TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN EVALUASI

KONDISI UDARA PADA SEBUAH RUANGAN TERHADAP

EFEK PERUBAHAN SETING TEMPERATUR AC

Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disususn oleh :

HERU ANDIYANTO

D 200 130 016

Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2017

Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

vi

MOTTO

“ Maka sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan “

-Q.S Al- Insyirah ayat 5-

“Barang siapa yang bersungguh-sungguh pasti dapat”

“Hidup itu seperti bersepeda. Kalau kamu ingin menjaga keseimbanganmu,

kamu harus terus bergerak maju”

-Albert Einstein-

“Yang membuatku berkembang adalah tujuan-tujuan hidupku”

-Muhammad Ali-

vii

PERSEMBAHAN

Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia dan

keridhoan Allah SWT sang maha pencipta dan pemilik seluruh jiwa ini. Berkat

ilmu yang ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah karya

sederhana dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur karya ini

penulis persembahkan untuk:

Ibunda tercinta Sri Sulasmi Ambyaswati serta ayah tercinta Waluyo

yang telah mendidik dengan penuh kasih saying. Terima kasih atas

segala yang telah kalian berikan. Saat ini hanya beberapa karya dan

doalah yang mampu aku berikan pada kalian sebagai balasan atas

apa yang telah kalian berikan kepadaku.

Adik-adiku tersayang Risti Dwipratiwi dan Tia Tri Anggraini terima

kasih atas doa dan semangatnya.

Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT. selaku kepala laboratorium

material, terimakasih untuk kesempatan yang diberikan kepada penulis

untuk menimba ilmu selama menjadi asisten trainer.

Bapak Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D. selaku pembimbing tugas akhir

yang telah memberikan ilmunya dan telah memberikan sarana untuk

penyelasain tugas akhir ini.

Sahabat dan teman seperjuangan Azis, Unggul, Rosyid, Bagus, Tama

dan Edy terima kasih atas support dan kerja samanya selama

penelitian.

Dian Aulia yang selalu memberikan dukungan dan menyemangati

dalam proses penyelesaian laporan Tugas Akhir ini.

Teman-teman teknik mesin angkatan 2013, terutama teman-teman

dari grup Haha Simo, Danang, Gagap, Raka, Bayu, Wibi, Crit, Fegi,

Jamil, dan Damba, serta teman-teman lain yang tidak bisa saya

sebutkan satu persatu terima kasih atas bantuan dan dukungannya

selam menempuh masa perkuliahan. Selalu memberikan pelajaran

berharga yang tidak bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa

sampai pada titik ini.

Khoirul sebagai partner Asisten Lab. Material teknik mesin, terima

kasih atas kerja samanya selama menjadi asisten.

viii

Teman-teman alumni OSIS SMA N 5 Cirebon, terima kasih atas

dorongan dan motivasinya.

Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) UMS, LPM Kontur, dan

LAB Material teknik mesin sebagai tempat bagi penulis menimba

pengalaman selama masa perkuliahan.

ix

KATA PENGANTAR

Segala puji dan 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 keikhlasan hati ingin

menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D selaku dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Ir. H. Subroto, MT selaku ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Ibu Taurista Perdana Safitri, ST. M.Sc Selaku Sekertaris Jurusan Teknik

Mesin yang membantu dalam proses-proses administrasi selama masa

perkuliahan.

4. Bapak Marwan effendi, ST. MT. Ph.D. selaku dosen pembimbing yang telah

membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan Tugas

Akhir ini.

x

5. Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT. selaku pembimbing akademik.

6. Jajarn staf dan dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Akhir kata, penulis mohon maaf jika sekiranya terdapat kesalahan dan

kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya

keterbatasan-keterbatasan dana, literature 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, Aamiin ya Robballamin.

Surakarta, Juli 2017

Penulis

xi

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN EVALUASI KONDISI

KENYAMANAN UDARA PADA SEBUAH RUANGAN TERHADAP EFEK

PERUBAHAN SETTING TEMPERATUR AC

Heru Andiyanto, Marwan Effendy

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.

