-
SIMULASI NUMERIK PENGARUH KEKASARAN
PERMUKAAN CHAMFERED CONTINUOUS RIB TERHADAP
PERPINDAHAN PANAS PADA SOLAR AIR HEATER
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
AJI NURSETO
NIM. I0413005
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
-
iv
PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS
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, Juni 2017
Aji Nurseto
-
v
HALAMAN MOTTO
“Kamu adalah umat yang terbaik yang dilahirkan untuk
manusia,
menyuruh kepada yang ma'ruf, dan mencegah dari yang munkar,
dan
beriman kepada Allah..” (Q.S. Ali Imron : ayat 110)
"Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman diantaramu
dan
orang-orang yang berilmu beberapa derajat"
(Q.S. Almujadalah : ayat 11).
“Siapa yang menempuh jalan dalam rangka menuntut ilmu
pengetahuan,
maka Allah akan memudahkan baginya jalan kesurga "
(H.R. Bukhari)
“Setiap orang punya jatah gagalnya masing-masing, karena itu
habiskan
jatah gagalmu dimasa mudamu” (Dahlan Iskan)
“Jadilah cahaya, penerang bagi setiap manusia dan jangan buang
buang
kesempatan sekecil apapun dan membiarkan setan merenggutnya
darimu”
(Aji Nurseto)
-
vi
PERSEMBAHAN
Dengan segenap rasa syukur kehadirat Allah SWT dan kerendahan
hati,
kupersembahkan tulisan ini kepada :
1. Negara Kesatuan Republik Indonesia yang merupakan tanah air
penulis.
Penulis punya impian besar bahwa karya penulis dapat
bermanfaat
sebesar-besarnya untuk kepentingan rakyat Indonesia.
2. Almamater tercinta Universitas Sebelas Maret Surakarta,
tempat dimana
penulis menimba ilmu teknik mesin dan memperkaya
intelektualitas.
Tempat ini adalah yang paling pantas untuk mempergunakan tulisan
ini
sehingga mampu bermanfaat bagi masyarakat umum dimasa yang
akan
datang.
3. Kedua orangtua penulis yaitu Bapak Drs. Warsono, dan Ibu
Neni
Yuniawati S.Pd.i. Sekiranya tulisan ini belum mampu untuk
membalas
jasa-jasa mereka. Namun, melalui tulisan ini penulis berharap
dapat
menjadi sumber kebahagiaan mereka karena telah bersusah
payah
menyekolahkan penulis sampai saat ini.
4. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D dan Bapak D.
Danardono
D. S.T., M.T., Ph.D yang tidak pernah lelah membimbing tugas
akhir
penulis.
5. Seluruh dosen, karyawan, serta mahasiswa khususnya angkatan
2013
Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret.
-
ix
SIMULASI NUMERIK PENGARUH KEKASARAN PERMUKAAN
CHAMFERED CONTINUOUS RIB TERHADAP PERPINDAHAN PANAS
PADA SOLAR AIR HEATER
Aji Nurseto
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kekasaran
buatan tipe
chamfered continuous rib pada solar air heater pelat datar untuk
meningkatkan
perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan dengan simulasi CFD
2 dimensi
steady flow menggunakan ANSYS FLUENT. Model
Renormalization-group
(RNG) k-ε dipilih sebagai model turbulensi yang paling sesuai.
Hasil yang
diharapkan untuk penelitian ini adalah untuk mengetahui panjang
pitch antar rib
yang optimal pada kisaran 3.800 ≤ Re ≤ 18.000 untuk variasi
relative roughness
pitch 6,67 ≤ P/e ≤ 13,33 dengan relative roughness height
konstan e/D = 0,033.
Sudut chamfer dijaga konstan sebesar 15. Hasil dari simulasi
menunjukkan
bahwa aliran sekunder yang dibuat oleh chamfered rib menyebabkan
perpindahan
panas lebih besar di bagian atas saluran. Penyisipan kekasaran
buatan pada
saluran menyebabkan kenaikan kerugian gesekan. Hasil Investigasi
CFD
menunjukkan bilangan Nusselt dan faktor gesekan rata-rata
menurun dengan
kenaikan relative roughness pitch. Nilai maksimum peningkatan
bilangan Nusselt
dan faktor gesekan telah ditemukan sebesar 2,08 dan 2,986 kali
terhadap saluran
tanpa kekasaran.
Kata kunci : absorber, chamfered continuous rib, intensitas
turbulensi,
reattachment point, relative roughness pitch, solar air heater,
Nusselt
-
x
NUMERICAL SIMULATION THE EFFECT OF THE CHAMFERED
CONTINUOUS RIB ROUGHNESS ON HEAT TRANSFER
ENHANCEMENT IN SOLAR AIR HEATER
Aji Nurseto
Mechanical Engineering Department
Faculty of Engineering, Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstract
This study aimed to understand the effect of artificial
roughness of the
chamfered continuous rib on flat plate solar air heater in heat
transfer
enhancement. This study was carried out by conducting
2-dimensional CFD
simulation with steady flow generation using ANSYS FLUENT.
