Numerical simulation and enhancement of heat transfer using cuo water nano fluid and twisted tape
SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS …2020. 1. 27. · kalor pipa konsentrik dengan...
Transcript of SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS …2020. 1. 27. · kalor pipa konsentrik dengan...
SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHAN
PANAS PADA PENUKAR KALOR DENGAN TRAPEZOIDAL-
CUT TWISTED TAPE INSERT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
AGUNG HARIADI
NIM. I0412005
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
brought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.uk
provided by Sebelas Maret Institutional Repository
Hall dari 1 hat.
Tembllsan'1. Mahasiswa yhs.2. Dosen Pembimbing TAyOs.3. Koordlnato,.-TA.4. Arsip.
"SIMULASI NUMERIK PENINGKATAN PERPINDAHANPANAS PAOA PENUKAR KALOR DENGAN
TRAPEZOIDAL-CUT TWISTED TAPE INSERT 11
ludul Tugas Alchir
Mata Kuliah Pendukung1.CFD (COMPUTAT1ONALFLUID OYNANICS)(MS06073.15)2.PENUKAR ICALOR(MS06113-15)3.TURBlN(MS04043·lS)
: ~. R. LULUS LAMBANG, ST,MT/197207052000'-210012.0.D~.ST.MT.PhD/196905141999031ool3. Dr. BUDt KJUSTlAWAN, ST.. MTJ 197104251999031001
Penguji
Pemblmbing '2
:AGUNG HARIADI:10412005:Konversl EJlergl:AGUNG TRI WijAYANTA. M.Eng••Ph.D./1971~11997021.001:DR.I!NG.SYAMSUL MAD!.S.T..M.T.J197106151991102l:002
NsmaNIMBidal'l9Pembimblng 1
SURAT TUGAS PEMBIMBING DAN PENGUjI TUGAS AKHIRPROGRAM SARjANA TlKNIX MESIN UNS
Program Stud! :SI Teltnlk MeslnHornor : 0159I'{AlSll(t312017
KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TlNGGIUNIVERSITAS SEBElAS MARET - FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUOI SI TEKHIK M£SINJllr Suwnl No.36A!CB!tinganSU",brta Teip.Qll1 632163web- mesin.lt.uns;.c.1d
Dft. NUR.ULMUHAYAT.ST,MTMP. 197003231998021001
Koordinator Tugas Akhlr:>,"'~ ~Ia ProgramStudl Telc:nlf<Mesln:i' :. (lI~s":T-eknik UniversitasSebelr)t
'1'/.'...\~ 'I ,!I Surakarta( ,. :. 'I
'\~, c ~,/ »<ZJnOk UfG. SYAMSUL HADt. Sf,NT
NIP.197106151998021002
3. Dr. BUOI KRJSTlAWAN.ST •Mr.197104251999031001
2. D. DANAADONO.ST, Mr. PhD196905141999031001
1. R. lUlUS LAMBANG.ST.MT197207052000121001
Telah Olpertanankan 01depan Tim Dosen PenlJUJipede tanlHlal 10.05-2010:00:00, bertempet 01M.I01. gd.l FT-UNS.
AGUNG TN VANTA, M.E"9 •• Ph.D, DR. ENG. SYAMSUL HADI. S... M,T,NIP,197108311997021ool NIP.197106151998021002
Dosen Pemlrmblng 2
AGUNG"A"IAOINIM: IU12005
Oisusun Oll'h
SIMULASI NUMEJlIk PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADAPENUKAR !(ALOR DENGAN TRAPEZOIDAL-CUT TWISTED TAPE INSERT
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN
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, 4 Mei 2017
Agung Hariadi
v
MOTTO
“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.”
(Al-Insyirah: 6)
“Mungkin kecepatan punya batasan, namun harapan tak pernah terbatas”
(Valentino Rossi)
“Tak ada seorangpun yang berbuat kebaikan akan berakhir pada keburukan. Baik
di sini, ataupun di dunia yang akan datang”
(Bhagavad Gita)
“Don’t look at the poster on your wall and think ‘I could never do that’. Look at
the poster on your wall and think ‘I’m gonna do that !’”
