Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor Dengan Trapezoidal-Cut Twisted Tape Insert - UNS Institutional Repository

SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN

PANAS PADA PENUKAR KALOR DENGAN

TRAPEZOIDAL-CUT TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

AGUNG HARIADI NIM. I0412005

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

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, 4 Mei 2017

v MOTTO

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.” (Al-Insyirah: 6)

“Mungkin kecepatan punya batasan, namun harapan tak pernah terbatas” (Valentino Rossi)

“Tak ada seorangpun yang berbuat kebaikan akan berakhir pada keburukan. Baik di sini, ataupun di dunia yang akan datang”

(Bhagavad Gita)

“Don’t look at the poster on your wall and think ‘I could never do that’. Look at the poster on your wall and think ‘I’m gonna do that !’”

vi

PERSEMBAHAN

Syukur Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat cahya ilmu pengetahuan kemudahan serta petunjuk yang diberikan sehingga terselesaikan tugas akhir ini. Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur dan terimakasih kupersembahkan tulisan ini kepada:

1. Allah SWT, pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan kesempurnaan. Segala yang kualami adalah kehendak-Mu, semua yang kuhadapi adalah kemauan-Mu, segala puji hanya bagi-Mu, ya Allah, pemilik alam semesta, tempat bergantung segala sesuatu, tempat memohon pertolongan.

2. Junjungan Nabi besar Muhammad SAW, manusia terbaik di muka bumi, uswatun hasanah, penyempurna akhlak, sholawat serta salam semoga selalu tercurah padanya, keluarga, sahabat dan pengikutnya yang istiqomah hingga akhir zaman.

3. Kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari kedua orangtua dan dukungan adik-adik saya yang selalu mendukung.

4. Bapak 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.

5. Aldi Ruvian, Aprivianto Tri Wijanarko, Cahyo Fajar B.A, Dandy Anugerah, Firgo Paransisco J.S, Wahyu Nur Utomo, selaku teman diskusi dalam pengerjaan Tugas Akhir.

6. Budi S, Carisa H, Maulina N.G, Nitaya P, Rachma E.A yang selalu memberikan semangat dan motivasi yang luar biasa.

7. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2012 (CAMRO) yang sangat membantu berupa dukungan yang tiada henti.

vii

Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor

Dengan Trapezoidal-Cut Twisted Tape Insert

Agung Hariadi Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail : agunghariadi@student.uns.ac.id

ABSTRAK

Penelitian secara numerik dilakukan dengan melakukan simulasi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan trapezoidal-cut twisted tape insert (TTT) 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 8000 – 18000 dan untuk bagian annulus dibuat konstan pada bilangan Reynolds 8000. 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 TTT dengan twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 berturut-turut meningkat hingga 46,2% - 86,6% dan 2,9 – 4,1 kali dari plain tube dan unjuk kerja termal maksimum adalah 1,23. Pada penambahan CTT dengan twist ratio 2,7; 4,5; dan 6,5 berturut-turut meningkat hingga 40,9% - 74,4% dan 2,6 – 3,8 kali dari

plain tube dan unjuk kerja termal maksimum adalah 1,3.

viii

Numerical Simulation Of Heat Transfer Enhancement On Heat Exchanger

With Trapezoidal-cut Twisted Tape Insert

Agung Hariadi Department of Mechanical

Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail: agunghariadi@student.uns.ac.id

ABSTRACT

Numerical investigation of concentric pipe heat exchanger with the addition of a trapezoidal-cut twisted tape insert (TTT) and of a classical twisted tape insert (CTT) was performed by using computational fluid dynamics (CFD) modeling. In this research, k-ε RNG model was selected to model turbulent flow regime. The variations of tapes used in this research was a twist ratio (y/W) 2.7, 4.5, and 6.5. The variations of Reynolds Number in the inner pipe was operated at the range of 8000 – 18000, and for the annulus side was operated constant at 8000. The working fluid used in the inner pipe and in the annulus was water. Of numerical analysis which has been done, the numeral of Nusselt number and the friction factor in the inner pipe with the addition of TTT in a twist ratio of 2.7, 4.5, 6.5 successively increased to 46.2% - 86.6% and to 2.0 - 3.3 times of the plain tube and the maximum

of thermal’s working was 1.23. In the CTT’s addition with a twist ratio of 2.7, 4.5, and 6.5, it successively increased to 40.9% - 74.4% and 2.6 – 3.8 times of the plain tube and the maximum of thermal’s working was 1.3.

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga Tugas akhir dapat diselesaikan. Tugas akhir ini disusun unt

uk 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

Trapezoidal-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. Allah SWT, atas segala kenikmatan dan kemudahan yang telah diberikan. 2. Keluarga yang telah memberikan doa restu serta semangat yang terus menerus. 3. 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.

4. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku Kepala Prodi S1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret.

5. Aldi Ruvian, Aprivianto Tri Wijanarko, Cahyo Fajar B.A, Dandy Anugerah, Firgo Paransisco J.S, Wahyu Nur Utomo, selaku teman diskusi dalam pengerjaan Tugas Akhir.

6. Budi S, Carisa H, Maulina N.G, Nitaya P, Rachma E.A yang selalu memberikan semangat dan motivasi yang tak tergantikan.

