Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
ii
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
iii
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
iv
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.
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
v
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
vi
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: [email protected]
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
vii
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: [email protected]
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
viii
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
ix
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
x
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xi
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 4.9 Kontur Temperatur Penukar Kalor STT 6,5...................................... 44
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xii
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xiii
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
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xiv
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)
Qh = 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