SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR DENGAN SQUARE-CUT TWISTED TAPE INSERT SKRIPSI

SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR DENGAN SQUARE-CUT TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

ALDI RUVIAN NIM. I0412006

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hida yah-Nya sehingga Tugas akhir dapat diselesaikan. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan akademik untuk kelulusan pada program studi T eknik Mesin UNS. Laporan ini berisi tentang analisa numerik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor dengan metode sisipan square-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. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. dan Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.T., Ph.D. 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. Dandy Anugerah, Agung Hariadi, Fransisco, Cahyo Fajar, Wahyu Nur Utomo, Aprivianto Tri selaku teman diskusi dalam pengerjaan Tugas Akhir.

5. Nuryawan Mirsa, Mahesa Ramadhan, Rezha Nugraha, Dharma Nugraha, Fachri Siddik, Alfi Ramadhan, Ivan Riandana yang selalu memberikan semangat yang tak tergantikan.

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.

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

Surakarta, Maret 2017

Penulis

Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor Dengan Square-Cut Twisted Tape Insert

Aldi Ruvian

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail: aldi.ruvian@student.uns.ac.id

ABSTRAK

Penelitian secara numerik dilakukan dengan melakukan simulasi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan square-cut twisted tape insert (STT) dan classical twisted tape insert (CTT). Analisa numerik dilakukan dengan pemodelan computational fluid dynamics (CFD) 3D menggunakan software ANSYS FLUENT 14.5. Model perhitungan yang digunakan adalah k-ε RNG.

Variasi sisipan yang digunakan adalah twist ratio (y/W) 2.7; 4.5 dan 6.5. Variasi bilangan Reynolds pada pipa dalam dilakukan pada rentang bilangan Reynolds 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. Dari analisa numerik yang telah dilakukan, nilai bilangan Nusselt dan faktor gesekan pada pipa dalam dengan penambahan STT dengan twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 berturut-turut meningkat hingga 45,4% - 80,7% dan 2,0 – 3,3 kali dari plain tube dan unjuk kerja termal maksimum adalah 1,23. Pada penambahan CTT dengan twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 berturut-turut meningkat hingga 40,3% - 74,74% dan 1,7 – 3,0 kali dari plain tube dan unjuk kerja termal maksimum adalah 1,18

Kata kunci: Peningkatan perpindahan panas, faktor gesekan, square-cut twisted tape insert, komputasi fluida dinamis

Numerical Simulation Of Heat Transfer Enhancement On Heat Exchanger With Square-cut Twisted Tape Insert

Aldi Ruvian

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail: aldi.ruvian@student.uns.ac.id

ABSTRACT

Numerical analysis were carried out to study characteristics of working fluid in coencetric pipe heat exhanger with the addition of square-cut twisted tape insert (STT) and classical twisted tape insert (CTT). Numerical analysis performed using computational fluid dynamics modeling (CFD) 3D with ANSYS FLUENT 14.5 software. In this study, k-ε RNG model was used to model the turbulent flow regime. The variations of tapes is twist ratio (y/W) 2,7; 4,5; 6,5 for Reynolds number 8,000 – 18,000 that operated in inner tube and for the annulus side was made constant at Reynolds number 8.000. The working fluid that used at inner and annulus side is water. From the numerical analysis has been done, the addition of STT with twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 value of Nusselt number and friction factor in the inner tube respectively up to of 45,4% - 80,7% and 2,0 – 3,3 times of the plain tube and the maximum thermal performance is 1,23. The addition of CTT with twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 value of Nusselt number and friction factor in the inner tube respectively up to of 40,3% - 74,4% and 1,7 – 3,0 times of the plain tube and the maximum thermal performance is 1,18.

Keywords : Heat transfer enhancement, friction factor, square-cut twisted tape insert, Computational fluid dynamics

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 ... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Dasar Teori ... 8

2.2.1. Aliran Dalam Pipa... 8

2.2.2. Penukar Kalor ... 10

2.2.3. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ... 13

2.2.4. Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik ... 16

2.2.5. Computational Fluid Dnamics (CFD) ... 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 28

3.1. Pelaksanaan Penelitian ... 28

3.2. Alat dan Instrumentasi Penelitian ... 28

3.3. Meshing ... 31

3.4. Diagram Alir Penelitian ... 34

3.5. Prosedur Penelitian ... 35

3.5.1. Tahap Persiapan ... 35

3.5.2. Pengujian Penukar Kalor tanpa sisipan (Plain tube) ... 35

3.5.3. Pengujian Penukar Kalor dengan penambahan sisipan ... 35

3.6. Metode Analisis Data ... 37

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 38

4.1. Validasi Penelitian ... 38

4.2. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dengan Penambahan Twisted Tape Insert ... 41

4.3. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan dengan Penambahan Twisted Tape Insert ... 46