7. Teman-teman teknik mesin UNS angkatan 2012 (CAMRO) yang senantiasa selalu memberi semangat dan bantuan.

8. Teman-teman teknik mesin UNS yang senantiasa selalu memberi semangat dan bantuan.

x

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, Mei 2017

xi DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ... iv

HALAMAN MOTTO ... v

1.4. Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 4

2.2.4. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ... 21

2.2.5. Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik ... 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27

3.1. Pelaksanaan Penelitian ... 27

3.2. Alat dan Instrumentasi Penelitian ... 27

3.3. Meshing ... 29

3.4. Diagram Alir Penelitian ... 32

3.5. Prosedur Penelitian ... 33

3.5.1. Tahap Persiapan ... 33

3.5.2. Pengujian Penukar Kalor tanpa sisipan (Plain tube) ... 33

3.5.3. Pengujian Penukar Kalor dengan penambahan sisipan ... 34

3.6. Metode Analisis Data ... 35

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN... 36

4.1. Validasi Penelitian ... 36

xii

4.3. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan dengan

Penambahan Twisted Tape Insert... 44

4.4. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Unjuk Kerja Termal dengan Penambahan Twisted Tape Insert... 48

4.5. Analisis Pola Aliran Fluida ... 50

4.5.1 Distribusi Kecepatan ... 50

4.5.2 Streamline ... 53

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 56

5.1. Kesimpulan ... 56

5.2. Saran ... 57

DAFTAR PUSTAKA ... 58

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Skala kualitas Meshing... 18

Tabel 2.1. Kelebihan dan Kekurangan pada Model Turbulen ... 20

Tabel 3.1. Statistik mesh seluruh model... 31

Tabel 4.1. Hasil validasi plain tube berdasarkan bilangan Nusselt... 37

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Hasil perbandingan HE menggunakan sisipan PTT dan TTT... 5

Gambar 2.2 Penukar kalor aliran searah (parallel flow) ... 8

Gambar 2.3 Distribusi temperatur pada penukar kalor aliran searah ... 9

Gambar 2.4 Penukar kalor aliran berlawanan arah (counter-flow) ... 9

Gambar 2.5 Distribusi temperatur pada penukar kalor aliran berlawanan arah .... 10

Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik ... 11

Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik ... 11

Gambar 2.8 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran masuk aliran pipa ... 13

Gambar 2.9 Bentuk-bentuk dasar Meshing ... 16

Gambar 2.10 Kualitas Meshing ... 16

Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS FLUENT 14.5 ... 27

Gambar 3.2 Nomenklatur Trapezoidal-cut twisted tape insert ... 28

Gambar 3.3 Nomenklatur Classical twisted tape insert... 28

Gambar 3.4 Trapezoidal-cut twisted tape inserts ... 29

Gambar 3.5 Metode face sizing pada geometri penukar kalor tanpa sisipan ... 30

Gambar 3.6 Hasil regenerasi mesh pada pipa dalam dengan penambahan sisipan 31 Gambar 3.7 Diagram Alir penelitian ... 32

Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ... 38

Gambar 4.2 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube... 39

Gambar 4.3 Kontur temperatur pipa dalam plain tube ... 40

Gambar 4.4 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 2,7... 40

Gambar 4.5 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 4,5... 41

Gambar 4.6 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 6,5... 41

Gambar 4.7 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 2,7 ... 42

Gambar 4.8 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 4,5 ... 42

Gambar 4.9 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 6,5 ... 42

Gambar 4.10 Perubahan temperatur sepanjang arah aksial pada Re 14100 ... 43

Gambar 4.11 Grafik hubungan Nui dengan bilangan Reynolds ... 44

Gambar 4.12 Kontur tekanan pipa dalam Plain tube pada Re 14100 ... 45

Gambar 4.13 Kontur tekanan pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 ... 45

Gambar 4.14 Kontur tekanan pipa dalam TTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 .... 46

Gambar 4.15 Grafik hubungan Re dengan Pressure Drop ... 47

Gambar 4.16 Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds ... 48

Gambar 4.17 Grafik hubungan unjuk kerja termal dengan bilangan Reynolds .... 49

Gambar 4.18 Kontur kecepatan pipa dalam Plain tube potongan aksial ... 50

Gambar 4.19 Kontur kecepatan pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 51 Gambar 4.20 Kontur kecepatan pipa dalam TTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 . 52 Gambar 4.21 Streamline pipa dalam plain tube pada Re 14100 ... 53

Gambar 4.22 Streamline pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 ... 54

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data Tekanan Lokal... 61

Lampiran 2. Data hasil simulasi ... 62

Lampiran 3. Perhitungan Data ... 66

Lampiran 4. Perhitungan Unjuk Kerja Termal ... 72

Lampiran 5. Tabel A9 Properties of Saturated Water ... 76

xvi

DAFTAR NOTASI

A = Luas penampang (m2) Di = Diameter dalam pipa (m)

f = Faktor gesekan

h = Koefisien perpindahan panas (W/m2_K)

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)

Qh = laju perpindahan panas pipa

dalam (W)

Qc = laju perpindahan panas pipa luar(annulus) (W)

Ui = koefisien perpindahan panas

overall (W/m2K)