Simulasi Numerik Pengaruh Kekasaran Permukaan Chamfered Continuous Rib Terhadap Perpindahan Panas Pada Solar Air Heater - UNS Institutional Repository

  

SIMULASI NUMERIK PENGARUH KEKASARAN

PERMUKAAN CHAMFERED CONTINUOUS RIB TERHADAP

PERPINDAHAN PANAS PADA SOLAR AIR HEATER

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

  

Sarjana Teknik

Oleh :

AJI NURSETO

  

NIM. I0413005

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS

  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, Juni 2017 Aji Nurseto

HALAMAN MOTTO

  “Kamu adalah umat yang terbaik yang dilahirkan untuk manusia, menyuruh kepada yang ma'ruf, dan mencegah dari yang munkar, dan beriman kepada Allah..” (Q.S. Ali Imron : ayat 110)

  "Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman diantaramu dan orang-orang yang berilmu beberapa derajat" (Q.S. Almujadalah : ayat 11). “Siapa yang menempuh jalan dalam rangka menuntut ilmu pengetahuan, maka Allah akan memudahkan baginya jalan kesurga "

  (H.R. Bukhari) “Setiap orang punya jatah gagalnya masing-masing, karena itu habiskan jatah gagalmu dimasa mudamu” (Dahlan Iskan) “Jadilah cahaya, penerang bagi setiap manusia dan jangan buang buang kesempatan sekecil apapun dan membiarkan setan merenggutnya darimu”

  (Aji Nurseto)

  

PERSEMBAHAN

  Dengan segenap rasa syukur kehadirat Allah SWT dan kerendahan hati, kupersembahkan tulisan ini kepada :

  1. Negara Kesatuan Republik Indonesia yang merupakan tanah air penulis.

  Penulis punya impian besar bahwa karya penulis dapat bermanfaat sebesar-besarnya untuk kepentingan rakyat Indonesia.

  2. Almamater tercinta Universitas Sebelas Maret Surakarta, tempat dimana penulis menimba ilmu teknik mesin dan memperkaya intelektualitas.

  Tempat ini adalah yang paling pantas untuk mempergunakan tulisan ini sehingga mampu bermanfaat bagi masyarakat umum dimasa yang akan datang.

  3. Kedua orangtua penulis yaitu Bapak Drs. Warsono, dan Ibu Neni Yuniawati S.Pd.i. Sekiranya tulisan ini belum mampu untuk membalas jasa-jasa mereka. Namun, melalui tulisan ini penulis berharap dapat menjadi sumber kebahagiaan mereka karena telah bersusah payah menyekolahkan penulis sampai saat ini.

  4. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D dan Bapak D. Danardono

  D. S.T., M.T., Ph.D yang tidak pernah lelah membimbing tugas akhir penulis.

  5. Seluruh dosen, karyawan, serta mahasiswa khususnya angkatan 2013 Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret.

  

SIMULASI NUMERIK PENGARUH KEKASARAN PERMUKAAN

CHAMFERED CONTINUOUS RIB TERHADAP PERPINDAHAN PANAS

PADA SOLAR AIR HEATER

Aji Nurseto

  Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

  Surakarta, Indonesia E-mail : nursetoaji18@gmail.com

  Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kekasaran buatan tipe

  

chamfered continuous rib pada solar air heater pelat datar untuk meningkatkan

  perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan dengan simulasi CFD 2 dimensi

  

steady flow menggunakan ANSYS FLUENT. Model Renormalization-group

  (RNG) k- ε dipilih sebagai model turbulensi yang paling sesuai. Hasil yang diharapkan untuk penelitian ini adalah untuk mengetahui panjang pitch antar rib yang optimal pada kisaran 3.800

  ≤ Re ≤ 18.000 untuk variasi relative roughness 6,67

  pitch ≤ P/e ≤ 13,33 dengan relative roughness height konstan e/D = 0,033.

