SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA ... · Simulasi numerik dilakukan dengan...

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

iv

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

v

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”


“Ingatlah bahwa kesuksesan selalu disertai dengan kegagalan”


vi

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.

vii

Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor

Dengan Rectangular-Cut Twisted Tape Insert


Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

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

viii

Numerical Simulation Of Heat Transfer Enhancement On Heat Exchanger

With Rectangular-cut Twisted Tape Insert


Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering

Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

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

ix

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.

x

Akhir kata, penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi penulis maupun

pembaca.

Surakarta, 12 Mei 2017

Penulis

xi

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

xii

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


4.4. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Unjuk Kerja Termal dengan


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 51

5.1. Kesimpulan ............................................................................................ 52

5.2. Saran ....................................................................................................... 53

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiii

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 Nui 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

xiv

Gambar 4.19 Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynol20 ......... 53

Gambar 4.20 Hubungan unjuk kerja termal dengan bilangan Reynolds .............. 54

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Skala kualitas Meshing ........................................................................ 19

Tabel 3.1. Statistik Mesh Semua Model .............................................................. 19

xvi

DAFTAR NOTASI

A = Luas penampang (m2)

Di = Diameter dalam pipa (m)

f = Faktor gesekan

h = Koefisien perpindahan panas

(W/m2K)

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)

Tin = Temperatur fluida masuk (K)

Tout = Temperatur fluida keluar (K)

Tave = Temperatur rata-rata (K)

Tw = Temperatur dinding pipa (K)

v = Kecepatan fluida (m/s)

vin = Kecepatan fluida masuk

(m/s)

vout = Kecepatan fluida keluar

(m/s)

Cp = Kalor jenis (J/kg K)

ρ = Densitas (kg/m3)

= Viskositas dinamik (kg/m s)

P = Tekanan (pa)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Wp = Daya pemompaan (Watt)

Nui = Bilangan Nusselt pipa dalam

H = panjang pitch (mm)

d = lebar sisipan (mm)

m = laju aliran massa (kg/s)

Qh = laju perpindahan panas pipa

dalam (W)

Qc = laju perpindahan panas pipa

luar(annulus) (W)

Ui = koefisien perpindahan panas

overall (W/m2K)

η = Unjuk kerja termal

SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA ... · Simulasi numerik dilakukan dengan...

Documents

Transcript of SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA ... · Simulasi numerik dilakukan dengan...