The
Renormalization-group (RNG) k-ε model was selected as the most
suitable
turbulence model. The expected result of this study was the
optimal pitch length
of the ribs which ranges in the range of 3.800 ≤ Re ≤ 18.000 for
the relative
roughness pitch variation of 6,67 ≤ P/e ≤ 13,33 with constant
relative roughness
height of e/D = 0,033. The chamfer angle was kept constant at
15. The
simulation showed that the secondary flow created by chamfered
rib caused
greater heat transfer over the duct. However, the insertion of
artificial roughness
on the ducts caused an increase in friction losses. The CFD
investigation showed
that there was a drop in the Nusselt number and average friction
factor as the
relative roughness pitch increased. A maximum value of Nusselt
number and
friction factor increased had been found to be 2,08 and 2,986
times over smooth
duct.
Keyword : absorber, chamfered continuous rib, turbulence
intensity, reattachment
point, relative roughness pitch, solar air heater, Nusselt
mailto:[email protected]
-
xi
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,
atas
limpahan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat
menyelsaikan Skripsi
ini dengan judul Simulasi Numerik Pengaruh Kekasaran
Permukaan
Chamfered Continuous Rib Terhadap Perpindahan Panas pada Solar
Air
Heater tepat pada waktunya. Shalawat dan salam atas junjungan
Nabi besar
Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia dari masa
kebodohan
kemasa yang penuh dengan ilmu pengetahuan seperti yang saat ini
kita rasakan.
Pada kesempatan ini penulis ingin menghaturkan ucapan
terimakasih dan
penghargaan setinggi-tingginya kepada pihak–pihak yang telah
banyak
membantu, baik secara moril maupun materil dalam proses
penyelesaian skripsi
ini, antara lain :
1. Bapak Agung Tri Wijayanta, S.T., M.Eng., Ph.D. selaku
dosen
pembimbing satu yang selalu memberikan arahan dan semangat
kepada
penulis dalam menyelsaikan skripsi ini.
2. Bapak D.Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing
dua
yang selalu memberikan arahan dan ilmu-ilmu yang menunjang
keberhasilan skripsi ini.
3. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T. selaku pembimbing akademik
yang selalu
memberikan arahan akademik selama saya berkuliah di Prodi
Teknik
Mesin,Universitas Sebelas Maret.
4. Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T. dan Bapak Dr. Budi
Kristiawan, S.T.,
M.T selaku dosen penguji yang telah memberikan
masukan-masukan
dalam menyelasaikan skripsi ini.
5. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas
Maret
atas ilmu yang telah diberikan.
6. Ayahanda Drs. Warsono dan Ibunda Neni Yuniawati S.Pd.i. serta
keluarga
besar yang selalu mendoakan dan mendukung sepenuhnya
kegiatan
perkuliahan penulis di UNS.
-
xii
7. Teman-teman se-angkatan di Program Studi Teknik Mesin UNS
yang
selalu memberikan semangat dan dukungan kepada penulis.
8. Teman-teman SKI FT UNS 2016 atas kebersamaan dan
kekeluargaannya
selama berkuliah di UNS.
9. Teman-teman KKN Grobogan 2017 atas semangat dan
kekeluaragaannya.
10. Sahabat penulis yang belum bisa penulis sebutkan satu
per-satu,
terimakasih atas semangat, motivasi, dan doanya.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kelemahan
dan
membutuhkan penyempurnaan. Maka dengan segala kerendahan hati
penulis
menerima segala saran dan masukan dari semua pihak demi
sempurnanya skripsi
ini. Akhirnya penulis berharap bahwa semoga skripsi ini dapat
memberikan
manfaat bagi siapa saja yang ingin belajar.
Surakarta, Juni 2017
Penulis,
Aji Nurseto
-
xiii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
................................................................................................i
SURAT PENUGASAN
..........................................................................................
ii
HALAMAN PENGESAHAN
...............................................................................
iii
PERNYATAAN INTEGRITAS
PENULIS............................................................iv
HALAMAN MOTTO
.............................................................................................
v
PERSEMBAHAN
..................................................................................................vi
ABSTRAK
..............................................................................................................ix
ABSTRACT
...............................................................................................................
x
KATA PENGANTAR
............................................................................................xi
DAFTAR ISI
........................................................................................................
xiii
DAFTAR TABEL
................................................................................................xvi
DAFTAR GAMBAR
.........................................................................................
xvii
DAFTAR RUMUS
..............................................................................................xix
DAFTAR NOTASI
...............................................................................................xxi
BAB I PENDAHULUAN
.......................................................................................