  Sudut chamfer dijaga konstan sebesar 15 . Hasil dari simulasi menunjukkan bahwa aliran sekunder yang dibuat oleh chamfered rib menyebabkan perpindahan panas lebih besar di bagian atas saluran. Penyisipan kekasaran buatan pada saluran menyebabkan kenaikan kerugian gesekan. Hasil Investigasi CFD menunjukkan bilangan Nusselt dan faktor gesekan rata-rata menurun dengan kenaikan relative roughness pitch. Nilai maksimum peningkatan bilangan Nusselt dan faktor gesekan telah ditemukan sebesar 2,08 dan 2,986 kali terhadap saluran tanpa kekasaran.

  

Kata kunci : absorber, chamfered continuous rib, intensitas turbulensi,

reattachment point, relative roughness pitch , solar air heater, Nusselt

  

NUMERICAL SIMULATION THE EFFECT OF THE CHAMFERED

CONTINUOUS RIB ROUGHNESS ON HEAT TRANSFER

ENHANCEMENT IN SOLAR AIR HEATER

Aji Nurseto

  Mechanical Engineering Department Faculty of Engineering, Sebelas Maret University

  Surakarta, Indonesia E-mail :

  Abstract This study aimed to understand the effect of artificial roughness of the chamfered continuous rib on flat plate solar air heater in heat transfer enhancement. This study was carried out by conducting 2-dimensional CFD simulation with steady flow generation using ANSYS FLUENT. The Renormalization-group (RNG) k-

  ε model was selected as the most suitable turbulence model. The expected result of this study was the optimal pitch length of the ribs which ranges in the range of 3.800

  ≤ Re ≤ 18.000 for the relative roughness pitch variation of 6,67 ≤ P/e ≤ 13,33 with constant relative roughness height of e/D = 0,033. The chamfer angle was kept constant at 15 . The simulation showed that the secondary flow created by chamfered rib caused greater heat transfer over the duct. However, the insertion of artificial roughness on the ducts caused an increase in friction losses. The CFD investigation showed that there was a drop in the Nusselt number and average friction factor as the relative roughness pitch increased. A maximum value of Nusselt number and friction factor increased had been found to be 2,08 and 2,986 times over smooth duct.

  

Keyword : absorber, chamfered continuous rib, turbulence intensity, reattachment

  point, relative roughness pitch, solar air heater, Nusselt

KATA PENGANTAR

  Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelsaikan Skripsi ini dengan judul Simulasi Numerik Pengaruh Kekasaran Permukaan

  

Chamfered Continuous Rib Terhadap Perpindahan Panas pada Solar Air

Heater tepat pada waktunya. Shalawat dan salam atas junjungan Nabi besar

  Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia dari masa kebodohan kemasa yang penuh dengan ilmu pengetahuan seperti yang saat ini kita rasakan.

  Pada kesempatan ini penulis ingin menghaturkan ucapan terimakasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada pihak

• –pihak yang telah banyak membantu, baik secara moril maupun materil dalam proses penyelesaian skripsi ini, antara lain : 1.

  Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing satu yang selalu memberikan arahan dan semangat kepada penulis dalam menyelsaikan skripsi ini.

  2. Bapak D.Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing dua yang selalu memberikan arahan dan ilmu-ilmu yang menunjang keberhasilan skripsi ini.

  3. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. selaku pembimbing akademik yang selalu memberikan arahan akademik selama saya berkuliah di Prodi Teknik Mesin,Universitas Sebelas Maret.

  4. Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T. dan Bapak Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan-masukan dalam menyelasaikan skripsi ini.

  5. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret atas ilmu yang telah diberikan.

  6. Ayahanda Drs. Warsono dan Ibunda Neni Yuniawati S.Pd.i. serta keluarga besar yang selalu mendoakan dan mendukung sepenuhnya kegiatan perkuliahan penulis di UNS.

  7. Teman-teman se-angkatan di Program Studi Teknik Mesin UNS yang selalu memberikan semangat dan dukungan kepada penulis.

