PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR...

14
i PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR MIKRO GAS TURBIN TUGAS AKHIR BIDANG KONVERSI ENERGI Diajukan Kepada : UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin Program Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin Oleh : KOKO TRI WAHYUDI 201010120311045 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2014

Transcript of PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR...

Page 1: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

i

PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR

MIKRO GAS TURBIN

TUGAS AKHIR

BIDANG KONVERSI ENERGI

Diajukan Kepada :

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin

Program Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin

Oleh :

KOKO TRI WAHYUDI

201010120311045

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2014

Page 2: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

ii

Page 3: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

iii

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI

PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR

MIKRO GAS TURBIN

Diajukan Kepada :

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin

Program Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin

Disusun Oleh:

Koko Tri Wahyudi

201010120311045

Diterima dan Disetujui

pada tanggal ................. 2014

Dosen Pembimbing I

Ir. Sudarman, MT.

Dosen Pembimbing II

Budiono SSi, MT.

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Malang

Ir. Daryono, MT.

Page 4: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

iv

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR

Nama : Koko Tri Wahyudi

Nim : 201010120311045

Bidang Keahlian : Konversi Energi

No. ST. Pemb. TA : E.2/123/FT/UMM/III/2014

Judul : Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas

Turbin

Pembimbing I : Ir. Sudarman, MT

No. Catatan Asistensi Paraf

Dosen Pembimbing I

1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I

2 ACC Bab I

3 Konsultasi Bab II

4 ACC Bab II

5 Konsultasi Bab III

6 ACC Bab III

7 Konsultasi Bab IV

8 ACC Bab IV

9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil

10 ACC Bab V dan Seminar Hasil

Mengetahui :

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Daryono, MT

Malang, ………… 2014

Dosen Pembimbing I

Ir. Sudarman, MT

Page 5: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

v

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR

Nama : Koko Tri Wahyudi

Nim : 201010120311045

Bidang Keahlian : Konversi Energi

No. ST. Pemb. TA : E.2/123/FT/UMM/III/2014

Judul : Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas

Turbin

Pembimbing I : Budiono SSi, MT

No. Catatan Asistensi Paraf

Dosen Pembimbing I

1 Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I

2 ACC Bab I

3 Konsultasi Bab II

4 ACC Bab II

5 Konsultasi Bab III

6 ACC Bab III

7 Konsultasi Bab IV

8 ACC Bab IV

9 Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil

10 ACC Bab V dan Seminar Hasil

Mengetahui :

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Daryono, MT

Malang, ………….. 2014

Dosen Pembimbing II

Budiono SSi, MT

Page 6: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

vi

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah :

Nama : Koko Tri Wahyudi

Nim : 201010120311045

Tempat/Tanggal Lahir : Balikpapan, 10 Mei 1993

Jurusan : Teknik Mesin

Fakultas : Teknik

Instansi : Universitas Muhammadiyah Malang

Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa :

1. Tugas Akhir dengan Judul :

“Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

Adalah hasil karya saya, dan dalam naskah tugas akhir ini tidak terdapat

karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar

akademik disuatu perguruan tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat

yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, baik sebagian atau

keseluruhan, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan

disebutkan dalam sumber kutipan pada daftar pustaka.

2. Apabila ternyata didalam naskah tugas akhir ini dapat dibuktikan terdapat

unsur-unsur “PLAGIASI”, saya bersedia “TUGAS AKHIR INI

DIGUGURKAN” dan “GELAR AKADEMIK YANG TELAH SAYA

PEROLEH DIBATALKAN”, serta diproses sesuai ketentuan yang berlaku.

Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk

digunakan sebagaimana mestinya.

Malang, ………. 2014

Yang Menyatakan,

Koko Tri Wahyud

Page 7: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

vii

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang mana

hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas akhir

ini akhirnya dapat terselesaikan.

Seiring penyusunan tugas akhir ini, terdapat hambatan dan kesulitan yang

dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa

ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ucapkan terima kasih atas

jasa yang selama ini telah diterima oleh penyusun, baik nasehat, petunjuk, ide,

saran, serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan

tugas akhir ini. Ungkapan terima kasih tersebut disampaikan kepada :

1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non

materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan-pesannya yang tak akan

terlupakan.

2. Bapak Ir. Sudarman, MT. Selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan

bimbingan serta arahan secara intensif selama penyusunan tugas akhir ini

dilakukan, sekaligus selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Malang

3. Bapak Budiono SSi, MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan

masukan ide, serta saran sehingga terselesaikannya tugas akhir ini

4. Bapak/Ibu Dosen yang telah bersedia memberikan bantuan berupa bimbingan

teoritis seara langsung maupun tidak langsung.

5. Teman-teman sebimbingan, rekan-rekan laboraturium di lingkungan Teknik

Mesin, serta teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2010 A,B, C dan D.

Page 8: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

viii

6. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terima kasih banyak atas bantuan

kalian semuannya.

