STUDI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS SIRIP- SIRIP PIN ELLIPS SUSUNAN SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD TUGAS AKHIR Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Disusun Oleh: SYAFRUDIN NIM. D200080076 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016 i
ri HALAMAN PERSETUJUAN Tugas akhir ini disetujui oleh pembimbing tugas akhir untuk dipertahankan didepan dewan penguji sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana S-l Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas muhammadiyah Surakarta Hari Tanggal /^&, 2t Al7u4', 4a( Disusun oleh : Nama : Syafrudin NIM : D200080076 Judul :Studi karakteristik Perpindahan Panas Sirip- Sirip Pin Ellips Susunan Selang Seling Dengan Pendelatan CFD Pembimbing T (Marwan Effendy, ST, MT,
HALAMAN PENGESAHAN Telah diterima dan disetujui pembimbing untuk diajukan kepada dewan penguji tugas akhir jurusan mesin fakultas teknik universitas muhammadiyah Surakarta, dengan judul : STUDI KARAKTERITIK PERPINDAHAN PANAS SIRIP - SIRIP PIN ELLIPS SUSI.'NAN SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD Nama NIM NIRM Syafrudin D200080076 Hari Tanggal /?'4-Bk zz/*/,a.,* Dewan Penguji 1. Marwan Effendy ST., MT., Ph.D 2. Sartono Putro, h, MT. 3. Nur Aklis ST, M.Eng (...)^...r...) ( olh):t!, > Mengetahui Dekan Fakultas Teknik Ketua Jurusan Teknik Mesin I I I lv* UMS M.T., Ph.D) ( Tri Widodo Besar Riyadi, ST. Msc., Ph.D.) lll
HALAMAN MOTTO Dengan menyebut nama Allah yang maha pengasi dan juga penyayang -Q. S. Al Fatihah 1- Agama untuk akhiratku dan ilmu untuk duniaku Cara Tuhan mengatakan kita terbatas, adalah dengan menciptakan ruang dan waktu Dan cara Tuhan mengatakan kita kecil adalah menciptakan kita terbatas. -Author- v
STUDI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS SIRIP-SIRIP PIN ELLIPS SUSUNAN SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD Abstrak Laporan ini menggambarkan prediksi mengenai kinerja sirip-sirip pin ellips untuk pendingin internal pada sudu turbin gas. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui koefisien perpindahan panas pada susunan pin ellips. Dalam penelitian ini study RANS turbulence model dipilih menggunakan pendekatan simulasi. Ada 2 tahap yang harus dilakukan yaitu pertama, melakukan validasi data dengan pendekatan simulasi pada bentuk sirip-sirip pin ellips susunan selang-seling yang dilakukan peneliti sebelumnya secara experimen. Dengan menggunakan tiga macam tipe mesh secara terstruktur mulai dari kasar sampai halus kemudian dilakukan studi perbaikan mesh hingga didapatkan mesh yang optimal. Kedua, menggunakan pendekatan simulasi dengan mengadopsi tiga tipe mesh yang digunakan pada tahap validasi. Simulasi dilaksanakan pada kondisi awal dan kondisi batas yang sama seperti dala experimen, bilangan Reynolds yang digunakan antara 9.000 sampai 36.000 Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas sangat dipengaruhi oleh kondisi aliran udara disekitar sirip-sirip pin ellips. Kenaikan pada bilangan Reynolds meningkatkan kenaikan koefisien perpindahan panas. Kata kunci : sirip pin; computational fluid dynamics; koefisien perpindahan panas. vi
CHARACERISTIC STUDY HEAT TRANSFER FINS OF PIN ELLIPSE INTERVAL CONSTRUCTION WITH CFD APPROACH Abstract This paper describes a performance prediction of the elliptical pin-fin cooling of gas turbine blade. The purpose of this study is to investigate the heat transfer coefficient on the elliptical pin arrangement. The steady RANS with k-epsilon turbulence model was carried-out by two-stages investigation: first, validation of an existing circular staggered array of pin-fin cooling that has been investigated experimentally by other researcher. Three types structured mesh from coarse to fine were optimized for grid refinement study. Second, further investigation of the elliptical pin-fin cooling was simulated by adopting the same scenario of mesh generation based on the optimum result from validation. Simulations were performed at the same initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from 9,000 to 36,000. The result shows that the heat transfer coefficient is highly influenced by the gas flow condition around the elliptical pin-fin. The increase of Reynolds number intensifies the increase of the heat transfer coefficient. Keywords: Pin-fin; Computational fluid dynamics; heat transfer coefficient vii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Studi karakteristik Perpindahan Panas Sirip Sirip Pin Ellips Susunan Selang Seling Dengan Pendekatan CFD dengan baik dan lancar. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST. Msc., Ph.D., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UMS Surakarta. 2. Bapak Marwan Effendy, ST.MT.,Ph.D selaku Pembimbing atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Ngafwan, Ir., MT. selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Muhammadiyah Surakarta ini. 4. Bapak Sunardi Wiyono Ir., MT., selaku koordinator Tugas Akhir 5. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UMS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1. 6. Ayah, Ibu, dan kakakku atas do a restu, motivasi, dan dukungan material viii
maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini. 7. Rekan Skripsi : Semua personil tim Sirip Pin terima kasih untuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakanpenelitian ini 8. Mas Adnan,mas Punto, dan juga mas Mukron yang dengan sabar mengajari saya dalam bidang ansis ini 9. Semua teman teman mahasiswa teknik mesin UMS khususnya mahasiswa angkatan 2008 10. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin. Surakarta, oktober 2016 Penulis ix
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... HALAMAN PERSETUJUAN... HALAMAN PENGESAHAN... HALAMAN PERNYATAAN... MOTTO... ABSTRAK... ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR NOTASI... i ii iii iv v vi vii viii x xiii xiv xv BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 2 1.5. Sistematika Penulisan... 3 BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka....5 x
2.2. Dasar Teori... 10 2.2.1. Sirip... 10 2.2.2. Sistem CFD... 11 2.2.3. Pembuatan Grid (Meshing)... 12 2.2.4. Macam-macam Bentuk Sirip... 13 2.2.5. Aplikasi Sirip Pin... 17 2.3. Perpindahan panas... 18 2.3.1. Parameter Tanpa Dimensi... 21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1.Lokasi Penelitian... 30 3.2. Spesimen Penelitian... 30 3.3. Proses Penelitian... 31 3.4. Metode Analisis Data... 32 3.5. Diagram Alir Penelitian... 33 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Pengujian... 35 4.2 Perhitungan Data... 37 4.3 Analisis Data... 41 4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas.... 41 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 43 5.2. Saran... 43 xi
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.2. Data hasil pengaruh bilangan Reynolds terhadap perpindahan panas rata-rata... lampiran Tabel 4.3. Data hasil pengaruh biangan Reynolds terhadap Angka bilangan Nusselt... Lampiran Tabel Incropera... Lampiran xiii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Sebuah susunan sirip pin ellips... 10 Gambar 2.2. susunan sirip pin inline dan staggered... 11 Gambar 2.3. ukuran relatif dari circular fin, SEF, dan N fin... 13 Gambar 2.4. perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip oin silinder berfillet... 15 Gambar 2.5. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond... 15 Gambar 2.6. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong... 16 Gambar 2.7. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling)... 17 Gambar 3.1. Dimensi dan tata nama spesimen... 30 Gambar 3.2. Model spesimen... 31 Gambar 4.1. Karakteristik mesh... 36 Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata... 41 Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt... 42 xiv
DAFTAR NOTASI Lt = Panjang seksi uji ( m ) H = Tinggi sirip ( m ) W b = Lebar specimen ( m ) L = Panjang specimen ( m ) S = Sisi-sisi sirip ( m) Afront = Luas frontal dari sirip sirip ( m 2 ) A s = Luas total permukaan perpindahan panas ( m 2 ) At = Luas penampang melintang saluran udara ( m 2 ) Dh = Diameter hidrolik ( m ) T in = Temperatur rata rata udara masuk saluran udara ( o K ) T out = Temperatur rata rata udara keluar saluran udara ( o K ) T b = Temperatur udara rata rata base plate ( o K ) T f = Temperatur film ( o K ) V = Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s) Vmaks = Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) 1. = viskositas kinematik udara (m 2 /s) 1 = viskositas dinamik udara (kg/m.s) C P = Panas jenis udara (kj/kg. o C) Q elect = Laju aliran panas dari heater (W) m& = Laju aliran masa udara ( kg/s ) xv
Q conv = Laju perpindahan panas konveksi (W) Q loss h a h s = Heat losses yang terjadi pada seksi uji = Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata dengan sirip (W/m 2.K) = Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata tanpa sirip (W/m 2.K) Nu = Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number ) Nu D = Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number ) Re = Bilangan Reynold saluran udara ( Duct Reynold number ) Re D = Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number ) DP f η = Penurunan tekanan = Faktor gesek = Unjuk kerja termal Vh = Tegangan listrik heater ( V ) I h = Arus listrik heater ( A ) V f = Tegangan listrik fan ( V ) xvi