SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN
TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA
PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN
LOUVERED STRIP INSERT
SKRIPSI
Ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
CAHYO FAJAR BUDI ANRANTO NIM. I0412014
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa sesungguhnya 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, Februari 2017
v
HALAMAN MOTTO
“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.” (
QS. Al-Insyirah: 6
)“Keistimewaan dari sebuah kehidupan adalah menjadi dirimu sendiri.” (
Joseph Campbell
)“Yang membuatku terus berkembang adalah tujuan-tujuan hidupku.” (
Muhammad Ali
)“Satu-satunya sumber pengetahuan adalah pengalaman.” (
Albert Einstein
)“Lakukan yang terbaik yang bisa Anda lakukan.” (
Cahyo Fajar Budi Anranto
)“Ketika orang pintar dikalahkan oleh orang yang beruntung, maka orang yang beruntung akan dikalahkan oleh orang yang selalu berusaha keras, berdoa dan
mampu beradaptasi dengan segala kondisi.” (
Cahyo Fajar Budi Anranto
)vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat dan karunia yang
diberikan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Dengan mengucapkan rasa
syukur kepada Allah SWT, karya ini saya persembahkan kepada:
Ibuku tersayang Kasmi yang selalu mendoakan untuk kebaikan anak-anaknya, serta
kasih sayang yang sangat dalam untuk kami semua
Bapakku tersayang Suranto yang selalu bekerja keras untuk memenuhi kebutuhan
keluarga, serta mendidik anak-anaknya supaya menjadi pribadi yang mandiri dan
bermanfaat bagi lingkungan sekitar
Kedua kakakku yang selalu saya sayangi Andra dan Suci, yang membuat hidupku tidak
pernah sepi
Serta semua keluarga besar yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu
Ibu Indri Yaningsih dan Bapak Agung Tri Wijayanta, yang selalu memberikan
bimbingan dan ilmu kepada saya yang InsyaAllah akan berguna di masa depan
Semua sahabatku di Teknik Mesin UNS terutama angkatan 2012 (CAMRO): Abdollah,
Agil, Agung, Aldi, Alfi, Apri, Bayu, Bagus, Bima, Dandy, Dharma, Fachri, Faishal,
Frans, Guntur, Tommy, Baim, Ivan, Olif, Lasikun, Rizqi, Mahfudz, Asfar, Andy, Mirsa,
Oky, Ditya, Afit, Rama, Rezha, Ridwan, Ifa, Syarif, Alam, Vidi, Wachid, Wahyu, Bilal,
Zulfi yang telah berjuang bersama mulai dari Injeksi hingga sekarang yang akan
selalu saya rindukan
Ucapan terima kasih saya berikan kepada Aprivianto yang telah banyak membantu
saya dalam proses simulasi tugas akhir saya
vii
SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR
PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT
Cahyo Fajar Budi Anranto Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
e-mail : cahyofajar@student.uns.ac.id
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh sisipan louvered strip
terhadap peningkatan perpindahan panas dan pola aliran pada penukar kalor pipa konsentrik. Penukar kalor memiliki dimensi panjang 2110 mm, diameter dalam dan luar pipa dalam 14,3 mm dan 15,8 mm serta diameter dalam dan luar pipa luar 23,4 mm dan 25,4 mm. Louvered strip berbentuk oval dengan panjang 10 mm, lebar 6 mm dan tebal 1 mm yang menempel pada pipa pejal dengan diameter 2 mm. Louvered strip disusun secara backwarddengan variasi sudut kemiringan α
= 15°, 20° dan 25°. Proses simulasi menggunakan software ANSYS Fluent dengan model turbulensi RNG k-ε. Model turbulensi RNG k-ε dipilih karena sesuai untuk pemodelan aliran yang berputar dengan bilangan Reynolds yang tidak terlalu tinggi. Fluida yang digunakan adalah air (incompressible) dengan mengabaikan pengaruh gravitasi serta diasumsikan dalam kondisi tunak. Penambahan louvered strip menyebabkan aliran fluida terganggu sehingga pola aliran yang terbentuk semakin turbulen. Semakin tinggi turbulensi menyebabkan perpindahan panas semakin meningkat. Hasil simulasi menunjukkan bahwa
peningkatan perpindahan panas paling tinggi pada sudut kemiringan α = 25°
dengan nilai bilangan Nusselt sebesar 340,95.
