vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT 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 pipa konsentrik dengan double-sided
delta-winglet.
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 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. Bapak Agung Tri Wijayanta, M.Eng., 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. Bapak Dominicus Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku pembimbing
akademik saya yang selalu memberikan nasehat yang baik disetiap awal
semester.
5. Aldi Ruvian, Cahyo Fajar, Wahyu Nur, Aprivianto, Agung Hariadi, dan
Firgo Paransisco selaku sahabat senang, sedih, maupun susah dalam
pengerjaan Tugas Akhir.
6. Ivan Riandana, Rezha Nugraha, Dharma Nugraha, Nuryawan Mirsa, Fachri
Siddik, Raden Mahesa, Alfi Ramadhan, Tri Ananta, Imaddudin Edwin,
Chitra Husna, dan Sabrina Heriza yang selalu memberikan semangat yang
tak tergantikan.
7. Teman-teman teknik mesin UNS angkatan 2012 (CAMRO) yang senantiasa
vii
8. Rekan-rekan SMA Bina Insani Bogor, terutama Ditya Anggoro, Diandra
Aditama, Elnath Splendita, Tadzali Tigin, Max Alto, Romanova Bernanthos
dan Ambar Puspitasari yang selalu menjadi motivasi serta selalu
memberikan semangat setiap hari.
9. 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. Akhir
kata, penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi penulis maupun
pembaca.
Surakarta, 14 Februari 2017
viii
Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor Dengan Double Sided Delta Winglet Tape Insert
Dandy Anugerah W. Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
Email : anugerahdandy@gmail.com
Abstrak
Teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor sudah banyak dikembangkan dan diteliti di dunia industri, salah satunya adalah dengan penambahan sisipan/tape insert. Penelitian ini dilakukan dengan simulasi numerik pada penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan double-sided delta-winglet tape inserts (DWTs). Simulasi numerik dilakukan dengan menggunakan ANSYS FLUENT 14.5. dengan pemodelan computational fluid dynamics (CFD) 3D. Analisa perpindahan panas dan aliran fluida dilakukan pada aliran turbulen. Metode analisa turbulensi yang digunakan adalah k-ε RNG. Variasi DWT yang digunakan
adalah variasi sudut serang (α) 30°, 50°, dan 70° serta variasi winglet width ratio (RB = b/D) 0,28 dan 0,35. Variasi bilangan Reynolds pada pipa dalam (inner tube) dilakukan pada rentang Re 8.000 - 18.000 dan untuk bagian annulus dibuat konstan pada bilangan Reynolds 8.000. Fluida kerja yang digunakan pada pipa dalam dan annulus adalah air. Sebagai perbandingan, pada penelitian ini juga dilakukan pengujian pada penukar kalor tanpa sisipan (plain tube). Dari hasil pengujian didapatkan bahwa terjadi peningkatan pada bilangan Nusselt, pressure drop, dan faktor gesekan. Pada variasi α, peningkatan bilangan Nusselt yang terjadi sebesar 28,7 % - 60,3% dan faktor gesekan meningkat 5,3 – 11,3 kali jika dibandingkan dengan plain tube dan unjuk kerja maksimum adalah 0,83. Pada variasi RB, peningkatan bilangan Nusselt yang terjadi sebesar 51,1 % - 122,3 % dan faktor gesekan meningkat 11,3 – 15,4 kali jika dibandingkan dengan plain tube dan unjuk kerja maksimum adalah 1,03.
Kata kunci : double-sided delta-winglet, pembangkit vorteks, aliran fluida, peningkatan perpindahan panas, penukar panas, ANSYS FLUENT
ix
Numerical Simulation of Heat Transfer Enhancement in a Heat Exchanger with Double-Sided Delta-Winglet Tape Insert
Dandy Anugerah W.
Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
Email : anugerahdandy@gmail.com
Abstract
Heat transfer enhancement techniques has been extensively investigated by numerically and experimentally, such as the installation of tape insert. This investigation were carried out with numerical simulation in a concentric tube heat exchanger with the addition of double-sided delta-winglet tape inserts (DWTs). Numerical simulation were performed using computational fluid dynamic modeling (CFD) 3D with ANSYS FLUENT 14.5. Heat transfer analysis and fluid flow were conducted in a turbulent flow. In this study, k-ε RNG model was used for modeling the turbulent flow regime. The variation of DWTs were angle of attack
(α) 30°, 50°, 70° and winglet-width ratio (RB = b/D) 0.28 and 0 .35. Reynolds number were in the range of 8,000 – 18,000 Water were used as working fluids for both inner tube and annulus side. For comparison, in this study also tested the heat exchanger without tape insert (plain tube). The result reveals that the DWTs enhance considerably the Nusselt number, pressure drop, and friction factor. The
DWTs with variation of α, increase the Nusselt number and friction factor
respectively up to 28,7% - 60,3% and 5,3 – 11,3 times of the plain tube and the maximum thermal performance is 0,83. The DWTs with variatiom of RB, increase the Nusselt number and friction factor respectively up to 51,1% - 122,3% and 11,3
– 15,4 times of the plain tube and the maximum thermal performance is 1,03.
x DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL... i
HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ... iv
HALAMAN MOTTO ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
ABSTRAK ... ix
ABSTRACT ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xvi
DAFTAR NOTASI ... xvii
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 ... 6
2.1. Tinjauan Pustaka ... 6
2.2. Dasar Teori... 11
2.2.1. Computational Fluid Dynamics ... 11
2.2.2. Dasar Perpindahan Panas ... 18
2.2.3 Aliran Dalam Pipa ... 19
2.2.4. Penukar Kalor ... 18
2.2.5. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ... 25
xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 30
3.1. Tempat Penelitian ... 30
3.2. Alat Penelitian ... 30
3.3. Variasi Penelitian ... 31
3.4. Konfigurasi Mesh ... 33
3.5. Diagram Alir Penelitian ... 36
3.6. Prosedur Penelitian ... 37
3.6.1. Tahap Persiapan ... 37
3.6.2. Pengujian Penukar Kalor Tanpa DWT (Plain Tube) ... 37
3.6.3. Pengujian Penukar Kalor Dengan DWT ... 38
3.7. Metode Analisa Data ... 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 40
4.1. Validasi Penelitian ... 40
4.2. Simulasi Dengan DWT ... 44
4.3. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Dengan Penambahan DWT α ... 45
4.3.1. Karakteristik Perpindahan Panas Dengan Penambahan DWT α .. 45
4.3.2. Karakteristik Faktor Gesekan Dengan Penambahan DWT α ... 52
4.4. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Dengan Penambahan DWT RB ... 55
4.4.1. Karakteristik Perpindahan Panas Dengan Penambahan DWT RB 55 4.4.2. Karakteristik Faktor Gesekan Dengan Penambahan DWT RB ... 61
4.5. Karakteristik Unjuk Kerja Termal Dengan Penambahan DWT ... 64
4.5.1. Karakteristik Unjuk Kerja Dengan Penambahan DWT α ... 65
4.5.2. Karakteristik Unjuk Kerja Dengan Penambahan DWT RB ... 66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 68
5.1. Kesimpulan ... 68
5.2. Saran ... 68
DAFTAR PUSTAKA ... 69
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Kualitas Mesh Berdasarkan Skewness ... 13
Tabel 2.2. Kelebihan dan Kekurangan pada Model Turbulen ... 17
Tabel 3.1. Parameter Penelitian ... 32
Tabel 3.2. Tabel statitistik mesh keseluruhan ... 35
Tabel 4.1. Validasi model turbulensi plain tube berdasarkan bilangan Nusselt .... 42
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Streamline untuk susunan Forward Wing ... 8
Gambar 2.2 Streamline untuk susunan Backward Wing ... 8
Gambar 2.3 Pengujian metode analisa model turbulen ... 9
Gambar 2.4 Perbandingan nilai Nusselt pada plain tube dengan pipa sisipan ... 9
Gambar 2.5 Bentuk-bentuk dasar Meshing ... 13
Gambar 2.6. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas ... 12
Gambar 2.7Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran masuk aliran pipa... 20
Gambar 2.8 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah ... 21
Gambar 2.9 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah ... 22
Gambar 2.10 Penukar kalor pipa konsentrik ... 23
Gambar 2.11 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik ... 24
Gambar 2.12 Streamwise vortices ... 26
Gambar 2.13 Vortex generators berupa Delta Wing, Rectangular Winglet, Delta Winglet Pair, dan Rectangular Winglet Pair ... 28
Gambar 2.14. Bentuk aliran vorteks longitudinal oleh winglet ... 29
Gambar 3.1. Tampilan Awal Software ANSYS 14.5... 30
Gambar 3.2 Nomenklatur double-sided delta-winglet tape insert... 31
Gambar 3.3 Variasi Penelitian Sudut Serang ... 32
Gambar 3.4 Variasi Penelitian winglet width ratio ... 33
Gambar 3.5 Metode face sizing pada geometri penukar kalor ... 34
Gambar 3.6. Hasil regenerasi mesh pada plain tube ... 34
Gambar 3.7. Hasil regenerasi mesh pada pipa dalam dengan tambahan DWT .... 36
