TUGAS AKHIR Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Aliran Fluida Di Sekitar Pin Fin Cooling Diamond Pada Trailing Edge Sudu Turbin Gas.
TUGAS AKHIR
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING
DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS
Disusun sebagai Syarat untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
ENDRI SUSANTO
NIM : D200.11.0061
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING DIAMOND
PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS” yang dibuat untuk
memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta,
sejauh ini diketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi
yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan
gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta
atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta,
Februari 2016
Yang menyatakan,
Endri Susanto
ii
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN
COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS“,
telah disetujui pembimbing utama untuk diusulkan Topik Tugas Akhir pada
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
Dipersiapkan oleh :
Nama
: Endri Susanto
NIM
: D 200.11.0061
Disetujui pada :
Hari
:
Tanggal
:
Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
(Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D)
( Ir. Tri Tjahjono, MT )
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN
COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS “,
yang dipertahankan dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai
syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh :
Nama
: Endri Susanto
NIM
: D 200.11.0061
Disahkan pada :
Hari
:..........................
Tanggal
:..........................
Tim Penguji :
Ketua
: Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D
(
)
Anggota 1
: Ir. Tri Tjahjono, MT
(
)
Anggota 2
: Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip.
(
)
Mengetahui,
Dekan
Ketua Jurusan
(Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D)
(Tri Widodo BR, ST. MSc. Ph.D)
iv
v
MOTO
“Hai orang-orang yang beriman jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai
penolongmu, sesungguhnya Allah bersama dengan orang-orang yang
sabar” (Al-Baqarah:153)
“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila
kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada
Tuhanmu” (Q.S Al Insyirah: 6-8)
“Berangkat dengan penuh keyakinan, berjalan dengan penuh keikhlasan
dan istiqomah dalam menghadapi cobaan”
“Jadi diri sendiri, cari jati diri, dan mendapat hidup yang mandiri
Optimis, karena hidup terus mengalir dan kehidupan terus berputar
Sesekali lihat kebelakang untuk melanjutkan perjalanan yang tiada
berujung”
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur dan
sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati
berbagai
ujian
dalam
perjuangan
yang
tak
kenal
lelah,
Saya
mempersembahkan tugas akhir ini kepada :
Bapak dan Ibu tersayang bapak Sujiyanto dan ibu Sutinem yang
dengan
segala
kasih
sayang,
kesabaran,
keikhlasan
dan
pengorbanannya yang senantiasa membimbing dan mendo’akanku.
Kakakku beserta istrinya, mas Tri Sulistyanto dan mbak Jannah,
terima kasih atas doa dan dukungannya walaupun sekarang lagi di
perantauan.
Kawan seperjuangan, terima kasih kepada Ekno, Adnan, Punto,
Dhoni,
yang
selalu
menemani
dikala
suka-duka
dalam
penyelesaian tugas akhir ini.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 teknik mesin yang selalu
kompak, dan saling menyemangati )
KMTM dan DPM tempat berjuang dan berpikir keras sampai aku
mengenal artinya amanah dan tangung jawab.
Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )
.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga tugas
akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun tugas akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keiklasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D selaku Dosen Pembimbing
Utama yang telah mengarahkan dan memberi petunjuk dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT selaku Dosen Pembimbing Pendamping
dan Pembimbing Akademik yang telah meluangkan waktunya untuk
memberikan bimbingan dan arahannya.
viii
5. Bapak Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip. selaku dosen penguji
pendadaran yang meluangkan waktu di sela kesibukannya.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan tugas
akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain
waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki.
Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbalalamin.
Surakarta,
Februari 2016
Endri Susanto
ix
“KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN SISTEM PENDINGIN SIRIP “DIAMOND” PADA
TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS”
Endri Susanto, Marwan Effendy dan Tri Tjahjono
Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura
email : endrisusantto@gmail.com
ABSTRAKSI
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui koefisien perpindahan
panas dan penurunan tekanan pada sistem pendingin sirip berbentuk
diamond (Diamond Fin Cooling). Diamond fin cooling merupakan alternatif
pendinginan internal pada sudu turbin gas di daerah trailing edge sudu
turbin gas. Penempatan pin fin cooling dipasang di sepanjang ekor sudu
dengan arah aliran fluida tegak lurus terhadap pin fin.
