analisa numerik transfer kalor konveksi fluida nano …

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

iii

ANALISA NUMERIK TRANSFER KALOR KONVEKSI

FLUIDA NANO TiO2/WATER PADA KONDISI BATAS

FLUKS KALOR KONSTAN

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

RADEN MAHESA RAMADHAN

NIM. I0412041

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017


iii

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, 3 Februari 2017

Raden Mahesa Ramadhan


iv

HALAMAN MOTTO

“…Dan sampaikanlah kabar gembira kepada orang-orang yang sabar, (yaitu)

orang-orang yang apabila ditimpa musibah, mereka berkata, Sesungguhnya kami

milik Allah dan kepada-Nyalah kami kembali.”

(Q.S. Al-Baqarah: 155-156)

“Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan

kesanggupannya.”

(Q.S. Al-Baqarah: 286)

“(yaitu) orang-orang yang beriman dan hati tenteram dengan mengingat Allah.

Ingatlah, hanya dengan mengingati Allah-lah menjadi tenteram.”

(Q.S. Ar Ra’d: 28)

“Setiap makhluk hidup merupakan mesin penggerak alam semesta.”

(Nikola Tesla)


v

HALAMAN PERSEMBAHAN

Segal rasa syukur penulis panjatkan kepada Allah swt, penguasa alam semesta

yang telah memberikan nikmat berupa kemudahan kepada penulis. Sebagai

perwujudan rasa syukur, penulis ingin membersembahkan karya ini bagi…

Ibu dan bapak yang selalu memanjatkan do’a yang tak ada hentinya untuk

anak-anaknya. Ibu dan bapak yang tak pernah lelah memberi semangat dan

motivasi yang tidak dapat dihargai nilainya.

Seluruh dosen di program studi Teknik Mesin UNS yang telah memberikan

ilmu yang sangat bermanfaat.

Semua teman-teman Camro (Teknik Mesin 2012) yang selalu ada dalam

senang maupun sulit, memberikan canda tawa, kegembiraan, dan memori indah

dalam kehidupan perkuliahan di UNS.

Dan seluruh teman-teman teknik Mesin UNS yang telah memberikan

bantuannya.


vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan

hidayah-Nya sehingga Tugas akhir dapat diselesaikan. Tugas akhir ini disusun

untuk memenuhi salah satu persyaratan akademik untuk kelulusan pada program

studi Teknik Mesin UNS. Laporan ini berisi tentang perbandingan analisa numerik

transfer kalor konveksi fluida nano pada kondisi batas fluks kalor konstan.

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 lebih baik.

Penulis mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah membantu

dalam penyusunan laporan ini, antara lain :

1. Keluarga yang telah memberikan doa restu serta semangat yang terus

menerus.

2. Bapak Dr. Budi Kristiawan S.T., M.T. dan Dr. Budi Santoso S.T., M.T.

selaku dosen pembimbing yang selalu membimbing dan mengkoreksi

Tugas Akhir saya.

3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku Kepala Prodi S1 Teknik

Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret.

4. Ivan Riandana selaku sahabat senang, sedih, maupun susah dalam

pengerjaan Tugas Akhir.

5. Aldi Ruvian, Rezha Nugraha, Dharma Nugraha, Nuryawan Mirsa, Fachri

Siddik, Dandy Anugerah, Alfi Ramadhan, Bayu sutanto, dan Putri

Juningtyas yang selalu memberikan semangat yang tak tergantikan.

6. Rekan-rekan KKN Wakatobi 2016 yang selalu menjadi motivasi dalam

pengerjaan laporan ini.

7. Teman-teman teknik mesin UNS angkatan 2012 (CAMRO) yang senantiasa

selalu memberi semangat dan bantuan.

8. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan Tugas Akhir

ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang ada pada laporan

ini. Oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang


vii

membangun dari pembaca, mengingat laporan ini masih jauh dari sempurna. Akhir

kata, penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi penulis maupun

pembaca.