viii
NUMERICAL SIMULATION THE EFFECT OF SLANT ANGLE TOWARD HEAT TRANSFER ENHANCEMENT ON CONCENTRIC
TUBE HEAT EXCHANGER WITH LOUVERED STRIP INSERT
Cahyo Fajar Budi Anranto Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering, Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
e-mail : cahyofajar@student.uns.ac.id
Abstract
The research aims to know the influence of louvered strip insert for heat transfer enhancement and flow pattern on concentric tube heat exchanger. The heat exchanger is 2110 mm length, inside and outside diameter of inner tube are 14.3 mm and 15.8 mm, inside and outside of outer tube are 23.4 mm and 25.4 mm. Louvered strip is oval with 10 mm length, 6 mm width and 1 mm thick that stick on solid pipe with 2 mm of diameter. Louvered strip arranged in backward with variation of slant angle α = 15°, 20° and 25°. Simulation processes use ANSYS Fluent with RNG k-ε turbulence model. RNG k-ε turbulence model is selected because suitable for swirling flow modeling with low Reynolds number. The fluid is water (incompressible) with gravity effect neglected and steady state condition determined. Louvered strip insert generate the fluid flow disturbed and the flow become more turbulent. More higher turbulent flow will cause increasing heat transfer. The simulation results show that the best heat transfer enhancement
occurs in slant angle α = 25° with Nusselt number value is 340,95.
ix
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha
Penyayang. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,
karena berkat limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan
laporan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas
Sebelas Maret.
Dalam proses penyelesaian skripsi ini tentu saja terdapat bantuan dari
berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu,
pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ibu dan Ayah penulis yang selalu memberikan doa dan nasehat sehingga
penulis bisa menjadi seperti sekarang.
2. Bapak D. Danardono Dwi Prija T., S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen
pembimbing akademis yang selalu memberikan pengarahan selama menjalani
perkuliahan di Teknik Mesin UNS.
3. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing I yang selalu
memberikan ilmu pengetahuan tentang bagaimana penyusunan skripsi yang
baik.
4. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing II
yang selalu memberikan ilmu pengetahuan tentang bagaimana melakukan
penelitian simulasi dengan baik.
5. Bapak Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T., Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T.,
M.T. dan Bapak R. Lulus Lambang, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang
telah memberikan kritik dan saran yang membangun untuk skripsi ini.
6. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin UNS yang telah memberikan ilmu dan
motivasi selama menjalani masa perkuliahan.
7. Sahabat Tugas Akhir Simulasi Perpindahan Panas: Agung, Aldi, Apri, Dandy,
Frans dan Wahyu yang telah berjuang bersama dari awal hingga selesainya
Tugas Akhir.
8. Seluruh sahabat Teknik Mesin UNS 2012 (CAMRO) yang selalu memberikan
x
9. Semua sahabat Teknik Mesin UNS yang selalu menemani di masa
perkuliahan.
10.Seluruh pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini baik secara
langsung maupun tidak langsung yang tidak bisa penulis sebutkan satu
persatu.
Penulis berharap semoga skripsi ini mampu memberikan manfaat,
wawasan dan inspirasi bagi siapa saja yang membacanya. Namun penulis juga
menyadari bahwa masih terdapat kekurangan didalam skripsi ini, sehingga penulis
juga mengharapkan kritik dan saran yang membangun supaya karya tulis
berikutnya dapat lebih baik lagi.