Sebuah pendekatan Computational Fluid Dynamic (CFD) dengan
model k-epsilon telah dilakukan pada pada riset komputasi ini. Proses
penelitian dimulai dengan pembuatan desain geometri pin fin dengan tiga
mesh yang berbeda, yaitu tipe A, tipe B, dan tipe C untuk keperluan
validasi. Secara berurutan dari kasar ke halus mesh memiliki jumlah
elemen 432000, 1024000 dan 1557376 dengan nilai rata-rata ∆y+ adalah
10,95 ; 4,6 dan 2,38. Dari pembuatan ketiga mesh ini, selanjutnya akan
dipilih berdasarkan data simulasi dengan mempertimbangkan kedekatan
angka prediksi koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan
dibandingkan data eksperimen yang ada. Simulasi dilakukan pada
berbagai bilangan Reynolds antara 9.000 - 36.000.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa validasi dapat diterima dengan
karakteristik mesh hingga 1,56 juta elemen dengan kerapatan mesh (Δy +
= 2.38). Dengan mengadopsi mesh tipe C, bentuk pin fin dimodifikasi
dengan bentuk diamond yang disusun segaris (C1A) dan diamond
susunan selang-seling (C2A). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja
sistem pendingin sirip diamond tipe C2A lebih dari tipe C1A. Penggunaan
diamond fin tipe C2A mempunyai koefisien perpindahan panas lebih tinggi
daripada pin fin tipe C1A, Namun perlu dicatat bahwa factor gesekan pada
penggunaan diamond fin tipe C2A juga lebih tinggi dibandingkan tipe C1A.
.
Kata kunci : CFD, Diamond fin cooling, Turbin gas, Perpindahan
panas
x
“CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE
DROP ON “DIAMOND” FIN COOLING OF GAS TURBINE
BLADE”
Endri Susanto, Marwan Effendy and Tri Tjahjono
Departement of Mechanichal Enginering
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura
email : endrisusantto@gmail.com
Abstract
This study explains a performance prediction of diamond pin-fin
cooling of gas turbine blade. The aim is to investigate the heat transfer
coefficient(HTC) and friction factor (f) inside the cooling passage.
The steady RANS with k-epsilon turbulence model was performed
by two stages investigation: first, validation of an existing circular
staggered array of pin-fin cooling that has been investigated
experimentally by other researcher. Three types structured mesh from
coarse (Δy+ = 10.95) to fine (Δy+ = 2.38) were optimized for mesh
refinement study. Second, further investigation of the diamond fin cooling
was simulated by adopting the scenario of mesh generation based on the
optimum result from validation. Simulation were performed at the same
initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds
number from 9,000 to 36,000
The simulation results indicate that validation can be considered
acceptable by generating mesh up to 1.56 milion elements with fine
resolution (Δy+ = 2.38). CFD predicted that the performance of the cooling
system diamond fin C2A is greater than the diamond fin C1A. although
over-predition data is clearly seen after the second diamond fin row for
HTC simulation. Investigation of two different lay-out of diamond-fin
cooling (C1A and C2A) shows that the HTC of pin-fin C2A is greater than
the HTC of diamond-fin C1A as the effect of different turbulence around
the diamond-fin cooling, However it should be noted that the friction factor
on the use of diamond fin C2A is also greater than the type C1A.
Key words : CFD, Diamond Fin Cooling, Gas Turbine, Heat Transfer
xi
DAFTAR ISI
Halaman Judul .......................................................................................
Pernyataan Keaslian Skripsi ..................................................................
Halaman Persetujuan ............................................................................
Halaman Pengesahan ...........................................................................
Lebar Soal Tugas Akhir .........................................................................
Halaman Motto.......................................................................................
Halaman Persembahan .........................................................................
Kata Pengantar ......................................................................................
Abstraksi ................................................................................................
Abstract ..................................................................................................
Daftar Isi ................................................................................................
Daftar Gambar .......................................................................................
Daftar Tabel ...........................................................................................
