PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR MIKRO GAS TURBIN
TUGAS AKHIR BIDANG KONVERSI ENERGI
Diajukan Kepada :
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin Program Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin
Oleh : KOKO TRI WAHYUDI 201010120311045
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2014
i
ii
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI
PERANCANGAN THERMAL INSULATOR RUANG BAKAR MIKRO GAS TURBIN Diajukan Kepada : UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin Program Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin Disusun Oleh:
Koko Tri Wahyudi 201010120311045 Diterima dan Disetujui pada tanggal ................. 2014 Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
Ir. Sudarman, MT.
Budiono SSi, MT.
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang
Ir. Daryono, MT.
iii
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR Nama
: Koko Tri Wahyudi
Nim
: 201010120311045
Bidang Keahlian
: Konversi Energi
No. ST. Pemb. TA
: E.2/123/FT/UMM/III/2014
Judul
: Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin
Pembimbing I
: Ir. Sudarman, MT
No.
Catatan Asistensi
1
Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I
2
ACC Bab I
3
Konsultasi Bab II
4
ACC Bab II
5
Konsultasi Bab III
6
ACC Bab III
7
Konsultasi Bab IV
8
ACC Bab IV
9
Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil
10
ACC Bab V dan Seminar Hasil
Paraf Dosen Pembimbing I
Mengetahui : Ketua Jurusan Teknik Mesin
Malang, ………… 2014 Dosen Pembimbing I
Ir. Daryono, MT
Ir. Sudarman, MT iv
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG JL. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR Nama
: Koko Tri Wahyudi
Nim
: 201010120311045
Bidang Keahlian
: Konversi Energi
No. ST. Pemb. TA
: E.2/123/FT/UMM/III/2014
Judul
: Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin
Pembimbing I
: Budiono SSi, MT
No.
Catatan Asistensi
1
Persetujuan Judul dan Konsutasi Bab I
2
ACC Bab I
3
Konsultasi Bab II
4
ACC Bab II
5
Konsultasi Bab III
6
ACC Bab III
7
Konsultasi Bab IV
8
ACC Bab IV
9
Konsultasi Bab V dan Seminar Hasil
10
ACC Bab V dan Seminar Hasil
Paraf Dosen Pembimbing I
Malang, ………….. 2014 Dosen Pembimbing II
Mengetahui : Ketua Jurusan Teknik Mesin
Ir. Daryono, MT
Budiono SSi, MT v
LEMBAR PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah : Nama
: Koko Tri Wahyudi
Nim
: 201010120311045
Tempat/Tanggal Lahir
: Balikpapan, 10 Mei 1993
Jurusan
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Instansi
: Universitas Muhammadiyah Malang
Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa : 1.
Tugas Akhir dengan Judul : “Perancangan Thermal Insulator Ruang Bakar Mikro Gas Turbin” Adalah hasil karya saya, dan dalam naskah tugas akhir ini tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik disuatu perguruan tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, baik sebagian atau keseluruhan, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber kutipan pada daftar pustaka.
2.
Apabila ternyata didalam naskah tugas akhir ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur
“PLAGIASI”,
saya
bersedia
“TUGAS
AKHIR
INI
DIGUGURKAN” dan “GELAR AKADEMIK YANG TELAH SAYA PEROLEH DIBATALKAN”, serta diproses sesuai ketentuan yang berlaku.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk digunakan sebagaimana mestinya. Malang, ………. 2014 Yang Menyatakan,
Koko Tri Wahyud
vi
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas akhir ini akhirnya dapat terselesaikan. Seiring penyusunan tugas akhir ini, terdapat hambatan dan kesulitan yang dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ucapkan terima kasih atas jasa yang selama ini telah diterima oleh penyusun, baik nasehat, petunjuk, ide, saran, serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Ungkapan terima kasih tersebut disampaikan kepada : 1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan-pesannya yang tak akan terlupakan. 2. Bapak Ir. Sudarman, MT. Selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan serta arahan secara intensif selama penyusunan tugas akhir ini dilakukan,
sekaligus
selaku
Dekan
Fakultas
Teknik
Universitas
Muhammadiyah Malang 3. Bapak Budiono SSi, MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan masukan ide, serta saran sehingga terselesaikannya tugas akhir ini 4. Bapak/Ibu Dosen yang telah bersedia memberikan bantuan berupa bimbingan teoritis seara langsung maupun tidak langsung. 5. Teman-teman sebimbingan, rekan-rekan laboraturium di lingkungan Teknik Mesin, serta teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2010 A,B, C dan D.