Gambar 3.8 Diagram alir pelaksanaan penelitian... 37
Gambar 4.1. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube... 42
xiv
Gambar 4.3. Variasi model dengan tambahan DWT ... 44
Gambar 4.4. Grafik hubungan Nui dengan bilangan Reynolds pada Variasi α.... 45
Gambar. 4.5. Distribusi temperatur pada plain tube pada Re 17.500... 46
Gambar. 4.6. Distribusi temperatur pada α = 30° pada Re 17.500... 47
Gambar. 4.7. Distribusi temperatur pada α = 50° pada Re 17.500... 47
Gambar. 4.8 Distribusi temperatur pada α = 70° pada Re 17.500... 47
Gambar 4.9. Distribusi kecepatan plain tube pada Re 17.500... 48
Gambar 4.10. Distribusi kecepatan α = 30° pada Re 17.500... 48
Gambar.4.11. Distribusi kecepatan α = 50° pada Re 17.500... 48
Gambar 4.12. Distribusi kecepatan α = 70° pada Re 17.500... 48
Gambar 4.13. Streamline Plain tube pada Re 17.500 ... 49
Gambar 4.14. Streamline α = 30° pada Re 17.500 ... 49
Gambar 4.15. Streamline α = 50° pada Re 17.500 ... 50
Gambar 4.16. Streamline α = 70° pada Re 17.500... 50
Gambar 4.17. Perbandingan streamline α = 30° danα = 70° pada Re 17.500... 51
Gambar 4.18 Hubungan Pressure drop dengan bilangan Reynolds Variasi α... 52
Gambar 4.19 Distribusi tekanan plain tube pada Re 17.500... 53
Gambar 4.20 Distribusi tekanan α = 30° pada Re 17.500... 53
Gambar 4.21 Distribusi tekanan α = 50° pada Re 17.500... 53
Gambar 4.22 Distribusi tekanan α = 70° pada Re 17.500... 53
Gambar 4.23 Grafik hubungan faktor gesekan dengan Re variasi α ... 54
Gambar 4.24 Grafik hubungan Nuidengan Rey pada variasi α ... 55
Gambar 4.25 Distribusi temperatur plain tube pada Re 17.500... 56
Gambar 4.26 Distribusi temperatur RB 0,28 pada Re 17.500 ... 57
Gambar 4.27 Distribusi temperatur RB 0,35 pada Re 17.500 ... 57
Gambar 4.28 Distribusi kecepatan plain tube pada Re 17.500 ... 58
Gambar 4.29 Distribusi kecepatan RB 0,28 pada Re 17.500 ... 58
Gambar 4.30 Distribusi kecepatan RB 0,35 pada Re 17.500 ... 58
Gambar 4.31 Streamline plain tube pada Re 17.500 ... 59
Gambar 4.32 Streamline RB 0,28 pada Re 17.500 ... 59
xv
Gambar 4.34 Perbandingan streamline RB 0,28 dan RB 0,35 pada Re 17.500... 60
Gambar 4.35 Hubungan Pressure drop dengan bilangan Reynolds Variasi RB... 62
Gambar 4.36 Distribusi tekanan plain tube pada Re 17.500 ... 62
Gambar 4.37 Distribusi tekanan RB 0,28 pada Re 17.500 ... 62
Gambar 4.38 Distribusi tekanan RB 0,35 pada Re 17.500 ... 62
Gambar 4.39 Grafik hubungan faktor gesekan dengan Re variasi RB ... 64
Gambar 4.40 Hubungan unjuk kerja termal dengan Re variasi α ... 65
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Hasil Model Uji... 71
Lampiran 2. Profil distribusi temperatur pada Re 10.000 ... 75
Lampiran 3. Profil distribusi tekanan pada Re 10.000 ... 77
Lampiran 4. Profil distribusi kecepatan pada Re 10.000 ... 78
Lampiran 5. Streamline pada Re 18.000 ... 79
xvii
DAFTAR NOTASI
Nomenclature
Ai = Luas penampang pipa dalam
(m2)
v = Kecepatan fluida (m/s)
Ao = Luas penampang annulus (m2) vin = Kecepatan fluida masuk
(m/s)
Cp = Panas jenis fluida (KJ/Kg.K) vout = Kecepatan fluida keluar (m/s)
Di = Diameter dalam pipa dalam
(m)
µ = Viskositas dinamis (kg/m.s)
Do = Diameter luar pipa dalam (m) α = Sudut serang
Dh = Diameter hidrolik (m) ƞ = Unjuk kerja termal
h = Koefisien perpindahan panas
konveksi (W/m2.K)
ρ = massa jenis (kg/m3)
k = Kondutivitas transfer kalor
(W/m K)
Subscripts
L = Panjang pipa (m) b Bulk
m = Laju aliran massa (kg/s) c Fluida dingin
Nu = Bilangan Nusselt h Fluida panas
�P = Penurunan tekanan (Pa) w Dinding pipa Pr = Bilangan Prandtl RB Winglet width ratio Q = Laju perpindahan panas (W)
Re = Bilangan Reynolds
U = Koefisien perpindahan panas
overall (W/m2)
T = Temperatur (K)
Tin = Temperatur fluida masuk (K)