Email : Heruandiyanto.d200130016@gmail.com

Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis karakterisitk sirkulasi udara dalam

sebuah ruangan ber-AC dengan pendekatan simulasi (Compuational Fluid

Dynamics). Penelitian ini diawali dengan pengukuran kondisi temperatur dan

kecepatan udara pada ruangan dengan mengatur setting temperatur keluaran

evaporator AC untuk tiga variasi yaitu 18˚C, 20˚C, dan 22˚C. Adapun koordinat titik

pengukuran pada bidang P1 (Z=0.5) ialah (7,1,0.5), (5.6,1,0.5), (4.2,1,0.5),

(2.8,1,0.5), (1.4,1,0.5). pada bidang P2 (Z=3.5) dengan koordinat (7,1,3.5),

(5.6,1,3.5), (4.2,1,3.5), (2.8,1,3.5), (1.4,1,3.5), dan pada bidang P3 (Z=5) dengan

koordinat (7,1,5), (5.6,1,5), (4.2,1,5), (2.8,1,5), (1.4,1,5).

Pelaksanaan penelitian ini dibagi menjadi dua tahap, yaitu validasi terhadap

tiga tipe mesh yang dibangun dan simulasi dengan variasi. Tahap pertama merupakan

tahap validasi, pada tahap ini disimulasikan ruangan dengan konfigurasi dua AC yang

masing-masing mesh H1 (nodes = 36317), mesh H2 (nodes = 481178), dan mesh H3

(nodes = 1003938), akan disimulasikan dan hasilnya akan dibandingkan dengan data

temperatur pengukuran yang dilakukan.

Hasil penelitian menunjukan tipe mesh H2 menghasilkan nilai kesalahan yang

terkecil dengan tingkat perbedaan hingga 4.87% pada P1, 0.99% pada P2, 0.39%

pada P3, pembanding ialah pengukuran yang dilakukan oleh penulis dengan seting

temperatur 20˚C. Penelitian variasi perubahan temperatur AC didapatkan hasil bahwa

terjadi kenaikan rata-rata temperatur ruang dari setting 18˚C ke 20˚C dan kembali

turun pada saat seting temperatur 22˚C. hal ini juga terjadi pada hasil rata-rata

kecepatan udara yang terjadi. Koefisien perpindahan panas yang terjadi pada ruangan

tersebut berbanding lurus dengan seting temperatur yang dilakukan sehingga

menghasilkan rata-rata perpindahan panas yang meningkat, sesuai dengan seting

temperatur yang dilakukan.

Kata Kunci : Computational Fluid Dynamic, Unit Air Conditioner.

xii

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN EVALUASI KONDISI

KENYAMANAN UDARA PADA SEBUAH RUANGAN TERHADAP EFEK

PERUBAHAN SETTING TEMPERATUR AC

Heru Andiyanto, Marwan Effendy

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.

Email : Heruandiyanto.d200130016@gmail.com

Abstract

The purpose of this research to analyze the characteristic of air circulation in

air conditioner’s room with simulation approach (Computational Fluid Dynamics).

This research starts with measured the temperature condition and air velocity in room

by arrange the temperatue setting of air conditioner evaporator output in order to

three variants, i.e 18˚C, 20˚C, and 22˚C. As for the coordinate point is arranging on

sector P1 (Z=0.5) that is (7,1,0.5), (5.6,1,0.5), (4.2,1,0.5), (2.8,1,0.5), (1.4,1,0.5). On

sector P2 (Z=3.5) with coordinate (7,1,3.5), (5.6,1,3.5), (4.2,1,3.5), (2.8,1,3.5),

(1.4,1,3.5), and on sector P3 (Z=5) with coordinate (7,1,5), (5.6,1,5), (4.2,1,5),

(2.8,1,5), (1.4,1,5).

This research devided into two steps, i.e validation toward three types mesh

which is bulid and simulation with variation. First step is validating step, in this step

is simulated a room with two air conditioner configuration that each mesh H1 (nodes

= 36317), mesh H2 (nodes = 481178), and mesh H3 (nodes = 1003938), will

simulating and the result will compared with arranging data temperature is doing by

the author.