vii
6. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terima kasih banyak atas bantuan kalian semuannya. Dalam menyusun Tugas Akhir ini, penyusun menyadari bahwa masih banyak kekurangan dan kelemahan baik dalam penyusunan data maupun dalam pembahasannya. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penyusun harapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga Allah SWT memberikan balasan kepada semua pihak yang tersebut diatas dan penyusun berharap semoga Tugas Akhir bermanfaat bagi penyusun dan pembaca.
viii
DAFTAR ISI COVER ................................................................................................................ i POSTER ............................................................................................................... ii LEMBARAN PENGESAHAN SKRIPSI .......................................................... iii LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR .................................................... iv LEMBARAN PERYATAAN ............................................................................. v BERITA ACARA ................................................................................................ vi ABSTRAK ........................................................................................................... vii KATA PENGANTAR ......................................................................................... viii DAFTAR ISI ........................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... xvi BAB I .................................................................................................................... 1 PENDAHULUAN ................................................................................................ 1 1.1.Latar Belakang .......................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................... 4 1.3 Tujuan Perancangan .................................................................................. 4 1.4. Batasan Masalah....................................................................................... 4 BAB II .................................................................................................................. 5 TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................................... 5 2.1.Pengertian Thermal Insulator ................................................................... 5 2.2.Konduktivitas Termal............................................................................... 5 2.3.Perpindahan Panas Dalam Thermal Insulator .......................................... 11 2.4.Perpindahan Panas Radiasi ...................................................................... 13 2.4.1.Laju Perpindahan Panas Secara Radiasi ......................................... 15
ix
2.5.Perpindahan Panas Konduksi ................................................................... 16 2.5.1.Konduksi Padat .............................................................................. 17 2.5.2.Konduksi Bidang Silinder .............................................................. 18 2.6.Perpindahan Panas Konveksi ................................................................... 20 2.6.1.Konveksi Bebas (Alamiah) ............................................................ 21 2.6.1.1.Konveksi Bebas Bidang Silinder ...................................... 24 2.6.1.2.Konveksi Bebas Pada Ruang Tertutup .............................. 25 2.6.1.3. Konveksi Bebas Aliran Turbulen Dalam Tabung ............ 27 2.6.2.Konveksi Paksa .............................................................................. 28 2.6.2.1. Aliran Dalam Pipa ............................................................ 28 2.7.Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh............................................... 30 2.8.Tebal Kritis Isolasi ................................................................................... 34 2.9.Pemilihan Material ................................................................................... 36 BAB III ................................................................................................................. 38 METODE PERANCANGAN ............................................................................. 38 3.1.Studi literatur............................................................................................ 38 3.2.Metode Pengumpulan............................................................................... 38 3.3.Skema Gambar Rancangan ...................................................................... 39 3.4.Analisa Perpindahan Panas ...................................................................... 40 3.4.1.Menghitung Perpindahan Panas Ruang Bakar ............................... 42 3.5. Perhitungan Perancangan ........................................................................ 43 3.5.1.Perhitungan Perpindahan Panas Gas Pembakaran ke Liner .......... 43 3.5.2.Perhitungan Perpindahan Panas Liner ke Udara Annulus ............. 44 3.5.3.Perhitungan Perpindahan Panas Udara Annulus ke Selubung ....... 44 3.5.4.Perhitungan Perpindahan Panas Selubung ke Thermal Insulator .. 45 3.5.5.Perhitungan Perpindahan Panas ke Lingkungan ............................ 45