1
1.1 Latar Belakang
Masalah.........................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah
...............................................................................
4
1.3 Batasan Masalah
....................................................................................
4
1.4 Tujuan Penelitian
...................................................................................
4
1.5 Manfaat Penelitian
.................................................................................
5
1.6 Sistematika Penulisan
............................................................................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
........................................ 6
2.1 Tinjauan Pustaka
....................................................................................
6
2.2.Dasar Teori
.............................................................................................
8
2.2.1 Perpindahan Panas
.......................................................................
8
2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi
...................................................... 8
2.2.3 Parameter Tanpa Dimensi
......................................................... 13
2.2.4 Konsep Kekasaran Buatan (Artificial Roughness)
.................... 14
2.2.5 Metodologi Kekasaran Buatan
.................................................. 15
2.2.6 Perpindahan Panas dengan Pemisahan Aliran (Flow
-
xiv
Separation) dan Penggabungan Kembali (Reattachment)
........18
2.2.7 Geometri Kekasaran yang Digunakan untuk Saluran
Pemanas Udara Surya
................................................................
20
2.2.8 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
pada Saluran Pemanas Udara Surya Segiempat
dengan Kekasaran
Buatan..........................................................21
BAB III METODE PENELITIAN
........................................................................
26
3.1 Tempat Penelitian
................................................................................
26
3.2.Alat dan Bahan
.....................................................................................
26
3.3.Garis Besar Penelitian
..........................................................................
27
3.4 Metode Penelitian
................................................................................
29
3.4.1. Penerapan mesh
........................................................................
29
3.4.2. Persamaan dasar
.......................................................................
29
3.4.3. Model turbulensi
.......................................................................
30
3.4.4. Kondisi batas
............................................................................
31
3.4.5. Validasi
.....................................................................................
32
3.5 Diagram Alir Penelitian
.......................................................................
32
3.6 Prosedur Penelitian
..............................................................................
33
3.6.1. Tahap persiapan
........................................................................
33
3.6.2. Simulasi plat tanpa kekasaran (smooth duct)
........................... 34
3.6.3. Simulasi plat dengan kekasaran buatan tipe
chamfered continuous rib
......................................................... 34
3.7 Analisis Data
.......................................................................................
35
BAB IV DATA DAN ANALISA
..........................................................................
36
4.1 Pengujian Validasi
..............................................................................
36
4.2 Hasil Simulasi dan Analisa
.................................................................
39
4.2.1. Karakteristik Perpindahan Panas
.............................................. 39
4.2.2. Karakteristik Faktor Gesekan
................................................... 47
BAB V PENUTUP
...............................................................................................
50
5.1 Kesimpulan
..........................................................................................
50
5.2 Saran
....................................................................................................
51
-
xv
DAFTAR PUSTAKA
...........................................................................................
52
LAMPIRAN
...........................................................................................................
55
-
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Parameter Penelitian
..............................................................................
29
Tabel 3.2 Properties aluminium
............................................................................
31
Tabel 3.3 Properties udara
.....................................................................................
31
Tabel 4.1 Perbandingan temperatur numerik dan kalkulasi pada
saluran keluar... 45
-
xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Prinsip kerja solar air heater duct tipe plat datar
................................ 2
Gambar 1.2 Alat uji solar air heater duct
................................................................
3
Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas
................................................ 8
Gambar 2.2 Skema perpindahan panas konveksi alami
........................................... 9
Gambar 2.3 Skema perpindahan panas konveksi paksa
.......................................... 9
Gambar 2.4 Skema perpindahan panas external forced convection
...................... 10
Gambar 2.5 Skema perpindahan panas internal forced convection
....................... 10
Gambar 2.6 Profil kecepatan aliran fluida di dalam saluran
................................. 12
Gambar 2.7 Profil kecepatan daerah laminar dan turbulen
.................................... 15
Gambar 2.8 Pengaruh elemen kekasaran terhadap medan
aliran........................... 18
Gambar 2.9 Rib dengan pemisahan aliran dan penggabungan kembali
................ 18
Gambar 2.10 Pengaruh tinggi dan kekasaran buatan tipe segi
empat
Gambar 2.11 Bentuk kekasaran buatan tipe wedge rib
.......................................... 19
Gambar 2.12 Bentuk kekasaran buatan tipe reverse L rib
..................................... 21
Gambar 2.13 Bentuk kekasaran buatan tipe chamfered rib
................................... 21
Gambar 3.1 Perangkat lunak ANSYS V.15
........................................................... 26
Gambar 3.2 Skematik computational domain
....................................................... 27
Gambar 3.3 Nomenklatur kekasaran buatan tipe chamfered rib
........................... 28
Gambar 3.4 Diagram alir penelitian
......................................................................