Daftar Simbol .........................................................................................
i
ii
iii
iv
v
vi
vii
viii
x
xi
xii
xiv
xv
xvi
BAB I PENDAHULUN
1.1 Latar Belakang ......................................................................
1.2 Perumusan Masalah .............................................................
1.3 Tujuan Penelitian ..................................................................
1.4 Batasan Masalah ..................................................................
1.5 Manfaat Penelitian ................................................................
1
2
2
3
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................... 5
2.2 Landasan Teori...................................................................... 9
2.2.1 Sirip Pin ....................................................................... 9
2.2.2 Aplikasi Sirip Pin ........................................................ 11
2.2.3 Perpindahan Panas ...................................................... 12
2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ........................................... 16
2.2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ............................ 18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................................... 20
3.2 Tahapan Penelitian .............................................................. 21
3.2.1 Tahap Validasi ............................................................ 21
3.2.2 Tahap Riset Simulasi ................................................. 30
3.2.3 Analisis Data (Olah Data) .......................................... 31
xii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Validasi ................................................................................ 33
4.1.1 Meshing ....................................................................... 33
4.1.2 Bilangan Reynolds...................................................... 34
4.2 Hasil Simulasi Validasi ......................................................... 36
4.2.1 Penurunan Tekanan (Pressure Drop)......................... 36
4.2.2 Koefisien Perpindahan Panas (Heat Transfer
Coefficient) ............................................................................ 38
4.3 Hasil Riset Simulasi .............................................................. 41
4.3.1 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap Karakteristik
Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Diamond ...................... 42
4.4.2 Pengaruh Sirip Diamond terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas............................................................... 46
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .............................................................................. 49
5.2 Saran ....................................................................................... 50
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Sirip diamond susunan segaris....................................... 10
Gambar 2.2. Susunan sirip pin segaris dan selang-seling ................. 11
Gambar 2.3. Skema pendinginan sudu turbin gas ............................. 12
Gambar 2.4. Perpindahan panas konveksi ........................................ 14
Gambar 2.5. Geometri pin fin .............................................................. 17
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ................................................... 20
Gambar 3.2. Geometri pin fin intercooling ........................................... 21
Gambar 3.3. Desain menggunakan Solidwork premium 2014 ........... 22
Gambar 3.4. Pembuatan Vertex .......................................................... 23
Gambar 3.5. Pembuatan Face ........................................................... 24
Gambar 3.6. Pembuatan Volume ........................................................ 24
Gambar 3.7. Pembuatan mesh edge ................................................. 25
Gambar 3.8 Pembuatan mesh volume ............................................... 25
Gambar 3.9. Menentukan kondisi batas dan jenis fluida ................... 26
Gambar 3.10. Desain pada Ansys Fluent R15.0 .................................. 27
Gambar 3.11. Pengaturan sebelum simulasi ....................................... 28
Gambar 3.12. Hasil simulasi yang sudah konvergen ........................... 29
Gambar 3.13. Desain pada CFD Post .................................................. 29
Gambar 3.14. Desain pin fin .................................................................. 31
Gambar 4.1. Karakteristik mesh .......................................................... 34
Gambar 4.2. Perbandingan faktor gesekan antara simulasi dan
eksperimen .................................................................... 37
Gambar 4.3. Perbandingan HTC hasil eksperimen dan simulasi ........ 40
Gambar 4.4. Karakteristik mesh .......................................................... 42
Gambar 4.5. Pengaruh ∆P pada variasi bentuk sirip pin ..................... 42
Gambar 4.6. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin ............... 43
Gambar 4.7. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin karena
pengaruh kecepatan aliran di dalam channel ................. 44
Gambar 4.8. Kontur kecepatan fluida masuk pada Re 12030,6 .......... 45
Gambar 4.9. Perbandingan HTC untuk 3 variasi sirip pin pada Red7 .. 47
Gambar 4.10. Kontur koefisien perpindahan panas pada Red7 =
9000 ............................................................................... 48
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.
Table 4.3.
Tabel 4.4.
Tabel 4.5.
Karakteristik mesh . ............................................................. 33
Data hasil eksperimen Tarchi dkk, (2008) ........................... 36
Perhitungan factor gesekan hasil validasi .......................... 37
Koefisien perpindahan panas hasil simulasi ....................... 40
Karakteristik mesh ............................................................... 41
xv
DAFTAR SIMBOL
A
= luas penampang (m2)
AL0
= area atau luasan pada bidang inflow (m2)
Amin
= luas penampang antara pin-fin (m2)
Dd
= diameter pin (m)
DL0
= diameter hidraulik bagian inlet (m)
= faktor gesekan
h
= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)
= laju aliran massa (kg/s)
Pin
= tekanan fluida bagian inlet (Pa)
Pout
= tekanan fluida bagian outlet (Pa)
Q
= laju perpindahan panas (watt)
ReL0
= bilangan Reynolds pada bagian inlet
Red
= bilangan Reynolds pada area antara dua pin
Ts
= temperatur permukaan benda (oC)
Tf
= temperatur fluida (oC)
v
= kecepatan udara rata-rata (m/s)
= massa jenis udara (kg/m3)
µ
= viskositas dinamik udara (kg/m.s)
xvi
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING
DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS
Disusun sebagai Syarat untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
ENDRI SUSANTO
NIM : D200.11.0061
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING DIAMOND
PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS” yang dibuat untuk
memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta,
sejauh ini diketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi
yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan
gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta
atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta,
Februari 2016
Yang menyatakan,
Endri Susanto
ii
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN
COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS“,
telah disetujui pembimbing utama untuk diusulkan Topik Tugas Akhir pada
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
Dipersiapkan oleh :
Nama
: Endri Susanto
NIM
: D 200.11.0061
Disetujui pada :
Hari
:
Tanggal
:
Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
(Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D)
( Ir. Tri Tjahjono, MT )
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN
COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS “,
yang dipertahankan dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai
syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh :
Nama
: Endri Susanto
NIM
: D 200.11.0061
Disahkan pada :
Hari
:..........................
