STUDI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS SIRIP- SIRIP PIN ELLIPS SUSUNAN SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD

i

STUDI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS

SIRIP-SIRIP PIN ELLIPS SUSUNAN SELANG-SELING

DENGAN PENDEKATAN CFD

TUGAS AKHIR

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Disusun Oleh: SYAFRUDIN NIM. D200080076

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

ri

_HALAMAN PERSETUJUAN

Tugas

akhir

ini

disetujui

oleh

pembimbing tugas

akhir

untuk

dipertahankan didepan dewan penguji sebagai salah satu syarat memperoleh gelar

sarjana

S-l

Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas muhammadiyah Surakarta Hari Tanggal

/^&,

2t

Al7u4',

4a(

Disusun

oleh

: Nama : Syafrudin

NIM

: D200080076

Judul :Studi karakteristik Perpindahan Panas Sirip- Sirip Pin Ellips

Susunan Selang Seling Dengan Pendelatan CFD

Pembimbing T

HALAMAN PENGESAHAN

Telah diterima dan disetujui pembimbing untuk diajukan kepada dewan

penguji tugas akhir jurusan mesin fakultas teknik universitas muhammadiyah

Surakarta, dengan judul

:

STUDI KARAKTERITIK PERPINDAHAN PANAS

SIRIP

-

SIRIP

PIN

ELLIPS

SUSI.'NAN SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD Nama NIM NIRM Hari Tanggal Syafrudin D200080076 (...)^...r...)

(

_olh):t!,

> UMS

( Tri Widodo Besar Riyadi, ST. Msc., Ph.D.)

Ketua Jurusan Teknik Mesin

I I I

lv*

/?'4-Bk

zz/*/,a.,*

Dewan Penguji 1. Marwan Effendy ST., MT., Ph.D 2. Sartono Putro, h, MT.

3. Nur Aklis ST, M.Eng

Mengetahui

Dekan Fakultas Teknik

M.T., Ph.D)

v

HALAMAN MOTTO

Dengan menyebut nama Allah yang maha pengasi dan juga penyayang

-Q. S. Al – Fatihah 1-

Agama untuk akhiratku dan ilmu untuk duniaku

Cara Tuhan mengatakan kita terbatas, adalah dengan menciptakan ruang dan waktu

Dan cara Tuhan mengatakan kita kecil adalah menciptakan kita terbatas. -Author-

vi

STUDI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS SIRIP-SIRIP PIN ELLIPS SUSUNAN

SELANG-SELING DENGAN PENDEKATAN CFD

Abstrak

Laporan ini menggambarkan prediksi mengenai kinerja sirip-sirip pin ellips untuk pendingin internal pada sudu turbin gas. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui koefisien perpindahan panas pada susunan pin ellips.

Dalam penelitian ini study RANS turbulence model dipilih menggunakan pendekatan simulasi. Ada 2 tahap yang harus dilakukan yaitu pertama, melakukan validasi data dengan pendekatan simulasi pada bentuk sirip-sirip pin ellips susunan selang-seling yang dilakukan peneliti sebelumnya secara experimen. Dengan menggunakan tiga macam tipe mesh secara terstruktur mulai dari kasar sampai halus kemudian dilakukan studi perbaikan mesh hingga didapatkan mesh yang optimal. Kedua, menggunakan pendekatan simulasi dengan mengadopsi tiga tipe mesh yang digunakan pada tahap validasi. Simulasi dilaksanakan pada kondisi awal dan kondisi batas yang sama seperti dala experimen, bilangan Reynolds yang digunakan antara 9.000 sampai 36.000

Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas sangat dipengaruhi oleh kondisi aliran udara disekitar sirip-sirip pin ellips. Kenaikan pada bilangan Reynolds meningkatkan kenaikan koefisien perpindahan panas.

Kata kunci : sirip pin; computational fluid dynamics; koefisien perpindahan panas.

vii

CHARACERISTIC STUDY HEAT TRANSFER FINS OF PIN

ELLIPSE INTERVAL CONSTRUCTION WITH CFD

APPROACH

Abstract

This paper describes a performance prediction of the elliptical pin-fin cooling of gas turbine blade. The purpose of this study is to investigate the heat transfer coefficient on the elliptical pin arrangement.

The steady RANS with k-epsilon turbulence model was carried-out by two-stages investigation: first, validation of an existing circular staggered array of pin-fin cooling that has been investigated experimentally by other researcher. Three types structured mesh from coarse to fine were optimized for grid refinement study. Second, further investigation of the elliptical pin-fin cooling was simulated by adopting the same scenario of mesh generation based on the optimum result from validation. Simulations were performed at the same initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from 9,000 to 36,000.

