jurusan teknik mesin fakultas teknik universitas ...eprints.ums.ac.id/42237/3/halaman depan.pdf ·...
Post on 29-Oct-2020
9 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
ii
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
iii
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
(Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D)
Pembimbing Pendamping
( Ir. Tri Tjahjono, MT )
iv
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
(Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D)
Ketua Jurusan
(Tri Widodo BR, ST. MSc. Ph.D)
v
vi
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”
vii
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 )
.
viii
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.
ix
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
x
“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
xi
“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
xii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ....................................................................................... i
Pernyataan Keaslian Skripsi .................................................................. ii
Halaman Persetujuan ............................................................................ iii
Halaman Pengesahan ........................................................................... iv
Lebar Soal Tugas Akhir ......................................................................... v
Halaman Motto ....................................................................................... vi
Halaman Persembahan ......................................................................... vii
Kata Pengantar ...................................................................................... viii
Abstraksi ................................................................................................ x
Abstract .................................................................................................. xi
Daftar Isi ................................................................................................ xii
Daftar Gambar ....................................................................................... xiv
Daftar Tabel ........................................................................................... xv
Daftar Simbol ......................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUN
1.1 Latar Belakang ...................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah ............................................................. 2
1.3 Tujuan Penelitian .................................................................. 2
1.4 Batasan Masalah .................................................................. 3
1.5 Manfaat Penelitian ................................................................ 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
xiii
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
xiv
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
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Karakteristik mesh . ............................................................. 33
Tabel 4.2. Data hasil eksperimen Tarchi dkk, (2008) ........................... 36
Table 4.3. Perhitungan factor gesekan hasil validasi .......................... 37
Tabel 4.4. Koefisien perpindahan panas hasil simulasi ....................... 40
Tabel 4.5. Karakteristik mesh ............................................................... 41
xvi
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)
top related