SIMULASI NUMERIK PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT - UNS Institutional Repository

  

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

2017

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 Cahyo Fajar Budi Anranto

HALAMAN MOTTO

  ) “Lakukan yang terbaik yang bisa Anda lakukan.”

  )

  

Cahyo Fajar Budi Anranto

  (

  ) “Sejauh mana engkau pergi, keluarga selalu setia menunggumu kembali.”

  

Cahyo Fajar Budi Anranto

  (

  ( 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. ”

  “Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.” (

  

QS. Al-Insyirah: 6

  (

  ) “Satu-satunya sumber pengetahuan adalah pengalaman.”

  

Muhammad Ali

  (

  ) “Yang membuatku terus berkembang adalah tujuan-tujuan hidupku.”

  

Joseph Campbell

  (

  ) “Keistimewaan dari sebuah kehidupan adalah menjadi dirimu sendiri.”

  

Albert Einstein

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

Sahabat terdekat Chamelia yang selalu memberikan dukungan dan semangat kepada

saya dalam segala hal

  

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 :

  

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 backward dengan 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.

  

Kata kunci: Simulasi, louvered strip, ANSYS Fluent, perpindahan panas dan

  pola aliran

  

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 :

  

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.

  

Keywords: Simulation, louvered strip, ANSYS Fluent, heat transfer and flow

  pattern

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 motivasi dan doa kepada penulis untuk segera menyelesaikan masa studi.

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 Penulis

  

DAFTAR ISI

  2.2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) ...................................... 14

  3.5.3 Simulasi Penukar Kalor Dengan Penambahan Sisipan .............. 24

  3.5.2 Simulasi Penukar Kalor Tanpa Sisipan (Plain Tube)................. 24

  3.5.1 Tahap Persiapan ......................................................................... 23

  3.5 Prosedur Penelitian ................................................................................. 23

  3.4 Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 22

  3.3 Variasi Penelitian ................................................................................... 22

  3.2.2 Software ANSYS 15.0 Fluent .................................................... 21

  3.2.1 Komputer .................................................................................... 21

  3.2 Alat dan Instrumentasi Penelitian .......................................................... 21

  3.1 Pelaksanaan Penelitian ........................................................................... 21

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN........................................................... 21

  2.3 Proses Simulasi pada Fluent ................................................................... 16

  2.2.4 Rumus Perhitungan Data dan Validasi Plain Tube .................... 13

  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

  2.2.3 Aliran Dalam Pipa ...................................................................... 12

  2.2.2 Louvered Strip Insert .................................................................. 12

  2.2.1 Penukar Kalor ............................................................................. 8

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

  2.1 Tinjauan Pustaka .................................................................................... 5

  BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................ 5

  1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................. 4

  1.4 Tujuan dan Manfaat Penulisan ............................................................... 3

  1.3 Batasan Masalah ..................................................................................... 3

  1.2 Perumusan Masalah................................................................................ 3

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

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

  3.6 Metode Analisis Data ............................................................................. 25

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 26

  4.1 Validasi Penelitian.................................................................................. 26

  4.2 Hasil 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

  5.1 Kesimpulan............................................................................................. 40

  5.2 Saran ....................................................................................................... 40 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

  Gambar 4.2 Grafik validasi faktor gesekan pada plain tube ...........................28

  Kontur tekanan pada bilangan Reynolds 17.000 .........................38 Gambar 4.13

  Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan penurunan tekanan .........................................................................................37 Gambar 4.12

  Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesekan ......36 Gambar 4.11

  Kontur suhu pada bilangan Reynolds 17.000 ..............................35 Gambar 4.10

  Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt ...34 Gambar 4.9

  17.000 ..........................................................................................33 Gambar 4.8

  Gambar 4.7 Kontur kecepatan di suatu titik pada bilangan Reynolds

  Gambar 4.6 Pola aliran di suatu titik pada bilangan Reynolds 17.000 ...........32

  Gambar 4.5 Pola aliran fluida panas pada bilangan Reynolds 17.000 ............31

  Gambar 4.4 Posisi pengambilan data ..............................................................30

  Gambar 4.3 Validasi pemodelan dengan dua metode meshing yang berbeda ........................................................................................29

  Gambar 4.1 Grafik validasi bilangan Nusselt pada plain tube ........................27

  Gambar 2.1 Penukar kalor aliran searah (parallel-flow) .................................9

  Gambar 3.3 Diagram alir penelitian ................................................................23

  Gambar 3.2 Skema pemasangan louvered strip insert susunan backward .....22

  Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS 15.0 Fluent ......................................21

  Gambar 2.9 Metode pressure based ................................................................18

  Gambar 2.8 Bentuk-bentuk dasar meshing......................................................16

  Gambar 2.7 Nomenklatur louvered strip insert...............................................12

  Gambar 2.6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik ............................................................................11

  Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik .....................................................11

  Gambar 2.4 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran berlawanan arah ........10

  Gambar 2.3 Penukar kalor aliran berlawanan arah (counter-flow) .................10

  Gambar 2.2 Distribusi suhu pada penukar kalor aliran searah ........................9

  Grafik hubungan bilangan Reynolds dengan daya pemompaan..................................................................................39

  

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

  Persamaan (2.24) Persamaan model turbulensi k-ε RNG ...............................15