The result shows that the heat transfer coefficient is highly influenced by the gas flow condition around the elliptical pin-fin. The increase of Reynolds number intensifies the increase of the heat transfer coefficient.

Keywords: Pin-fin; Computational fluid dynamics; heat transfer coefficient

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Studi karakteristik Perpindahan Panas Sirip – Sirip Pin Ellips Susunan Selang Seling Dengan Pendekatan CFD” dengan

baik dan lancar.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada:

1. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST. Msc., Ph.D., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UMS Surakarta.

2. Bapak Marwan Effendy, ST.MT.,Ph.D selaku Pembimbing atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

3. Bapak Ngafwan, Ir., MT. selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Muhammadiyah Surakarta ini.

4. Bapak Sunardi Wiyono Ir., MT., selaku koordinator Tugas Akhir

5. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UMS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

ix

maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini.

7. Rekan Skripsi : Semua personil tim “Sirip Pin”terima kasih untuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakanpenelitian ini

8. Mas Adnan,mas Punto, dan juga mas Mukron yang dengan sabar mengajari saya dalam bidang ansis ini

9. Semua teman – teman mahasiswa teknik mesin UMS khususnya mahasiswa angkatan 2008

10.Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.

Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin.

Surakarta, oktober 2016 Penulis

x DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

HALAMAN PERNYATAAN ... iv

MOTTO ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRAK ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR NOTASI ... xv

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 2

1.3. Batasan Masalah... 2

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 2

1.5. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... .5

xi

2.2. Dasar Teori ... 10

2.2.1. Sirip ... 10

2.2.2. Sistem CFD ... 11

2.2.3. Pembuatan Grid (Meshing) ... 12

2.2.4. Macam-macam Bentuk Sirip ... 13

2.2.5. Aplikasi Sirip Pin ... 17

2.3. Perpindahan panas ... 18

2.3.1. Parameter Tanpa Dimensi ... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1.Lokasi Penelitian ... 30

3.2. Spesimen Penelitian ... 30

3.3. Proses Penelitian ... 31

3.4. Metode Analisis Data ... 32

3.5. Diagram Alir Penelitian ... 33

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Pengujian ... 35

4.2 Perhitungan Data ... 37

4.3 Analisis Data ... 41

4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas ... . 41

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 43

xii DAFTAR PUSTAKA

xiii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 3.2. Data hasil pengaruh bilangan Reynolds terhadap perpindahan

panas rata-rata ... lampiran Tabel 4.3. Data hasil pengaruh biangan Reynolds terhadap Angka

bilangan Nusselt ... Lampiran Tabel Incropera... Lampiran

xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Sebuah susunan sirip pin ellips ... 10

Gambar 2.2. susunan sirip pin inline dan staggered... 11

Gambar 2.3. ukuran relatif dari circular fin, SEF, dan N fin ... 13

Gambar 2.4. perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip oin silinder berfillet ... 15

Gambar 2.5. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond ... 15

Gambar 2.6. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong ... 16

Gambar 2.7. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling) ... 17

Gambar 3.1. Dimensi dan tata nama spesimen ... 30

Gambar 3.2. Model spesimen... 31

Gambar 4.1. Karakteristik mesh... 36

Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata ... 41

Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt ... 42

xv

DAFTAR NOTASI

Lt = Panjang seksi uji ( m )

H = Tinggi sirip ( m )

Wb = Lebar specimen ( m )

L = Panjang specimen ( m )

S = Sisi-sisi sirip ( m)

Afront = Luas frontal dari sirip – sirip ( m2 )

As = Luas total permukaan perpindahan panas ( m2 )

At = Luas penampang melintang saluran udara ( m2 )

Dh = Diameter hidrolik ( m )

in

T = Temperatur rata – rata udara masuk saluran udara ( oK )

out

T = Temperatur rata – rata udara keluar saluran udara ( oK )

b

T = Temperatur udara rata – rata base plate ( oK )

Tf = Temperatur film ( oK )

V = Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s)

Vmaks = Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) ρ = massa jenis udara (kg/m3)

1. = viskositas kinematik udara (m2/s)

1 = viskositas dinamik udara (kg/m.s)

CP = Panas jenis udara (kJ/kg.oC)

Qelect = Laju aliran panas dari heater (W)

xvi

Qconv = Laju perpindahan panas konveksi (W)

Qloss = Heat losses yang terjadi pada seksi uji

ha = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata dengan sirip (W/m2.K)

hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata tanpa sirip (W/m2.K)

Nu = Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number ) NuD = Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number )

Re = Bilangan Reynold saluran udara ( Duct Reynold number ) ReD = Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number )

DP = Penurunan tekanan

f = Faktor gesek η = Unjuk kerja termal

Vh = Tegangan listrik heater ( V )

Ih = Arus listrik heater ( A )