AGUS JAMALDI NIM : D.200.120 - eprints.ums.ac.ideprints.ums.ac.id/48131/33/HALAMAN DEPAN NEW.pdf ·...

i

TUGAS AKHIR

STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA

CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN

TEMPERATUR DENGAN METODE CFD

Disusun Oleh :

AGUS JAMALDI

NIM : D.200.120.161

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2016

iiiiiiiii

vi

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)

vii

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.

viii

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

ix

STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADACEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR

DENGAN METODE CFD

Agus Jamaldi, Sarjito, Marwan EffendyTeknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, KartasuraEmail : [email protected]

Abstrak

Penurunan temperatur di dalam cerobong evaporasi dapatdiupayakan dengan menambahkan sistem semprotan air di dalamcerobong. Tulisan ini membahas penelitian secara simulasi untukmenyelidiki pengaruh dari konfigurasi nosel dan tingkat kelembabanterhadap profil kecepatan dan distribusi temperatur di dalam cerobong.

Penelitian ini dilakukan melalui pendekatan simulasi denganmenerapkan k-ε turubulen model. Geometri cerobong dan nosel yangdigunakan mengacu dari penelitian sebelumnya secara simulasi.Termasuk data yang didapat yang dipilih sebagai desain standar selamastudi perbaikan mesh dan tahap validasi, selanjutnya dilakukan modifikasipada konfigurasi nosel di dalam cerobong. Profil kecepatan dan distribusitemperatur diamati selama proses penelitian.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa validasi data konsistendengan data simulasi sebelumnya. Konfigurasi dengan 8 nosel padaketinggian 3.94 m dan 3 nosel pada ketinggian 3.5 m dari dasar cerobong,menghasilkan kondisi paling optimal pada penurunan temperatur dankecepatan uap air di dalam cerobong evaporasi.

Kata kunci : cerobong evaporasi, nosel, k-ε turubulen model.

x

Abstract

The decrease of temperature in the evaporation chimney could beachieved by adding water spray system inside the chimney. This paperdescribes a simulation research in order to investigate the influence of thenozzle configuration and the level of humidity to the velocity profile andtemperature distribution inside the chimney.

This research was performed computationally by applying k-εturbulence model. Geometry of chimney and nozzle used by otherresearcher in the previous simulation, including their finding data, werechosen as a standard design during mesh refinement study and validationstage, hereinafter was modified in terms of nozzle configurations inside thechimney. The profile of velocity and temperature were observed along theinvestigation.

The results show that the validation data is consistent to theprevious study. The configuration, with 8 nozzles at a height of 3.94 m and4 nozzles at a height of 3.5 m from the base of the stack, produces anoptimum level in terms of the decrease of temperature and the velocity ofvapour.

Key words : evaporation chimney, nozzle, k-ε turbulence model.

xi

DAFTAR ISI

Halaman Judul ..................................................................................... i

Pernyataan Keaslian Skripsi ................................................................ ii

Halaman Persetujuan .......................................................................... iii

Halaman Pengesahan ......................................................................... iv

Lembar Soal Tugas Akhir .................................................................... v

Halaman Motto..................................................................................... vi

Kata Pengantar .................................................................................... vii

Abstrak................................................................................................. ix

Daftar Isi .............................................................................................. xi

Daftar Gambar ..................................................................................... xiii

Daftar Tabel ......................................................................................... xv

Daftar Simbol ....................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang................................................................... 1

1.2 Perumusan Masalah .......................................................... 4

1.3 Batasan Masalah ............................................................... 4

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................... 5

1.5 Manfaat Penelitian ............................................................. 5

1.6 Sistematika Penulisan Laporan.......................................... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kajian Pustaka ................................................................... 7

xii

2.2 Landasan Teori .................................................................. 15

2.2.1 Computational Fluids Dynamics (CFD) .................... 15

2.2.2 Nosel........................................................................ 16

2.2.3 k-epsilon turbulence models .................................... 17

2.2.4 Droplet momentum transfer ...................................... 18

2.2.5 Droplet distribution models ....................................... 21

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram alir penelitian ....................................................... 29

3.2 Tahapan penelitian............................................................. 31

3.2.1 Pre-processing ........................................................ 31

3.2.2 Boundary condition.................................................. 37

3.2.3 Solution ................................................................... 37

BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Validasi data ...................................................................... 38

4.2 Validasi meshing ................................................................ 38

4.3 Hasil dan pembahasan....................................................... 40

4.3.1 Studi efek konfigurasi nosel terhadap performapendinginan ............................................................. 42

4.3.2 Studi efek perbedaan tingkat RH terhadap performapendinginan ............................................................. 51

4.3.3 Analisis perhitungan ................................................. 54

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ........................................................................ 57

5.2 Saran ................................................................................. 58

DAFTAR PUSTAKA

xiii

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi noseltunggal ......................................................................... 8