Tanggal
:..........................
Tim Penguji :
Ketua
: Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D
(
)
Anggota 1
: Ir. Tri Tjahjono, MT
(
)
Anggota 2
: Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip.
(
)
Mengetahui,
Dekan
Ketua Jurusan
(Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D)
(Tri Widodo BR, ST. MSc. Ph.D)
iv
v
MOTO
“Hai orang-orang yang beriman jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai
penolongmu, sesungguhnya Allah bersama dengan orang-orang yang
sabar” (Al-Baqarah:153)
“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila
kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada
Tuhanmu” (Q.S Al Insyirah: 6-8)
“Berangkat dengan penuh keyakinan, berjalan dengan penuh keikhlasan
dan istiqomah dalam menghadapi cobaan”
“Jadi diri sendiri, cari jati diri, dan mendapat hidup yang mandiri
Optimis, karena hidup terus mengalir dan kehidupan terus berputar
Sesekali lihat kebelakang untuk melanjutkan perjalanan yang tiada
berujung”
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur dan
sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati
berbagai
ujian
dalam
perjuangan
yang
tak
kenal
lelah,
Saya
mempersembahkan tugas akhir ini kepada :
Bapak dan Ibu tersayang bapak Sujiyanto dan ibu Sutinem yang
dengan
segala
kasih
sayang,
kesabaran,
keikhlasan
dan
pengorbanannya yang senantiasa membimbing dan mendo’akanku.
Kakakku beserta istrinya, mas Tri Sulistyanto dan mbak Jannah,
terima kasih atas doa dan dukungannya walaupun sekarang lagi di
perantauan.
Kawan seperjuangan, terima kasih kepada Ekno, Adnan, Punto,
Dhoni,
yang
selalu
menemani
dikala
suka-duka
dalam
penyelesaian tugas akhir ini.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 teknik mesin yang selalu
kompak, dan saling menyemangati )
KMTM dan DPM tempat berjuang dan berpikir keras sampai aku
mengenal artinya amanah dan tangung jawab.
Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )
.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga tugas
akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun tugas akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keiklasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D selaku Dosen Pembimbing
Utama yang telah mengarahkan dan memberi petunjuk dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT selaku Dosen Pembimbing Pendamping
dan Pembimbing Akademik yang telah meluangkan waktunya untuk
memberikan bimbingan dan arahannya.
viii
5. Bapak Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip. selaku dosen penguji
pendadaran yang meluangkan waktu di sela kesibukannya.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan tugas
akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain
waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki.
Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbalalamin.
Surakarta,
Februari 2016
Endri Susanto
ix
“KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN SISTEM PENDINGIN SIRIP “DIAMOND” PADA
TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS”
Endri Susanto, Marwan Effendy dan Tri Tjahjono
Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura
email : endrisusantto@gmail.com
ABSTRAKSI
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui koefisien perpindahan
panas dan penurunan tekanan pada sistem pendingin sirip berbentuk
diamond (Diamond Fin Cooling). Diamond fin cooling merupakan alternatif
pendinginan internal pada sudu turbin gas di daerah trailing edge sudu
turbin gas. Penempatan pin fin cooling dipasang di sepanjang ekor sudu
dengan arah aliran fluida tegak lurus terhadap pin fin.
