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
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
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
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
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,
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.
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.
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
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
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
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
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
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.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Penggunaan biogas saat ini sudah mulai banyak. pada engine pembakaran dalam dan beberapa engine bensin dan diesel yang dimodifikasi agar dapat menggunakan biogas sebagai bahan bakar (Nugraha, 2012).
Pembangkit energi skala mikro banyak dibutuhkan untuk lingkungan pedesaan, lingkungan kantor skala kecil dan perumahan. Pembangkit energi skala kecil dan perumahan.pembangkit energi skala mikro, diantaranya Turbin Mikro Hidro, Turbin Uap Mikro dan Turbin Gas Mikro (MGT). Pembangkit energi skala mikro memiliki keunggulan, diantaranya biaya pemeliharaan dan operasi yang rendah, pengoperasian yang mudah, dan bersifat mobile (Mursyid, 2012).
Turbin gas mikro didefinisikan sebagai pembangkit energi yang menghasilkan daya dibawah 200 kiloWatt (Jong Joon Lee, 2007). Dalam satu dekade terakhir, MGT telah diproyeksikan sebagai salah satu sistem pembangkit daya maupun termal yang prospektif, baik secara teknis, dimensi, biaya, maupun aspek lingkungan (W.P.J Visser, 2011).
2
3
Pada saat turbin gas berkerja, ruang bakar menghasilkan panas dengan temperature sebesar 970oC (Riansyah, 2014). Dan pada saat itulah permukaan atau dinding luar dari ruang bakar mengalami kerugian panas akibat dari pengaruh perbedaan temperature antara yang ada didalam ruang bakar dengan yang ada diluar ruang bakar (suhu lingkungan). Kehilangan panas atau kerugian panas (heat loss) adalah energi yang hilang melalui permukaan yang panas atau dingin dari suatu objek. Jika suhu permukaan lebih tinggi dari suhu lingkungan, panas akan ditransfer dari objek ke suhu lingkungan, yang disebut 'kehilangan panas'. Dan jika suhu permukaan dari objek lebih rendah dari suhu lingkungan, panas akan ditransfer dari suhu lingkungan ke objek, yang disebut 'keuntungan panas'.
(Departement of Industrial Promotion, 2007)
Thermal insulator/isolasi panas adalah bahan yang tahan terhadap panas. Setelah objek diberi insulator maka objek tersebut dapat disentuh dengan aman (Departement of Industrial Promotion, 2007)
Laju aliran panas melalui dinding pipa secara radial adalah berbanding terbalik dengan logaritma jari-jari luar. Sedangkan laju pembuangan panas dari permukaan luar berbanding lurus dengan jari-jari luar. Dengan demikian untuk pipa dengan jari-jari dalam r1 yang tetap, maka pembesaran jari-jari luar r akibat tebal isolasi akan memperbesar tahanan termal konduksi logaritmik dan memperkecil tahanan termal pada permukaan luar secara linier terhadap r.
4
. Thermal insulator dapat menjaga temperatur didalam ruang bakar sehingga dengan menggunakan termal insulator dapat memperkecil kerugian panas yang terjadi di dalam ruang bakar akibat dari pengaruh udara lingkungan. 1.2 Rumusan Masalah
Dari ulasan di atas dapat dirumuskan beberapa masalah, anatara lain: Bagaimana mekanisme perpindahan panas
Berapa ketebalan insulator yang dibutuhkan
Berapa besar pengaruh penggunaan thermal insulator terhadap effisiensi termal siklus
Bagaimana design dari thermal insulator dan jenis material yang digunakan
1.3 Tujuan Perancangan
Tujuan penulisan tugas akhir ini antara lain:
Mengetahui mekanisme perpindahan panas dalam sistem Mengetahui tebal dari thermal insulator
Mengetahui pengaruh penggunaan thermal insulator terhadap effisiensi termal siklus
Menghasilkan design thermal insulator dan mengetahui material yang digunakan
1.4. Batasan Masalah
Perancangan yang dibahas dalam tugas akhir ini dibatasi pada:
1. Tidak menghitung dampak thermal insulator terhadap life time material ruang bakar mikro turbin gas
