twisted Tape Insert... 43 4.3. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan dengan Penambahan Twisted Tape Insert... 48 4.4. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Unjuk Kerja Termal dengan Penambahan Twisted Tape Insert... 52 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 51 5.1. Kesimpulan... 52 5.2. Saran... 53 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas... 7 Gambar 2.2 Aliran fluida daerah masuk pada sebuah pipa dengan perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran masuk aliran pipa... 8 Gambar 2.3 Profil temperatur aktual dan rata rata pada aliran dalam pipa... 10 Gambar 2.4 Arah aliran perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah 11 Gambar 2.5 Penukar kalor berlawanan arah... 11 Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik... 12 Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa... 12 Gambar 2.8 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert... 14 Gambar 2.9 Bentuk-bentuk dasar Meshing... 19 Gambar 2.10 Metode pressure based... 21 Gambar 3.1 Software ANSYS FLUENT 14.5... 25 Gambar 3.2 Nomenklatur rectangular-cut twisted tape insert... 26 Gambar 3.3 Typical twisted tape insert... 26 Gambar 3.4 Rectangular-cut twisted tape insert variasi tape twist ratio... 26 Gambar 3.5 Metode face sizing pada geometri penukar kalor tanpa sisipan (plain tube)... 27 Gambar 3.6 Hasil regenerasi mesh pada pipa dalam dengan penambahan sisipan 28 Gambar 3.7 Diagram alir pelaksanaan penelitian... 27 Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube... 35 Gambar 4.2 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube... 36 Gambar 4.3 Streamline Pipa Dalam Plain tube pada Re 14300... 37 Gambar 4.4 Streamline Pipa Dalam CTT twist ratio (a) 2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 38 Gambar 4.5 Streamline Pipa Dalam RTT twist ratio (a) 2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 39 Gambar 4.6 Pola aliran pada bagian cutting dari RTT pada Re 14300... 40 Gambar 4.7 Kontur Kecepatan Pipa Dalam Plain tube pada Re 14300... 41 Gambar 4.8 Kontur Kecepatan Pipa Dalam CTT twist ratio (a) 2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 42 Gambar 4.9 Kontur Kecepatan Pipa Dalam RTT twist ratio (a)2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 43 Gambar 4.10 Kontur Temperatur Penukar Kalor Plain tube pada Re 14300... 46 Gambar 4.11 Kontur Temperatur Penukar Kalor CTT twist ratio (a) 2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 45 Gambar 4.12 Kontur Temperatur Penukar Kalor RTT twist ratio (a) 2,7 (b) 4,5 (c) 6,5 pada Re 14300... 46 Gambar 4.13 Perubahan temperatur sepanjang arah aksial pada Re 14100... 47 Gambar 4.14 Grafik hubungan Nu i dengan bilangan Reynolds... 48 Gambar 4.15 Kontur Tekanan Pipa Dalam Plain Tube... 49 Gambar 4.16 Kontur Tekanan Pipa Dalam CTT twist ratio (b) 2,7 (c) 4,5 (d) 6,5 pada Re 14300... 50 Gambar 4.17 Kontur Tekanan Pipa Dalam RTT twist ratio (b) 2,7 (c) 4,5 (d) 6,5 pada Re 14300... 51 Gambar 4.18 Grafik hubungan Re dengan Pressure Drop... 52 xiii
Gambar 4.19 Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynol20... 53 Gambar 4.20 Hubungan unjuk kerja termal dengan bilangan Reynolds... 54 xiv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Skala kualitas Meshing... 19 Tabel 3.1. Statistik Mesh Semua Model... 19 xv
DAFTAR NOTASI A = Luas penampang (m 2 ) D i = Diameter dalam pipa (m) f = Faktor gesekan h = Koefisien perpindahan panas (W/m 2 K) K = Kondutivitas transfer kalor (W/m K) L = Panjang pipa (mm) Nu = Bilangan Nusselt Pr = Bilangan Prandtl Re = Bilangan Reynolds q = Fluks kalor konstan (W/m 2 ) T = Temperatur (K) T in = Temperatur fluida masuk (K) T out = Temperatur fluida keluar (K) T ave = Temperatur rata-rata (K) T w = Temperatur dinding pipa (K) v = Kecepatan fluida (m/s) v in = Kecepatan fluida masuk (m/s) v out = Kecepatan fluida keluar (m/s) Cp = Kalor jenis (J/kg K) ρ = Densitas (kg/m 3 ) = Viskositas dinamik (kg/m s) P = Tekanan (pa) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) Wp = Daya pemompaan (Watt) Nu i = Bilangan Nusselt pipa dalam H = panjang pitch (mm) d = lebar sisipan (mm) m = laju aliran massa (kg/s) Q h = laju perpindahan panas pipa dalam (W) Qc = laju perpindahan panas pipa luar(annulus) (W) Ui = koefisien perpindahan panas overall (W/m 2 K) η = Unjuk kerja termal xvi