The result of this research is shows that the type of mesh H2 is producing the

smallest fault value with contras level reach 4.97% on P1, 0.99% on P2, 0.39% on

P3, standard comparison is arranging is doing by the writer with temperature setting

20˚C. Research the variation of changes in temperature air conditioner the average

increase in room in room temperature setting on 18˚C to 20˚C and back down when

setting temperature 22˚C. This also occurs in the result average air velocity occurred.

The coefficient of heat transfer in increased, in accordance with a setting temperatur

which is done by the author.

Keywords: Computational Fluid Dynamic, Air Conditioner Unit.

xiii

DAFTAR ISI

HalamanJudul ……………………………………………………………… i

Pernyataan Keaslian Tugas Akhir …………………………...………………… ii

Halaman Persetujuan ………………………………………….………………. iii

Halaman Pengesahan ………………………………………………………….. iv

Lembar Soal Tugas Akhir ……………………………………………………... v

Halaman Motto ………………………………………………………………... vi

Halaman Persembahan ………………………………………………………… vii

Kata Pengantar ………………………………………………………………… ix

Abstraksi ………………………………………………………………………. xi

Abstract …………………………………………………………...…………… xii

Daftar Isi ………………………………………………………………………. xiii

Daftar Gambar ………………………………………………………………… xvi

Daftar Tabel …………………………………………………………………. xix

Daftar Simbol ………………………………………………………………….. xx

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LatarBelakang …………………………………………..………….. 1

1.2 Perumusan Masalah ………………………………………………… 4

1.3 Batasan Masalah ………………………………………...………….. 5

1.4 Tujuan Penelitian …………………………………………………… 5

1.5 Manfaat Penelitian ………………………………………………….. 6

xiv

1.6 Sistematika Penulisan Laporan …………………………………….. 6

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka …………………………………………………… 8

2.2 Dasar Teori ………………………………………………………… 13

2.2.1 Boundary Layer …………………………………………………….. 13

2.2.2 Perpindahan Panas ……………………………………………. 14

2.2.2.1 Perpindahan Panas Konduksi ………………………… 14

2.2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi ………………………… 14

2.2.2.3 Perpindahan Panas Radiasi …………………………… 15

2.2.3 Aliran Laminer ……………………………………………... 17

2.2.4 Aliran Turbulen …………………………………………….. 17

2.2.5 Computatiobnal Fluid Dynamic ( CFD ) ……………………... 18

2.2.5.1 Pre-processing ………………………………………... 19

2.2.5.1 Solving ………………………………………………... 19

2.2.5.2 Post-processing ……………………………………….. 20

2.2.6 PemodelanAliran K-ε ………………………………………… 20

2.2.7 KriteriaKenyamanan Thermal ………………………………... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 RancanganPenelitian ……………………………………………….. 23

3.2 SpesifikKomputer …………………………………………………... 25

3.3 Geometri ……………………………………………………………. 25

xv

3.4 Meshing …………………………………………………………….. 26

3.4.1Mesh Refinement Study ………………………………………. 31

3.5 Kondisi Lapis Batas dan Aliran …………………………………….. 32

3.6 Analisa Data ………………………………………………………... 34

BAB IV VALIDASI, HASIL, DAN PEMBAHASAN

4.1 Validasi ……………………………………………………………... 39

4.1.1 Mesh Tipe H1 ………………………………………………… 41

4.1.2 Mesh Tipe H2 ………………………………………………… 43

4.1.3 Mesh Tipe H3 ………………………………………………… 45

4.2 Hasil ………………………………………………………………… 47

4.2.1 Temperatur …………………………………………………… 47

4.2.2 Kecepatan Udara ……………………………………………... 52

4.2.3 Perpindahan Panas Konveksi ………………………………… 54

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan …………………………………………………………. 57

5.2 Saran …………………………………………………………...…… 59

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 lapisan batas ……………………………………………….…… 13