Surakarta, 16 Januari 2017

Penulis


viii

Analisa Numerik Transfer Kalor Konveksi Fluida Nano

TiO2/Water pada Kondisi Batas Fluks Kalor Konstan


Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

ABSTRAK

Rendahnya konduktivitas termal pada fluida transfer kalor konvensional seperti air,

minyak, dan ethylene glycol menjadi sebuah keterbatasan yang perlu diperbaiki.

Penggunaan fluida nano menjadi salah satu usaha untuk meningkatkan laju transfer

kalor. Transfer kalor konveksi fluida nano TiO2/Water pada pipa bernampang

lingkaran di bawah kondisi fluks kalor konstan telah dikaji secara numerik

menggunakan computational fluid dynamic (CFD) dengan konsentrasi partikel

nano 0,24, 0,60, dan 1,18% v/v. Pendekatan Eulerian digunakan untuk memprediksi

distribusi temperatur dengan menggunakan pemodelan two-phase mixture model.

Perhitungan koefisien transfer kalor dilakukan dengan menggunakan temperatur

rata-rata yang diperoleh secara numerik dari profil temperatur. Pengaruh

konsentrasi partikel nano dan bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt

dianalisis secara numerik sepanjang jarak aksial. Dari analisa numerik yang telah

dilakukan, diperoleh peningkatan koefisien transfer kalor fluida nano TiO2/Water

dengan konsentrasi partikel nano 0,24, 0,60, dan 1,18% v/v aliran laminar secara

berurutan adalah 4,63, 11,47, dan 20,20%. Sedangkan aliran turbulen mengalami

peningkatan transfer kalor sebesar 4,04, 10,33, dan 21,87%.

Kata kunci: fluida nano, titania, temperature rata-rata, transfer kalor

mailto:[email protected]


ix

Numerical Investigation of Convective Heat Transfer of

TiO2/water Nanofluids under Constant Wall Heat Flux Condition


Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering

Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

ABSTRACT

The poor thermal conductivity of the conventional heat transfer fluid of water, oil

and ethylene glycol becomes a limitation that needs to be improved. The use of

nanofluids is one of the efforts to increase the rate of heat transfer. The convective

heat transfer of TiO2/Water nanofluids in a tube under constant wall heat flux

boundary condition is studied numerically using a CFD with nanoparticle

concentration of 0.24, 0.60, and 1.18% v/v. Eulerian approach has been used to

predict temperature distribution with two-phase mixture model. The calculation of

heat transfer coefficient is employed considering mean temperature which is

numerically obtained from temperature profile. The effect of nanoparticle

concentration added in the base fluid and Reynolds number on Nusselt number are

numerically analyzed along the axial distance. From the numerical analysis has

been done, it can be shown that the increase of heat transfer coefficient nanofluids

TiO2/Water with nanoparticle concentration of 0.24, 0.60, and 1.18% v/v for

laminar flow are 4.63, 11.47, and 20.20%, respectively. Whereas the increases of

heat transfer for turbulent flow are 4.04, 10.33, and 21.87%.

Keywords: nanofluids, titania, mean temperature, heat transfer

mailto:[email protected]


x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................i

HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ........................................ ii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN .......................................................... iv

HALAMAN MOTTO ............................................................................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................ vi

KATA PENGANTAR ........................................................................................ vii

ABSTRAK ............................................................................................................. ix

ABSTRACT ............................................................................................................ x

DAFTAR ISI ......................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xv

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xvi

DAFTAR NOTASI ............................................................................................ xvii

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ................................................................................. 3

1.3. Batasan Masalah ...................................................................................... 4

1.4. Tujuan Penelitian ...................................................................................... 4

1.5. Manfaat Penelitian .................................................................................... 4

1.6. Sistematika Penulisan .............................................................................. 4

BAB II DASAR TEORI ......................................................................................... 6

2.1. Tinjauan Pustaka ....................................................................................... 6

2.2. Dasar Teori ............................................................................................. 11

2.2.1. Aliran dalam pipa ......................................................................... 11

2.2.2. Analisis transfer kalor konvektif................................................... 16

2.3. Computational Fluid Dynamic ............................................................... 17

2.3.1. Two-phase mixture model ............................................................. 18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 20