Sebuah pendekatan Computational Fluid Dynamic (CFD) dengan
model k-epsilon telah dilakukan pada pada riset komputasi ini. Proses
penelitian dimulai dengan pembuatan desain geometri pin fin dengan tiga
mesh yang berbeda, yaitu tipe A, tipe B, dan tipe C untuk keperluan
validasi. Secara berurutan dari kasar ke halus mesh memiliki jumlah
elemen 432000, 1024000 dan 1557376 dengan nilai rata-rata ∆y+ adalah
10,95 ; 4,6 dan 2,38. Dari pembuatan ketiga mesh ini, selanjutnya akan
dipilih berdasarkan data simulasi dengan mempertimbangkan kedekatan
angka prediksi koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan
dibandingkan data eksperimen yang ada. Simulasi dilakukan pada
berbagai bilangan Reynolds antara 9.000 - 36.000.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa validasi dapat diterima dengan
karakteristik mesh hingga 1,56 juta elemen dengan kerapatan mesh (Δy +
= 2.38). Dengan mengadopsi mesh tipe C, bentuk pin fin dimodifikasi
dengan bentuk diamond yang disusun segaris (C1A) dan diamond
susunan selang-seling (C2A). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja
sistem pendingin sirip diamond tipe C2A lebih dari tipe C1A. Penggunaan
diamond fin tipe C2A mempunyai koefisien perpindahan panas lebih tinggi
daripada pin fin tipe C1A, Namun perlu dicatat bahwa factor gesekan pada
penggunaan diamond fin tipe C2A juga lebih tinggi dibandingkan tipe C1A.
.
Kata kunci : CFD, Diamond fin cooling, Turbin gas, Perpindahan
panas
x
“CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE
DROP ON “DIAMOND” FIN COOLING OF GAS TURBINE
BLADE”
Endri Susanto, Marwan Effendy and Tri Tjahjono
Departement of Mechanichal Enginering
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura
email : endrisusantto@gmail.com
Abstract
This study explains a performance prediction of diamond pin-fin
cooling of gas turbine blade. The aim is to investigate the heat transfer
coefficient(HTC) and friction factor (f) inside the cooling passage.
The steady RANS with k-epsilon turbulence model was performed
by two stages investigation: first, validation of an existing circular
staggered array of pin-fin cooling that has been investigated
experimentally by other researcher. Three types structured mesh from
coarse (Δy+ = 10.95) to fine (Δy+ = 2.38) were optimized for mesh
refinement study. Second, further investigation of the diamond fin cooling
was simulated by adopting the scenario of mesh generation based on the
optimum result from validation. Simulation were performed at the same
initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds
number from 9,000 to 36,000
The simulation results indicate that validation can be considered
acceptable by generating mesh up to 1.56 milion elements with fine
resolution (Δy+ = 2.38). CFD predicted that the performance of the cooling
system diamond fin C2A is greater than the diamond fin C1A. although
over-predition data is clearly seen after the second diamond fin row for
HTC simulation. Investigation of two different lay-out of diamond-fin
cooling (C1A and C2A) shows that the HTC of pin-fin C2A is greater than
the HTC of diamond-fin C1A as the effect of different turbulence around
the diamond-fin cooling, However it should be noted that the friction factor
on the use of diamond fin C2A is also greater than the type C1A.
Key words : CFD, Diamond Fin Cooling, Gas Turbine, Heat Transfer
xi
DAFTAR ISI
Halaman Judul .......................................................................................
Pernyataan Keaslian Skripsi ..................................................................
Halaman Persetujuan ............................................................................
Halaman Pengesahan ...........................................................................
Lebar Soal Tugas Akhir .........................................................................
Halaman Motto.......................................................................................
Halaman Persembahan .........................................................................
Kata Pengantar ......................................................................................
Abstraksi ................................................................................................
Abstract ..................................................................................................
Daftar Isi ................................................................................................
Daftar Gambar .......................................................................................
Daftar Tabel ...........................................................................................
Daftar Simbol .........................................................................................