4.4. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Unjuk Kerja Termal dengan Penambahan Twisted Tape Insert ... 51

4.5. Analisis Pola Aliran Fluida ... 53

4.5.1. Distribusi Kecepatan ... 53

4.5.2. Streamline ... 56

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1. Kesimpulan ... 58

5.2. Saran ... 59

DAFTAR PUSTAKA ... 60

LAMPIRAN ... 63

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Skala kualitas Meshing... 21

Tabel 2.1. Kelebihan dan Kekurangan pada Model Turbulen ... 26

Tabel 3.1. Statistik mesh seluruh model... 33

Tabel 4.1 Hasil validasi plaintube berdasarkan bilangan Nusselt... 39

Tabel 4.2. Hasil validasi plaintube berdasarkan faktor gesekan ... 39

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran

masuk aliran pipa ... 9

Gambar 2.2 Arah aliran fluida, dan perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah... 10

Gambar 2.3 Arah aliran fluida, dan perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah ... 11

Gambar 2.4 Penukar kalor pipa konsentrik ... 11

Gambar 2.5 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik ... 12

Gambar 2.6 Bentuk-bentuk dasar meshing ... 21

Gambar 2.7 Kualitas meshing ... 21

Gambar 2.8 Meshing dengan pengaturan face spacing dan tanpa face spacing ... 22

Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS FLUENT 14.5 ... 28

Gambar 3.2 Nomenklatur classical twisted tape insert dan square-cut twisted tape insert ... 29

Gambar 3.3 Penambahan sisipan pada pipa dalam penukar kalor ... 29

Gambar 3.4 Variasi twist ratio square-cut twisted tape inserts ... 30

Gambar 3.5 Variasi twist ratio classical twisted tape inserts ... 30

Gambar 3.6 Metode face sizing pada geometri penukar kalor tanpa sisipan ... 31

Gambar 3.7 Hasil regenerasi mesh pada pipa dalam dengan penambahan sisipan 32 Gambar 3.8 Diagram Alir penelitian ... 34

Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ... 40

Gambar 4.2 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube... 41

Gambar 4.3 Kontur Temperatur Penukar Kalor Plain tube ... ..42

Gambar 4.4 Kontur Temperatur Penukar Kalor CTT 2,7 ... 42

Gambar 4.5 Kontur Temperatur Penukar Kalor CTT 4,5 ... 43

Gambar 4.6 Kontur Temperatur Penukar Kalor CTT 6,5 ... 43

Gambar 4.7 Kontur Temperatur Penukar Kalor STT 2,7... 44

Gambar 4.8 Kontur Temperatur Penukar Kalor STT 4,5... 44

Gambar 4.10 Penurunan Temperatur sepanjang arah radial ... 45

Gambar 4.11 Grafik Hubungan Nui dengan bilangan Reynolds ... 46

Gambar 4.12 Kontur Tekanan Pipa Dalam Plain tube ... 47

Gambar 4.13 Kontur Tekanan Pipa Dalam CTT ... 48

Gambar 4.14 Kontur Tekanan Pipa Dalam STT ... 49

Gambar 4.15 Penurunan Tekanan sepanjang arah aksial ... 49

Gambar 4.16 Grafik hubungan Re dengan Pressure Drop ... 50

Gambar 4.17 Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds ... 51

Gambar 4.18 Hubungan unjuk kerja termal dengan bilangan Reynolds ... 52

Gambar 4.19 Kontur Kecepatan Pipa Dalam Plain tube ... 53

Gambar 4.20 Kontur Kecepatan Pipa Dalam CTT ... 54

Gambar 4.21 Kontur Kecepatan Pipa Dalam STT ... 55

Gambar 4.22 Streamline Pipa Dalam Plain tube ... 56

Gambar 4.23 Streamline Pipa Dalam CTT ... 57

Gambar 4.24 Pola aliran pada bagian cutting dari STT ... 58

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data hasil simulasi uji... 63

Lampiran 2. Distribusi Temperature ... 71

Lampiran 3. Distribusi Tekanan ... 73

Lampiran 4. Distribusi Kecepatan... 75

Lampiran 5. Streamline ... 76

Lampiran 6. Perhitungan Data ... 78

Lampiran 7. Perhitungan Unjuk Kerja Thermal ... 85

Lampiran 8. Tabel Konduktivitas Thermal ... 90

Lampiran 9. Tabel Properties Air ... 90

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/m²) 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)

𝜇 = Viskositas dinamik (kg/m s) P = Tekanan (pa)

g = Percepatan gravitasi (m/s²) Wp = Daya pemompaan (Watt) Nui = Bilangan Nusselt pipa dalam y = panjang pitch (mm)

W = lebar sisipan (mm) m = laju aliran massa (kg/s) Q_h = 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