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 : agunghariadi@student.uns.ac.id

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: agunghariadi@student.uns.ac.id

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