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 : nursetoaji18@gmail.com

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 : nursetoaji18@gmail.com

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

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)