Gambar 2.2 Perpindahan Panas Konduksi ……………………………………. 14

Gambar 2.3 Perpindahan Panas Konveksi ………………………………...…. 15

Gambar 2.4 perpindahan Panas Radiasi ……………………………...………. 15

Gambar 2.5 Aliran laminer ………………………………………….………. 17

Gambar 2.6 Aliran turbulen ………………………………………….……… 17

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian …………………………………...…….. 24

Gambar 3.2 Ruang kelas tampak depan …………………………………...….. 26

Gambar 3.3 Ruang kelas tampak atas ……………………………………….... 26

Gambar 3.4.Ekspor geometri kedalam gambit ………………………………. 28

Gambar 3.5.Pemecahan volume geometri …………………………………… 28

Gambar 3.6 Definisi Boundary Condition …………………………………….. 29

Gambar 3.7 Definisi Fluida ………………………………………………..… 29

Gambar 3.8. Meshing edge/garis …………………………………………...…. 30

Gambar 3.9. Meshing face/bidangdan volume …………………………..……. 30

Gambar 3.10 Mesh tipe H1 ……………………………………………………. 32

Gambar 3.11 Mesh tipe H2 ……………………………………………………. 32

Gambar 3.12 Mesh tipe H3 ……………………………………………………. 32

Gambar 3.13 Daerah Kondisi Lapis Batas ……………………………….……. 33

Gambar 3.14 Input file mesh ………………………………………………….. 35

xvii

Gambar 3.15 Memilih model persamaan ……………………………………… 35

Gambar 3.16 kondisibatas( Inlet, outlet, dan wall ) dan properties udara pada

simulasi …………………………………………………………. 36

Gambar 3.17 Reference Values dalam Komputasi ………………………...….. 36

Gambar 3.18 Proses Running …………………………………………………..……. 37

Gambar 3.19 Sistem converged pada ansys fluent …………………………… 37

Gambar 3.20 Report pada CFD-Post ………………………………….………. 38

Gambar 4.1. Point pengukuran pada ruang kelas …………………………… 40

Gambar 4.2. Perbandingan temperature hasil pengukuran dan hasil simulasi

dengan tipe mesh H1 …………………………………...………. 41

Gambar 4.3. Perbandingan temperature hasil pengukuran dan hasil simulasi

dengan tipe mesh H2 …………………………………...………. 43

Gambar 4.4. Perbandingan temperature hasil pengukuran dan hasil simulasi

dengan tipe mesh H3 ……………………………………..…….. 45

Gambar 4.5. Perbandingan temperature hasilanalisa CFD pada setting AC 18˚C,

20˚C, dan 22˚C …………………………………………...…….. 47

Gambar 4.6 Perbandingan kontur hasil analisa CFD dengan setting AC 18˚C,

20˚C, dan 22˚C pada P1 …………………………………..……. 49

Gambar 4.7 Perbandingan kontur hasil analisa CFD dengan setting AC 18˚C,

20˚C, dan 22˚C pada P2 …………………………………...…… 50

Gambar 4.8 Perbandingan kontur hasil analisa CFD dengan setting AC 18˚C,

20˚C, dan 22˚C pada P3 …………………………………...…… 51

Gambar 4.9 Perbandingan kecepatan udara hasil analisa CFD pada setting AC

18˚C, 20˚C, dan 22˚C ……………………………………...…… 52

xviii

Gambar 4.10. Grafik perbandingan nilai perpindahan panas konveksi pada setting

AC 18 ˚C, 20˚C, dan 22 ˚C …………………………………….. 54

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Karakteristik mesh ………………………………………………….. 31

Tabel 3.2 Definisi Kondisi lapis batas ………………………………….…… 33

Tabel 3.3. Input data eksperiemen …………………………………………….. 34

Tabel 4.1.Koordinat titik pengukuran …………………………………...…… 40

xx

DAFTAR SIMBOL

q : Perpindahanpanas ( W )

h : KoefisienPerpindahanPanas (W/m².K)

A : Luas area (m²)

T Surface : Temperaturdinding (K)

T Fluid bulk : Temperaturfluida (K)

ΔT : Selisihantara T surfacedan T fluid bulk (K)

X : Arahsepanjangsumbu X

Z : Arahsepanjangsumbu Z

P1 : Bidang 1

P2 : Bidang 2

P3 : Bidang 3