Dalam menyusun Tugas Akhir ini, penyusun menyadari bahwa masih banyak

kekurangan dan kelemahan baik dalam penyusunan data maupun dalam

pembahasannya. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang sifatnya membangun

sangat penyusun harapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Semoga Allah SWT memberikan balasan kepada semua pihak yang tersebut

diatas dan penyusun berharap semoga Tugas Akhir bermanfaat bagi penyusun dan

pembaca.

Page 9: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

ix

DAFTAR ISI

COVER ................................................................................................................ i

POSTER ............................................................................................................... ii

LEMBARAN PENGESAHAN SKRIPSI .......................................................... iii

LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR .................................................... iv

LEMBARAN PERYATAAN ............................................................................. v

BERITA ACARA ................................................................................................ vi

ABSTRAK ........................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ......................................................................................... viii

DAFTAR ISI ........................................................................................................ x

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... xvi

BAB I .................................................................................................................... 1

PENDAHULUAN ................................................................................................ 1

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

1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................... 4

1.3 Tujuan Perancangan .................................................................................. 4

1.4. Batasan Masalah....................................................................................... 4

BAB II .................................................................................................................. 5

TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................................... 5

2.1.Pengertian Thermal Insulator ................................................................... 5

2.2.Konduktivitas Termal............................................................................... 5

2.3.Perpindahan Panas Dalam Thermal Insulator .......................................... 11

2.4.Perpindahan Panas Radiasi ...................................................................... 13

2.4.1.Laju Perpindahan Panas Secara Radiasi ......................................... 15

Page 10: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

x

2.5.Perpindahan Panas Konduksi ................................................................... 16

2.5.1.Konduksi Padat .............................................................................. 17

2.5.2.Konduksi Bidang Silinder .............................................................. 18

2.6.Perpindahan Panas Konveksi ................................................................... 20

2.6.1.Konveksi Bebas (Alamiah) ............................................................ 21

2.6.1.1.Konveksi Bebas Bidang Silinder ...................................... 24

2.6.1.2.Konveksi Bebas Pada Ruang Tertutup .............................. 25

2.6.1.3. Konveksi Bebas Aliran Turbulen Dalam Tabung ............ 27

2.6.2.Konveksi Paksa .............................................................................. 28

2.6.2.1. Aliran Dalam Pipa ............................................................ 28

2.7.Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh............................................... 30

2.8.Tebal Kritis Isolasi ................................................................................... 34

2.9.Pemilihan Material ................................................................................... 36

BAB III ................................................................................................................. 38

METODE PERANCANGAN ............................................................................. 38

3.1.Studi literatur ............................................................................................ 38

3.2.Metode Pengumpulan............................................................................... 38

3.3.Skema Gambar Rancangan ...................................................................... 39

3.4.Analisa Perpindahan Panas ...................................................................... 40

3.4.1.Menghitung Perpindahan Panas Ruang Bakar ............................... 42

3.5. Perhitungan Perancangan ........................................................................ 43

3.5.1.Perhitungan Perpindahan Panas Gas Pembakaran ke Liner .......... 43

3.5.2.Perhitungan Perpindahan Panas Liner ke Udara Annulus ............. 44

3.5.3.Perhitungan Perpindahan Panas Udara Annulus ke Selubung ....... 44

3.5.4.Perhitungan Perpindahan Panas Selubung ke Thermal Insulator .. 45

3.5.5.Perhitungan Perpindahan Panas ke Lingkungan ............................ 45

Page 11: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

xi

3.6. Pemilihan Bahan ..................................................................................... 46

3.7. Flow Chart Perancangan ......................................................................... 47

BAB IV ................................................................................................................. 48

ANALISA DAN PERHITUNGAN .................................................................... 48

4.1.Data Perancangan ..................................................................................... 48

4.2.Perpindahan Panas Pada Zona Ruang Bakar ........................................... 50

4.2.1.Perpindahan Panas Pada Zona Utama ............................................. 50

4.2.1.1 Laju Perpindahan Panas Primary Zona Pana Liner ............ 53

4.2.1.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Primary Zone ..... 55

4.2.2.Perpindahan Panas Pada Zona Kedua ............................................. 56

4.2.2.1 Laju Perpindahan Panas Secondary Zona Pana Liner ........ 59

4.2.2.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Secondary Zone . 60

4.2.3.Perpindahan Panas Pada Zona Dilusi .............................................. 62

4.2.3.1 Laju Perpindahan Panas Dilution Zona Pana Liner ............ 63

4.2.3.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Dilution Zone ..... 64

4.2.4.Perhitungan Laju Perpindahan Panas Total .................................... 65

4.3.Perpindahan Panas Pada Selubung .......................................................... 66

4.3.1.Perpindahan Temperatur Dinding Dalam Selubung ....................... 66

4.3.2.Perpindahan Temperatur Dinding Selubung Bagian Luar ............. 69

4.3.3.Perpindahan Beda Temperatur Pada Selubung .............................. 71

4.3.4.Aliran panas Dari Dinding Bagian Luar Ke Fluida Luar ............... 71

4.3.5.Perpindahan Perpindahan Panas Menyeluruh ................................ 72

4.4.Perhitungan Perpindahan Panas Termal Insulator ................................... 75

4.4.1.Kerugian Panas Tanpa Dibalut Insulator ........................................ 75