(Dave Grohl)
vi
PERSEMBAHAN
Syukur Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat cahya
ilmu pengetahuan kemudahan serta petunjuk yang diberikan sehingga terselesaikan
tugas akhir ini. Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur dan
terimakasih kupersembahkan tulisan ini kepada:
1. Allah SWT, pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan
kesempurnaan. Segala yang kualami adalah kehendak-Mu, semua yang
kuhadapi adalah kemauan-Mu, segala puji hanya bagi-Mu, ya Allah, pemilik
alam semesta, tempat bergantung segala sesuatu, tempat memohon
pertolongan.
2. Junjungan Nabi besar Muhammad SAW, manusia terbaik di muka bumi,
uswatun hasanah, penyempurna akhlak, sholawat serta salam semoga selalu
tercurah padanya, keluarga, sahabat dan pengikutnya yang istiqomah hingga
akhir zaman.
3. Kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari kedua orangtua dan
dukungan adik-adik saya yang selalu mendukung.
4. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.T., Ph.D. dan Ibu Indri Yaningsih, S.T.,
M.T.selaku dosen pembimbing yang selalu membimbing dan mengkoreksi
Tugas Akhir saya.
5. Aldi Ruvian, Aprivianto Tri Wijanarko, Cahyo Fajar B.A, Dandy Anugerah,
Firgo Paransisco J.S, Wahyu Nur Utomo, selaku teman diskusi dalam
pengerjaan Tugas Akhir.
6. Budi S, Carisa H, Maulina N.G, Nitaya P, Rachma E.A yang selalu
memberikan semangat dan motivasi yang luar biasa.
7. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2012 (CAMRO) yang sangat
membantu berupa dukungan yang tiada henti.
8. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
vii
Simulasi Numerik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor
Dengan Trapezoidal-Cut Twisted Tape Insert
Agung Hariadi
Jurusan 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 trapezoidal-cut twisted tape insert (TTT)
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
8000 – 18000 dan untuk bagian annulus dibuat konstan pada bilangan Reynolds
8000. 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 TTT dengan twist ratio 2,7; 4,5; 6,5 berturut-
turut meningkat hingga 46,2% - 86,6% dan 2,9 – 4,1 kali dari plain tube dan unjuk
kerja termal maksimum adalah 1,23. Pada penambahan CTT dengan twist ratio 2,7;
4,5; dan 6,5 berturut-turut meningkat hingga 40,9% - 74,4% dan 2,6 – 3,8 kali dari
plain tube dan unjuk kerja termal maksimum adalah 1,3.
Kata kunci: Peningkatan perpindahan panas, faktor gesekan, trapezoidal-cut
twisted tape insert, komputasi fluida dinamis
viii
Numerical Simulation Of Heat Transfer Enhancement On Heat Exchanger
With Trapezoidal-cut Twisted Tape Insert
Agung Hariadi
Department of Mechanical
Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
E-mail: [email protected]
ABSTRACT
Numerical investigation of concentric pipe heat exchanger with the addition of a
trapezoidal-cut twisted tape insert (TTT) and of a classical twisted tape insert (CTT)
was performed by using computational fluid dynamics (CFD) modeling. In this
research, k-ε RNG model was selected to model turbulent flow regime. The
variations of tapes used in this research was a twist ratio (y/W) 2.7, 4.5, and 6.5.
The variations of Reynolds Number in the inner pipe was operated at the range of
8000 – 18000, and for the annulus side was operated constant at 8000. The working
fluid used in the inner pipe and in the annulus was water. Of numerical analysis
which has been done, the numeral of Nusselt number and the friction factor in the
inner pipe with the addition of TTT in a twist ratio of 2.7, 4.5, 6.5 successively
increased to 46.2% - 86.6% and to 2.0 - 3.3 times of the plain tube and the maximum
of thermal’s working was 1.23. In the CTT’s addition with a twist ratio of 2.7, 4.5,
and 6.5, it successively increased to 40.9% - 74.4% and 2.6 – 3.8 times of the plain
tube and the maximum of thermal’s working was 1.3.