Gambar 2.2 Perbandingan profil kecepatan antara hasil simulasidengan profil kecepatan dari Georges dan Buchlin ..... 8

Gambar 2.3 Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi multinosel ............................................................................ 11

Gambar 2.4 Distribusi temperatur pada bagian outlet dengankonfigurasi radius konstan ........................................... 11

Gambar 2.5 Distribusi temperatur pada bagian outlet dengankonfigurasi jarak konstan ............................................. 12

Gambar 2.6 Variasi temperatur keluar dan mass flow dengankonfigurasi nosel yang berbeda ................................... 13

Gambar 2.7 Variasi rata-rata temperatur dan mass flow ratedengan susunan perbedaan jarak antar nosel............. 14

Gambar 2.8 Konfigurasi nosel yang digunakan ............................... 14

Gambar 2.9 Jumlah paper yang diterbitkan dari tahun 2002 – 2007yang menggunakan CFD untuk memprediksiperforma pendinginan pada bagunan .......................... 16

Gambar 2.10 Nosel PJ32 dan pola semprotan yang dihasilkan ........ 17

Gambar 2.11 Nosel TF6 dan pola semprotan yang dihasilkan .......... 17

Gambar 2.12 Gaya yang terjadi pada semprotan air ......................... 18

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ................................................. 29

Gambar 3.2 Geometri cerobong ...................................................... 31

Gambar 3.3 Domain ........................................................................ 32

Gambar 3.4 Variasi tipe mesh ......................................................... 34

Gambar 3.5 Variasi ketinggian letak nosel pada konfigurasi 4nosel di atas dan 7 nosel di bawah.............................. 35

Gambar 3.6 Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 6nosel di atas dan 5 nosel di bawah.............................. 36

xiv

Gambar 3.7 Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 8nosel di atas dan 3 nosel di bawah.............................. 36

Gambar 3.8 Konfigurasi nosel spiral................................................ 37

Gambar 4.1 Validasi mesh .............................................................. 39

Gambar 4.2 Ketinggian plane di dalam cerobong............................ 41

Gambar 4.3 Selisih ketinggian antar nosel ...................................... 42

Gambar 4.4 Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggianpengujian dengan konfigurasi 4 nosel di atas dan 7nosel di bawah............................................................. 43



Gambar 4.7 Distribusi temperatur pada perbandingan empat jeniskonfigurasi nosel.......................................................... 48

Gambar 4.8 Distribusi kecepatan pada perbandingan empat jeniskonfigurasi nosel.......................................................... 50

Gambar 4.9 Grafik distribusi temperatur pada perbedaan tingkatRH................................................................................ 53

Gambar 4.10 Sistem aliran massa pada cerobong evaporasi ........... 54

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Karakteristik tingkat kehalusan mesh................................ 33

Tabel 4.1 Validasi mesh pada penurunan temperatur di dalamcerobong ........................................................................... 39

Tabel 4.2 Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian... 42



Tabel 4.5 Hasil distribusi temperatur pada susunan nosel spiral ...... 47

Tabel 4.6 Distribusi temperatur pada empat konfigurasi nosel ......... 47

Tabel 4.7 Distribusi kecepatan pada empat konfigurasi nosel .......... 49

Tabel 4.8 Tekanan parsial untuk perhitungan RH............................. 51

Tabel 4.9 Hasil perhitungan perbedaan tingkat RH .......................... 52

Tabel 4.10 Distribusi temperatur pada perbedaan tingkat RH ............ 52

xvi

DAFTAR SIMBOL

U vektor kecepatan (m/s)

P tekanan (Pa)

ρ massa jenis udara (kg/m3)

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 (m2/s2)

ε energy kinetik turbulen yang terdisipasi (m2/s3)

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/m3)

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)

Psat tekanan uap jenuh air pada permukaan droplet (Pa)

A, B dan C koefisien Antoine equation

xvii

R(d) Rosin-Rammler distribution function

de 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)

do diameter nosel (m)

θ sudut semprot nosel (degree)

psat tekanan uap jenuh (bar)

W humidity ratio (kg/kg)

mf water vapour mass fraction

øi relative humidity of moist air at location i = 0, 1, 2…6 (%)

R konstanta gas udara kering (287 J/kg.K)

Rw konstanta gas uap air (416.5 J/kg.K)

patm tekanan atmosphere (101325 Pa)

pw tekanan uap air (=ø.Psat) (Pa, bar)

psat 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)

xviii

panas jenis udara (kJ/kg.K)

h enthalpy udara basah (kJ/kg)

Q debit (m3/s)

r nozzle pitch circle radius (m)

ds nozzle separation distance (m)

AGUS JAMALDI NIM : D.200.120 - eprints.ums.ac.ideprints.ums.ac.id/48131/33/HALAMAN DEPAN NEW.pdf ·...

Documents

Transcript of AGUS JAMALDI NIM : D.200.120 - eprints.ums.ac.ideprints.ums.ac.id/48131/33/HALAMAN DEPAN NEW.pdf ·...