3.1. Tempat Penelitian ................................................................................... 20


xi

3.2. Alat Penlitian .......................................................................................... 20

3.3. Prosedur Penelitian ................................................................................. 20

3.3.1. Pelaksanaan penelitian .................................................................. 20

3.4. Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 24

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ........................................................ 27

4.1. Validasi Penelitian .................................................................................. 27

4.1.1. Validasi termal .............................................................................. 28

4.1.2. Validasi hidrodinamik .................................................................. 29

4.2. Pemodelan Aliran Laminar dengan Variasi Fraksi Volume ................... 30

4.3. Pemodelan Aliran Turbulen dengan Variasi Fraksi Volume .................. 37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 46

5.1. Kesimpulan ............................................................................................ 46

5.2. Saran ....................................................................................................... 46

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 47

LAMPIRAN ......................................................................................................... 48


xii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Parameter penelitian............................................................................. 25

Tabel 4.1. Bilangan Nusselt dan peningkatan kalor Re = 500 .............................. 33

Tabel 4.2. Bilangan Nusselt dan peningkatan kalor Re = 1200 ............................ 34

Tabel 4.3. Bilangan Nusselt dan peningkatan transfer kalor aliran turbulen ......... 40

Tabel 4.4. Tekanan versus bilangan Reynold ....................................................... 43


xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perbandingan prediksi bilangan Nusselt ............................................. 7

Gambar 2.2 Nilai bilangan Nusselt untuk fraksi volume 1% .................................. 8

Gambar 2.3 Distribusi temperatur fluida nano TiO2/Water .................................... 9

Gambar 2.4 Perbandingan konduktifitas termal ................................................... 10

Gambar 2.5 Profil kecepatan aktual dan ideal ...................................................... 11

Gambar 2.6 Profil temperatur aktual dan ideal ..................................................... 12

Gambar 2.7 Diameter hydraulic untuk pipa melingkar ........................................ 13

Gambar 2.8 Perkembangan lapis batas kecepatan dan termal .............................. 14

Gambar 2.9 Diagram Moody ................................................................................ 15

Gambar 2.10 Variasi bilangan Nusselt sepanjang pipa pada aliran turbulen........ 16

Gambar 2.11 Konservasi energi dari suatu aliran fluida ....................................... 16

Gambar 2.12 Variasi temperature rata-rata fluida dan dinding pipa..................... 17

Gambar 3.1 Grid meshing 800x15 dengan menggunakan faktor bias ................. 22

Gambar 3.2 Diagram alir penilitian ...................................................................... 26

Gambar 4.1 Meshing non-uniform grid dan konfigurasi axisymmetric 2-D ......... 27

Gambar 4.2 Distribusi bilangan Nusselt untuk Re = 500 ...................................... 28

Gambar 4.3 Distribusi bilangan Nusselt untuk Re = 1200 .................................... 28

Gambar 4.4 Perbandingan bilangan Nusselt beda aliran turbulen ......................... 29

Gambar 4.5 Faktor gesekan pada aliran turbulen .................................................. 30

Gambar 4.6 Koefisien perpindahan panas simulasi pada Re = 500 ...................... 31

Gambar 4.7 Koefisien perpindahan panas simulasi pada Re = 1200 .................... 31

Gambar 4.8 Koefisien bilangan Nusselt simulasi pada Re = 500 ......................... 32

Gambar 4.9 Koefisien bilangan Nusselt simulasi pada Re = 1200 ....................... 32

Gambar 4.10 Profil distribusi temperatur fraksi volume 0,60 vol. % Re = 500 ... 33