  8. Teman-teman SKI FT UNS 2016 atas kebersamaan dan kekeluargaannya selama berkuliah di UNS.

  9. Teman-teman KKN Grobogan 2017 atas semangat dan kekeluaragaannya.

  10. Sahabat penulis yang belum bisa penulis sebutkan satu per-satu, terimakasih atas semangat, motivasi, dan doanya.

  Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kelemahan dan membutuhkan penyempurnaan. Maka dengan segala kerendahan hati penulis menerima segala saran dan masukan dari semua pihak demi sempurnanya skripsi ini. Akhirnya penulis berharap bahwa semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi siapa saja yang ingin belajar.

  Surakarta, Juni 2017 Penulis,

  Aji Nurseto

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ................................................................................................i SURAT PENUGASAN .......................................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iii PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS............................................................iv HALAMAN MOTTO ............................................................................................. v PERSEMBAHAN ..................................................................................................vi ABSTRAK ..............................................................................................................ix

  

ABSTRACT ............................................................................................................... x

  KATA PENGANTAR ............................................................................................xi DAFTAR ISI ........................................................................................................ xiii DAFTAR TABEL ................................................................................................xvi DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xvii DAFTAR RUMUS ..............................................................................................xix DAFTAR NOTASI ...............................................................................................xxi

  BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

  1.1 Latar Belakang Masalah......................................................................... 1

  1.2 Perumusan Masalah ............................................................................... 4

  1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 4

  1.4 Tujuan Penelitian ................................................................................... 4

  1.5 Manfaat Penelitian ................................................................................. 5

  1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................ 5

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ........................................ 6

  2.1 Tinjauan Pustaka .................................................................................... 6

  2.2.Dasar Teori ............................................................................................. 8

  2.2.1 Perpindahan Panas ....................................................................... 8

  2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi ...................................................... 8

  2.2.3 Parameter Tanpa Dimensi ......................................................... 13

  2.2.4 Konsep Kekasaran Buatan (Artificial Roughness) .................... 14

  2.2.5 Metodologi Kekasaran Buatan .................................................. 15

  2.2.6 Perpindahan Panas dengan Pemisahan Aliran (Flow

  Separation ) dan Penggabungan Kembali (Reattachment) ........18

  2.2.7 Geometri Kekasaran yang Digunakan untuk Saluran Pemanas Udara Surya ................................................................ 20

  2.2.8 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Saluran Pemanas Udara Surya Segiempat dengan Kekasaran Buatan..........................................................21

  BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................ 26

  3.1 Tempat Penelitian ................................................................................ 26

  3.2.Alat dan Bahan ..................................................................................... 26

  3.3.Garis Besar Penelitian .......................................................................... 27

  3.4 Metode Penelitian ................................................................................ 29

  3.4.1. Penerapan mesh ........................................................................ 29

  3.4.2. Persamaan dasar ....................................................................... 29

  3.4.3. Model turbulensi ....................................................................... 30

  3.4.4. Kondisi batas ............................................................................ 31

  3.4.5. Validasi ..................................................................................... 32

  3.5 Diagram Alir Penelitian ....................................................................... 32

  3.6 Prosedur Penelitian .............................................................................. 33

  3.6.1. Tahap persiapan ........................................................................ 33

  3.6.2. Simulasi plat tanpa kekasaran (smooth duct) ........................... 34

  3.6.3. Simulasi plat dengan kekasaran buatan tipe ......................................................... 34

  chamfered continuous rib

  3.7 Analisis Data ....................................................................................... 35

  BAB IV DATA DAN ANALISA .......................................................................... 36

  4.1 Pengujian Validasi .............................................................................. 36

  4.2 Hasil Simulasi dan Analisa ................................................................. 39

  4.2.1. Karakteristik Perpindahan Panas .............................................. 39

  4.2.2. Karakteristik Faktor Gesekan ................................................... 47

  BAB V PENUTUP ............................................................................................... 50

  5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 50

  5.2 Saran .................................................................................................... 51

  DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 52 LAMPIRAN ........................................................................................................... 55