4.4.2.Perhitungan Dimensi Thermal Insulator ......................................... 76

4.5.Perhitungan Effisiensi Termal Siklus ............................................................. 77

Page 12: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

xii

BAB V ................................................................................................................... 79

KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 79

5.1.Kesimpulan .............................................................................................. 79

5.2.Saran ......................................................................................................... 81

VI. LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 : Konduktivitas Termal beberapa Gas Khas .................................... 8

Gambar 2.2 : Konduktivitas termal beberapa zat padat khas .............................. 10

Gambar 2.3 : Kisaran Konduktivitas Termal Bahan ........................................... 12

Gambar 2.4 : Spektrum Elektromagnetik ........................................................... 14

Gambar 2.5 : Aliran kalor satu-demensi melalui silinder ................................... 18

Gambar 2.6 : Aliran kalor satu-dimensi memalui silinder & analogi listrik ....... 19

Gambar 2.7 : Pola sel Benard pada laipasan fluida tertutup ............................... 26

Gambar 2.8 : Profil kecepatan dalam aliran-tabung turbulen ............................. 27

Gambar 2.9 : Perpindahan kalor menyeluruh ..................................................... 29

Gambar 2.10 : Perpindahan-kalor menyeluruh melalui dinding datar ................ 32

Gambar 2.11 : Analogi tahanan silinder bolong dengan kondisi batas konveksi 33

Gambar 2.12 : Tebal Kritis Isolasi ...................................................................... 35

Gambar 3.1 : Model Rancangan Ruang Bakar dan Thermal Insulator ............... 39

Gambar 3.2 : Skema gambar Insulator Ruang Bakar .......................................... 39

Gambar 3.3 : Skema Ruang Bakar Mikro Gas Turbin ........................................ 40

Gambar 3.4 : Model Perpindahan Panas Pada Annulus ...................................... 43

Gambar 3.5 : Skema Perpindahan Panas Panas Liner......................................... 43

Page 13: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

xiii

Gambar 3.6 : Skema Perpindahan Panas Dari Liner ke Udara Annulus ............. 44

Gambar 3.7 : Skema Perpindahan Panas Pada Thermal Insulator ...................... 45

Gambar 3.8 : Skema Perpindahan Panas ke Lingkungan ................................... 45

Gambar 4.1: Skema Perpindahan Panas.............................................................. 53

Gambar 4.2: Skema Aliran Pada Lubang Dilusi ................................................. 62

Gambar 4.3: Pepindahan Panas Pipa Silinder Berlubang ................................... 70

Gambar 4.4 : Perpindahan Kalor Menyeluruh .................................................... 67

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 : Konduktivitas Termal ....................................................................... 7

Tabel 2.2 : Konduktivitas Termal Efektif Kriogenik Material ........................... 11

Tabel 2.3 : Nilai kira-kira koefisien perpindahan-kalor menyeluruh .................. 3

Tabel 4.4 : Harga LHV yang terkandung pada setiap unsur ............................... 55

Page 14: PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR …eprints.umm.ac.id/25719/2/jiptummpp-gdl-kokotriwah-37766-1-pendahul-n.pdf · “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin”

xiv

Daftar Pustaka

Arismunandar, W. (2002). Turbin Gas dan Motor Propulsi. Bandung: ITB.

Boyce, M. P. (1990). Gas Turbine Engineering Handbook Second Edition. United

Kingdom: Gulf Professional Publishing.

Departement of Industrial Promotion, M. o. (2007). Thermal Energy Efficiency

Improvment Handbook. Thailand: On Behalf of Ministry of

Economy, Trade and Industry of Japan.

Frank P. Incropera, D. P. (1976). Introduction to Heat Transfer. Canada: John

Wiley & Sons.

Holman, J. (1984). Perpindahan Kalor. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Ir. Herry Supriyanto, MT. (2011). Perpindahan Panas. Malang.

Jong Joon Lee, J. E. (2007). Peformance Test and Component Characteristic

Evaluation of Micro Gas Turbine. Journal of Mechanical Science

and Technology, 141-152.

Kreith, F. (2000). The CRC Handbook of Thermal Engineering. In D. W.

Nowobilski, Thermal Insulation (pp. 188-198). Boca Raton: CRC

Press LLC.

Mursyid, A. (2012). Analisis Unjuk Kerja Kompresor Sentrifugal Pada Turbin

Gas Mikro Proto X-2. Skripsi, 1.

Nugraha, T. A. (2012). Modifikasi Engine Berbahan Bakar Premium Menjadi

Berbahan Bakar Biogas Sebagai pembangkit Listrik. Skripsi, 5-20.

PT. Patria Utama Humanindo. (1998). Gas Turbine Operation & Maintenance.

Bandung: Petroleum Industrial Training Consultant.

Riansyah, S. (2014). Perancangan Mikro Gas Turbin Berbahan Bakar Biogas.

Skripsi.

W.P.J Visser, S. A. (2011). Development of a 3 kW Microturbine for CHP

Applications. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,

133.

Wikipedia. (2013, April 15). Isolasi Termal. p. 1.

Wikipedia. (n.d.). Konveksi Bebas.