Keywords : Heat transfer enhancement, friction factor, trapezoidal-cut twisted tape
insert, computational fluid dynamics.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan
hidayah-Nya sehingga Tugas akhir dapat diselesaikan. Tugas akhir ini disusun unt
uk memenuhi salah satu persyaratan akademik untuk kelulusan pada program
studi Teknik Mesin UNS. Laporan ini berisi tentang analisa numerik peningkatan
perpindahan panas pada penukar kalor dengan metode sisipan
Trapezoidal-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. Allah SWT, atas segala kenikmatan dan kemudahan yang telah diberikan.
2. Keluarga yang telah memberikan doa restu serta semangat yang terus menerus.
3. Agung Tri Wijayanta, S.T., M.T., Ph.D. dan Ibu Indri Yaningsih, S.T.,
M.T.selaku dosen pembimbing yang selalu membimbing dan mengkoreksi
Tugas Akhir saya.
4. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku Kepala Prodi S1 Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret.
5. Aldi Ruvian, Aprivianto Tri Wijanarko, Cahyo Fajar B.A, Dandy Anugerah,
Firgo Paransisco J.S, Wahyu Nur Utomo, selaku teman diskusi dalam
pengerjaan Tugas Akhir.
6. Budi S, Carisa H, Maulina N.G, Nitaya P, Rachma E.A yang selalu
memberikan semangat dan motivasi yang tak tergantikan.
7. Teman-teman teknik mesin UNS angkatan 2012 (CAMRO) yang senantiasa
selalu memberi semangat dan bantuan.
8. Teman-teman teknik mesin UNS yang senantiasa selalu memberi semangat
dan bantuan.
9. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan Tugas Akhir
ini.
x
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, Mei 2017
Penulis
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 TABEL ............................................................................................... xiii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xv
DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xvi
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah ................................................................................. 2
1.3. Batasan Masalah ...................................................................................... 3
1.4. Tujuan dan Manfaat Penulisan .................................................................. 3
1.5. Sistematika Penulisan .............................................................................. 4
BAB II DASAR TEORI.......................................................................................... 5
2.1. Tinjauan Pustaka ....................................................................................... 5
2.2. Dasar Teori ................................................................................................ 8
2.2.1. Penukar Kalor ................................................................................ 8
2.2.2. Aliran Dalam Pipa......................................................................... 12
2.2.3. Computational Fluid Dynamics (CFD) Fluent ............................. 14
2.2.4. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ...... 21
2.2.5. Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan Pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik .................................................... 24
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 27
3.1. Pelaksanaan Penelitian ............................................................................ 27
3.2. Alat dan Instrumentasi Penelitian ........................................................... 27
3.3. Meshing ................................................................................................... 29
3.4. Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 32
3.5. Prosedur Penelitian ................................................................................. 33
3.5.1. Tahap Persiapan ........................................................................... 33
3.5.2. Pengujian Penukar Kalor tanpa sisipan (Plain tube) ................... 33
3.5.3. Pengujian Penukar Kalor dengan penambahan sisipan ............... 34
3.6. Metode Analisis Data .............................................................................. 35
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN......................................................... 36
4.1. Validasi Penelitian ................................................................................... 36
4.2. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dengan
Penambahan Twisted Tape Insert.................................................................... 39
xii
4.3. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan dengan
Penambahan Twisted Tape Insert.................................................................... 44
4.4. Pengaruh Twist Ratio Terhadap Karakteristik Unjuk Kerja Termal dengan
Penambahan Twisted Tape Insert.................................................................... 48
4.5. Analisis Pola Aliran Fluida ...................................................................... 50
4.5.1 Distribusi Kecepatan ...................................................................... 50
4.5.2 Streamline ...................................................................................... 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 56
5.1. Kesimpulan ............................................................................................. 56