Gambar 4.11 Profil distribusi temperatur fraksi volume 0,60 vol. % Re = 1200 34

Gambar 4.12 Distribusi temperatur radial fraksi volume 0,60 vol. % Re = 500 .. 35

Gambar 4.13 Distribusi temperatur radial fraksi volume 0,60 vol. % Re = 1200 35

Gambar 4.14 Distribusi kecepatan radial fraksi volume 0,60 vol. % Re = 500 ... 36

Gambar 4.15 Distribusi kecepatan radial fraksi volume 0,60 vol. % Re = 1200 . 36

Gambar 4.16 Koefisien perpindahan panas simulasi pada aliran turbulen ........... 37


xiv

Gambar 4.17 Rasio koefisien perpindahan panas aliran turbulen ......................... 38

Gambar 4.18 Bilangan Nusselt simulasi pada aliran turbulen .............................. 38

Gambar 4.19 Profil distribusi temperatur dengan konsentrasi 0,60 % v/v ........... 39

Gambar 4.20 Perbandingan hasil simulasi dengan penelitian sebelumnya .......... 41

Gambar 4.21 Perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimental ............... 41

Gambar 4.22 Perbandingan tekanan pada aliran turbulen .................................... 42

Gambar 4.23 Perbandingan faktor gesekan pada aliran turbulen ......................... 43

Gambar 4.24 Perbandingan wall shear stress pada aliran turbulen ...................... 44

Gambar 4.25 Perbandingan daya pemompaan pada aliran turbulen ..................... 44

Gambar 4.26 Koefisien perpindahan panas fluida pada daya pemompaan .......... 45


xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Profil distribusi temperature Re = 500 ............................................. 48

Lampiran 2. Profil distribusi temperature Re = 1200 ........................................... 50




Lampiran 6. Profil distribusi temperature Re = 10000 ......................................... 58



Lampiran 9. Tabel perhitungan bilangan Nusselt Re = 500 ................................. 64

Lampiran 10. Tabel perhitungan bilangan Nusselt Re = 1200 .............................. 64

Lampiran 11. Tabel perhitungan bilangan Nusselt aliran turbulen ........................ 64

Lampiran 12. Tabel peningkatan transfer kalor terhadap air aliran turbulen......... 65

Lampiran 13. Tabel friction factor pada aliran turbulen ........................................ 65

Lampiran 14. Tabel pressure drop pada aliran turbulen ........................................ 65

Lampiran 15. Tabel A-9 ......................................................................................... 66

Lampiran 16. Tutorial setting mixture model......................................................... 67


xvi

DAFTAR NOTASI

A = Luas penampang (m2)

Di = Diameter dalam pipa (m)

f = Faktor gesekan

h = Koefisien perpindahan panas

(W/m2K)

Kbf = Konduktivitas transfer kalor

fluida dasar (W/m K)

Knp = Konduktivitas transfer kalor

partikel nano (W/m K)

Knf = Konduktivitas transfer kalor

fluida nano (W/m K)

K = Kondutivitas transfer kalor

(W/m K)

L = Panjang pipa (m)

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)

Cbf = Kalor jenis fluida dasar

(J/kg K)

Cnp = Kalor jenis partikel nano

(J/kg K)

Cpnf = Kalor jenis fluida nano

(J/kg K)

ρ = Densitas (kg/m3)

ρbf = Densitas fluida dasar (kg/m3)

ρnp = Densitas partikel nano

(kg/m3)

ρnf = Densitas fluida nano (kg/m3)

𝜇 = Viskositas dinamik (kg/m s)

𝜇bf = Viskositas dinamik fluida

dasar (kg/m s)

𝜇np = Viskositas dinamik partikel

nano (kg/m s)

𝜇nf = Viskositas dinamik fluida

nano (kg/m s)

P = Tekanan (pa)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Wp = Daya pemompaan (Watt)

ф = Fraksi volume

= Tegangan Geser (Pa)

x = Arah aksial

r = Arah radial

analisa numerik transfer kalor konveksi fluida nano …

Documents