Surakarta, Februari 2017
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ... iv
HALAMAN MOTTO ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR PERSAMAAN ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar Belakang Masalah ... 1
1.2Perumusan Masalah... 3
1.3Batasan Masalah ... 3
1.4Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 3
1.5Sistematika Penulisan ... 4
BAB II LANDASAN TEORI ... 5
2.1Tinjauan Pustaka ... 5
2.2Dasar Teori ... 8
2.2.1 Penukar Kalor ... 8
2.2.2 Louvered Strip Insert ... 12
2.2.3 Aliran Dalam Pipa ... 12
2.2.4 Rumus Perhitungan Data dan Validasi Plain Tube ... 13
2.2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 14
2.3Proses Simulasi pada Fluent ... 16
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 21
3.1Pelaksanaan Penelitian ... 21
3.2Alat dan Instrumentasi Penelitian ... 21
3.2.1 Komputer ... 21
3.2.2 Software ANSYS 15.0 Fluent ... 21
3.3Variasi Penelitian ... 22
3.4Diagram Alir Penelitian ... 22
3.5Prosedur Penelitian ... 23
3.5.1 Tahap Persiapan ... 23
3.5.2 Simulasi Penukar Kalor Tanpa Sisipan (Plain Tube)... 24
3.5.3 Simulasi Penukar Kalor Dengan Penambahan Sisipan ... 24
xii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 26
4.1Validasi Penelitian... 26
4.2Hasil dan Analisa Data Simulasi ... 30
4.2.1 Pola Aliran... 30
4.2.2 Kontur Aliran ... 33
4.2.3 Karakteristik Perpindahan Panas ... 34
4.2.4 Karakteristik Faktor Gesekan ... 36
4.2.5 Daya Pemompaan ... 39
BAB V PENUTUP ... 40
5.1Kesimpulan... 40
5.2Saran ... 40 DAFTAR PUSTAKA
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Penukar kalor aliran searah (parallel-flow) ...9
Gambar 2.2 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran searah ...9
Gambar 2.3 Penukar kalor aliran berlawanan arah (counter-flow) ...10
Gambar 2.4 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran berlawanan arah ...10
Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik ...11
Gambar 2.6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik ...11
Gambar 2.7 Nomenklatur louvered strip insert...12
Gambar 2.8 Bentuk-bentuk dasar meshing...16
Gambar 2.9 Metode pressure based ...18
Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS 15.0 Fluent ...21
Gambar 3.2 Skema pemasangan louvered strip insert susunan backward ...22
Gambar 3.3 Diagram alir penelitian ...23
Gambar 4.1 Grafik validasi bilangan Nusselt pada plain tube ...27
Gambar 4.2 Grafik validasi faktor gesekan pada plain tube ...28
Gambar 4.3 Validasi pemodelan dengan dua metode meshing yang berbeda ...29
Gambar 4.4 Posisi pengambilan data ...30
Gambar 4.5 Pola aliran fluida panas pada bilangan Reynolds 17.000 ...31
Gambar 4.6 Pola aliran di suatu titik pada bilangan Reynolds 17.000 ...32
Gambar 4.7 Kontur kecepatan di suatu titik pada bilangan Reynolds 17.000 ...33
Gambar 4.8 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt ...34
Gambar 4.9 Kontur suhu pada bilangan Reynolds 17.000 ...35
Gambar 4.10 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesekan ...36
Gambar 4.11 Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan penurunan tekanan ...37
Gambar 4.12 Kontur tekanan pada bilangan Reynolds 17.000 ...38
xiv
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds ...12
Persamaan (2.2) Aliran laminar ...13
Persamaan (2.3) Aliran transisi ...13
Persamaan (2.4) Aliran turbulen ...13
Persamaan (2.5) Laju perpindahan panas di pipa dalam ...13
Persamaan (2.6) Laju perpindahan panas di sisi annulus ...13
Persamaan (2.7) Persentase kesalahan keseimbangan energi ...13
Persamaan (2.8) Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan luas permukaan dalam pipa dalam ...13
Persamaan (2.9) Nilai beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) ...13
Persamaan (2.10) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus ...13
Persamaan (2.11) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi pipa dalam ...14
Persamaan (2.12) Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam ...14
Persamaan (2.13) Faktor gesekan di pipa dalam ...14
Persamaan (2.14) Daya pemompaan ...14
Persamaan (2.15) Persamaan Petukhov ...14
Persamaan (2.16) Nilai f pada persamaan (2.15) ...14
Persamaan (2.17) Persamaan Blasius...14
Persamaan (2.18) Persamaan konservasi massa ...15
Persamaan (2.19) Persamaan konservasi momentum ...15
Persamaan (2.20) Persamaan konservasi momentum ...15
Persamaan (2.21) Persamaan konservasi momentum ...15
Persamaan (2.22) Persamaan konservasi energi ...15
Persamaan (2.23) Persamaan model turbulensi k-ε RNG ...15