5.2. Saran ......................................................................................................... 57
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 58
LAMPIRAN ......................................................................................................... 60
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Skala kualitas Meshing......................................................................... 18
Tabel 2.1. Kelebihan dan Kekurangan pada Model Turbulen .............................. 20
Tabel 3.1. Statistik mesh seluruh model................................................................ 31
Tabel 4.1. Hasil validasi plain tube berdasarkan bilangan Nusselt....................... 37
Tabel 4.2. Hasil validasi plain tube berdasarkan faktor gesekan .......................... 37
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Hasil perbandingan HE menggunakan sisipan PTT dan TTT............. 5
Gambar 2.2 Penukar kalor aliran searah (parallel flow) .......................................... 8
Gambar 2.3 Distribusi temperatur pada penukar kalor aliran searah ...................... 9
Gambar 2.4 Penukar kalor aliran berlawanan arah (counter-flow) .......................... 9
Gambar 2.5 Distribusi temperatur pada penukar kalor aliran berlawanan arah .... 10
Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik ............................................................ 11
Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa
konsentrik ......................................................................................... 11
Gambar 2.8 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran
masuk aliran pipa ............................................................................. 13
Gambar 2.9 Bentuk-bentuk dasar Meshing ........................................................... 16
Gambar 2.10 Kualitas Meshing ............................................................................. 16
Gambar 3.1 Tampilan software ANSYS FLUENT 14.5 ...................................... 27
Gambar 3.2 Nomenklatur Trapezoidal-cut twisted tape insert ............................. 28
Gambar 3.3 Nomenklatur Classical twisted tape insert........................................ 28
Gambar 3.4 Trapezoidal-cut twisted tape inserts ................................................. 29
Gambar 3.5 Metode face sizing pada geometri penukar kalor tanpa sisipan ........ 30
Gambar 3.6 Hasil regenerasi mesh pada pipa dalam dengan penambahan sisipan 31
Gambar 3.7 Diagram Alir penelitian ...................................................................... 32
Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ............................ 38
Gambar 4.2 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube................................. 39
Gambar 4.3 Kontur temperatur pipa dalam plain tube ......................................... 40
Gambar 4.4 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 2,7........................ 40
Gambar 4.5 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 4,5........................ 41
Gambar 4.6 Kontur temperatur pipa dalam dengan CTT y/W 6,5........................ 41
Gambar 4.7 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 2,7 ........................ 42
Gambar 4.8 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 4,5 ........................ 42
Gambar 4.9 Kontur temperatur pipa dalam dengan TTT y/W 6,5 ........................ 42
Gambar 4.10 Perubahan temperatur sepanjang arah aksial pada Re 14100 ......... 43
Gambar 4.11 Grafik hubungan Nui dengan bilangan Reynolds ............................ 44
Gambar 4.12 Kontur tekanan pipa dalam Plain tube pada Re 14100 .................. 45
Gambar 4.13 Kontur tekanan pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 ... 45
Gambar 4.14 Kontur tekanan pipa dalam TTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 .... 46
Gambar 4.15 Grafik hubungan Re dengan Pressure Drop ................................... 47
Gambar 4.16 Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds .......... 48
Gambar 4.17 Grafik hubungan unjuk kerja termal dengan bilangan Reynolds .... 49
Gambar 4.18 Kontur kecepatan pipa dalam Plain tube potongan aksial .............. 50
Gambar 4.19 Kontur kecepatan pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 51
Gambar 4.20 Kontur kecepatan pipa dalam TTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 . 52
Gambar 4.21 Streamline pipa dalam plain tube pada Re 14100 ........................... 53
Gambar 4.22 Streamline pipa dalam CTT twist ratio (a)2,7 (b)4,5 (c)6,5 ........... 54
Gambar 4.23 Pola aliran pada bagian cutting dari TTT pada Re 14100 ............... 55
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Tekanan Lokal.......................................................................... 61
Lampiran 2. Data hasil simulasi ............................................................................ 62
Lampiran 3. Perhitungan Data .............................................................................. 66
Lampiran 4. Perhitungan Unjuk Kerja Termal ..................................................... 72
Lampiran 5. Tabel A9 Properties of Saturated Water .......................................... 76
Lampiran 6. Tabel Konduktivitas Termal Material .............................................. 77
xvi
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