32
Gambar 4.1 Grafik nilai Reynolds terhadap nilai Nusselt pada
model
turbulensi berbeda
...............................................................................
37
Gambar 4.2 Grafik validasi nilai Nusselt pada
smooth duct
........................................................................................
38
Gambar 4.3 Grafik validasi nilai faktor gesekan pada
smooth duct
.........................................................................................
39
Gambar 4.4 Pengaruh Pitch terhadap bilangan Nusselt
......................................... 39
Gambar 4.5 Pola aliran pada kekasaran buatan chamfered rib
.............................. 41
Gambar 4.6 Pola aliran pada kekasaran buatan dengan variasi
bilangan Reynolds
...............................................................................
41
Gambar 4.7 Kontur intensitas turbulen pada nilai Reynolds
berbeda.................... 43
-
xviii
Gambar 4.8 Kontur temperatur pada variasai bilangan Reynolds
......................... 44
Gambar 4.9 Pengaruh nilai P/e terhadap bilangan Nusselt
.................................... 46
Gambar 4.10 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap beda tekanan
....................... 47
Gambar 4.11 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor
gesekan..................... 48
Gambar 4.12 Penurunan nilai faktor gesekan pada nilai
Reynolds
yang berbeda 49
-
xix
DAFTAR RUMUS
Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds
......................................................................
11
Persamaan (2.2) Diameter hidrolik
........................................................................
11
Persamaan (2.3) Diameter hidrolik saluran segi empat
......................................... 11
Persamaan (2.4) Laju perpindahan
panas...............................................................
12
Persamaan (2.5) Laju flux kalor
.............................................................................
12
Persamaan (2.6) Laju perpindahan panas konveksi temperatur pipa
konstan ....... 13
Persamaan (2.7) Laju perpindahan panas konveksi
............................................... 13
Persamaan (2.8) Beda temperatur
logaritmik.........................................................
13
Persamaan (2.9) Gaya inersia fluida
......................................................................
13
Persamaan (2.10) Gaya kekentalan
.......................................................................
13
Persamaan (2.11) Gaya geser
................................................................................
14
Persamaan (2.12) Perbandingan gaya inersia dengan gaya geser
fluida ................ 14
Persamaan (2.13) Bilangan Prandtl
........................................................................
14
Persamaan (2.14) Bilangan Nusselt
......................................................................
14
Persamaan (2.15) Kesetimbangan energi
..............................................................
22
Persamaan (2.16) Laju perpindahan panas pada udara
.......................................... 22
Persamaan (2.17) Laju perpindahan panas konveksi ke udara
.............................. 22
Persamaan (2.18) Koefisien perpindahan panas konveksi
..................................... 23
Persamaan (2.19) Bilangan Nusselt pada saluran segi empat
................................ 23
Persamaan (2.20) Faktor gesekan
.........................................................................
23
Persamaan (2.21) Bilangan Reynolds pada saluran segi empat
............................ 24
Persamaan (2.22) Kecepatan fluida pada saluran
................................................. 24
Persamaan (2.23) Korelasi Dittus-Boelter
............................................................ 25
Persamaan (2.24) Korelasi Blasius
.......................................................................
25
-
xx
Persamaan (3.1) Konservasi massa
........................................................................
29
Persamaan (3.2) Konservasi momentum arah sumbu x
........................................ 30
Persamaan (3.3) Konservasi momentum arah sumbu y
......................................... 30
Persamaan (3.4) Konservasi energi
.......................................................................
30
Persamaan (3.5) Model turbulensi RNG k-ε
.......................................................... 30
Persamaan (3.6) Energi kinetik turbulen
...............................................................
30
Persamaan (3.7) Viskositas turbulensi efektif
........................................................ 30
Persamaan (3.8) Viskositas turbulen
......................................................................
30
Persamaan (3.9) Intensitas turbulen
......................................................................
31
Persamaan (4.1) Dittus-Boelter
..............................................................................
37
Persamaan (4.2) Blasius
.........................................................................................
37
-
xxi
DAFTAR NOTASI
A = Luas penampang (m2)
Dh = Diameter hidrolik (m)
f = Faktor gesekan
h = Koefisien perpindahan panas
(W/m2
K)
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/m
2)
T = Temperatur (K)
Tin = Temperatur fluida masuk (K)
Tout = Temperatur fluida keluar (K)
Tave = Temperatur rata-rata (K)
Ts = Temperatur dinding (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)
Nur = Bilangan Nusselt dengan
kekasaran buatan
P = panjang pitch (mm)
W
H
e
ɸ
= lebar saluran (mm)
= tinggi saluran (mm)
= tinggi kekasaran buatan (mm)
= sudut chamfer
m = laju aliran massa (kg/s)
Q
∆P
= laju perpindahan panas (W)
= beda tekanan (Pascal)