i
ii
iii
iv
v
vi
vii
viii
x
xi
xii
xiv
xv
xvi
BAB I PENDAHULUN
1.1 Latar Belakang ......................................................................
1.2 Perumusan Masalah .............................................................
1.3 Tujuan Penelitian ..................................................................
1.4 Batasan Masalah ..................................................................
1.5 Manfaat Penelitian ................................................................
1
2
2
3
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................... 5
2.2 Landasan Teori...................................................................... 9
2.2.1 Sirip Pin ....................................................................... 9
2.2.2 Aplikasi Sirip Pin ........................................................ 11
2.2.3 Perpindahan Panas ...................................................... 12
2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ........................................... 16
2.2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ............................ 18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................................... 20
3.2 Tahapan Penelitian .............................................................. 21
3.2.1 Tahap Validasi ............................................................ 21
3.2.2 Tahap Riset Simulasi ................................................. 30
3.2.3 Analisis Data (Olah Data) .......................................... 31
xii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Validasi ................................................................................ 33
4.1.1 Meshing ....................................................................... 33
4.1.2 Bilangan Reynolds...................................................... 34
4.2 Hasil Simulasi Validasi ......................................................... 36
4.2.1 Penurunan Tekanan (Pressure Drop)......................... 36
4.2.2 Koefisien Perpindahan Panas (Heat Transfer
Coefficient) ............................................................................ 38
4.3 Hasil Riset Simulasi .............................................................. 41
4.3.1 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap Karakteristik
Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Diamond ...................... 42
4.4.2 Pengaruh Sirip Diamond terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas............................................................... 46
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .............................................................................. 49
5.2 Saran ....................................................................................... 50
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Sirip diamond susunan segaris....................................... 10
Gambar 2.2. Susunan sirip pin segaris dan selang-seling ................. 11
Gambar 2.3. Skema pendinginan sudu turbin gas ............................. 12
Gambar 2.4. Perpindahan panas konveksi ........................................ 14
Gambar 2.5. Geometri pin fin .............................................................. 17
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ................................................... 20
Gambar 3.2. Geometri pin fin intercooling ........................................... 21
Gambar 3.3. Desain menggunakan Solidwork premium 2014 ........... 22
Gambar 3.4. Pembuatan Vertex .......................................................... 23
Gambar 3.5. Pembuatan Face ........................................................... 24
Gambar 3.6. Pembuatan Volume ........................................................ 24
Gambar 3.7. Pembuatan mesh edge ................................................. 25
Gambar 3.8 Pembuatan mesh volume ............................................... 25
Gambar 3.9. Menentukan kondisi batas dan jenis fluida ................... 26
Gambar 3.10. Desain pada Ansys Fluent R15.0 .................................. 27
Gambar 3.11. Pengaturan sebelum simulasi ....................................... 28
Gambar 3.12. Hasil simulasi yang sudah konvergen ........................... 29
Gambar 3.13. Desain pada CFD Post .................................................. 29
Gambar 3.14. Desain pin fin .................................................................. 31
Gambar 4.1. Karakteristik mesh .......................................................... 34
Gambar 4.2. Perbandingan faktor gesekan antara simulasi dan
eksperimen .................................................................... 37
Gambar 4.3. Perbandingan HTC hasil eksperimen dan simulasi ........ 40
Gambar 4.4. Karakteristik mesh .......................................................... 42
Gambar 4.5. Pengaruh ∆P pada variasi bentuk sirip pin ..................... 42
Gambar 4.6. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin ............... 43
Gambar 4.7. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin karena
pengaruh kecepatan aliran di dalam channel ................. 44
Gambar 4.8. Kontur kecepatan fluida masuk pada Re 12030,6 .......... 45
Gambar 4.9. Perbandingan HTC untuk 3 variasi sirip pin pada Red7 .. 47
Gambar 4.10. Kontur koefisien perpindahan panas pada Red7 =
9000 ............................................................................... 48
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.
Table 4.3.
Tabel 4.4.
Tabel 4.5.
Karakteristik mesh . ............................................................. 33
Data hasil eksperimen Tarchi dkk, (2008) ........................... 36
Perhitungan factor gesekan hasil validasi .......................... 37
Koefisien perpindahan panas hasil simulasi ....................... 40
Karakteristik mesh ............................................................... 41
xv
DAFTAR SIMBOL
A
= luas penampang (m2)
AL0
= area atau luasan pada bidang inflow (m2)
Amin
= luas penampang antara pin-fin (m2)
Dd
= diameter pin (m)
DL0
= diameter hidraulik bagian inlet (m)
= faktor gesekan
h
= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)
= laju aliran massa (kg/s)
Pin
= tekanan fluida bagian inlet (Pa)
Pout
= tekanan fluida bagian outlet (Pa)
Q
= laju perpindahan panas (watt)
ReL0
= bilangan Reynolds pada bagian inlet
Red
= bilangan Reynolds pada area antara dua pin
Ts
= temperatur permukaan benda (oC)
Tf
= temperatur fluida (oC)
v
= kecepatan udara rata-rata (m/s)
= massa jenis udara (kg/m3)
µ
= viskositas dinamik udara (kg/m.s)
xvi