x
3.6. Pemilihan Bahan ..................................................................................... 46 3.7. Flow Chart Perancangan ......................................................................... 47 BAB IV ................................................................................................................. 48 ANALISA DAN PERHITUNGAN .................................................................... 48 4.1.Data Perancangan ..................................................................................... 48 4.2.Perpindahan Panas Pada Zona Ruang Bakar ........................................... 50 4.2.1.Perpindahan Panas Pada Zona Utama ............................................. 50 4.2.1.1 Laju Perpindahan Panas Primary Zona Pana Liner ............ 53 4.2.1.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Primary Zone ..... 55 4.2.2.Perpindahan Panas Pada Zona Kedua ............................................. 56 4.2.2.1 Laju Perpindahan Panas Secondary Zona Pana Liner ........ 59 4.2.2.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Secondary Zone . 60 4.2.3.Perpindahan Panas Pada Zona Dilusi.............................................. 62 4.2.3.1 Laju Perpindahan Panas Dilution Zona Pana Liner............ 63 4.2.3.2 Laju Perpindahan Panas Udara Annulus Dilution Zone ..... 64 4.2.4.Perhitungan Laju Perpindahan Panas Total .................................... 65 4.3.Perpindahan Panas Pada Selubung .......................................................... 66 4.3.1.Perpindahan Temperatur Dinding Dalam Selubung ....................... 66 4.3.2.Perpindahan Temperatur Dinding Selubung Bagian Luar ............. 69 4.3.3.Perpindahan Beda Temperatur Pada Selubung .............................. 71 4.3.4.Aliran panas Dari Dinding Bagian Luar Ke Fluida Luar ............... 71 4.3.5.Perpindahan Perpindahan Panas Menyeluruh ................................ 72 4.4.Perhitungan Perpindahan Panas Termal Insulator ................................... 75 4.4.1.Kerugian Panas Tanpa Dibalut Insulator ........................................ 75 4.4.2.Perhitungan Dimensi Thermal Insulator......................................... 76 4.5.Perhitungan Effisiensi Termal Siklus ............................................................. 77
xi
BAB V................................................................................................................... 79 KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 79 5.1.Kesimpulan .............................................................................................. 79 5.2.Saran ......................................................................................................... 81 VI. LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Konduktivitas Termal beberapa Gas Khas .................................... 8 Gambar 2.2 : Konduktivitas termal beberapa zat padat khas .............................. 10 Gambar 2.3 : Kisaran Konduktivitas Termal Bahan ........................................... 12 Gambar 2.4 : Spektrum Elektromagnetik ........................................................... 14 Gambar 2.5 : Aliran kalor satu-demensi melalui silinder ................................... 18 Gambar 2.6 : Aliran kalor satu-dimensi memalui silinder & analogi listrik ....... 19 Gambar 2.7 : Pola sel Benard pada laipasan fluida tertutup ............................... 26 Gambar 2.8 : Profil kecepatan dalam aliran-tabung turbulen ............................. 27 Gambar 2.9 : Perpindahan kalor menyeluruh ..................................................... 29 Gambar 2.10 : Perpindahan-kalor menyeluruh melalui dinding datar ................ 32 Gambar 2.11 : Analogi tahanan silinder bolong dengan kondisi batas konveksi 33 Gambar 2.12 : Tebal Kritis Isolasi ...................................................................... 35 Gambar 3.1 : Model Rancangan Ruang Bakar dan Thermal Insulator ............... 39 Gambar 3.2 : Skema gambar Insulator Ruang Bakar .......................................... 39 Gambar 3.3 : Skema Ruang Bakar Mikro Gas Turbin ........................................ 40 Gambar 3.4 : Model Perpindahan Panas Pada Annulus...................................... 43 Gambar 3.5 : Skema Perpindahan Panas Panas Liner......................................... 43
xii
Gambar 3.6 : Skema Perpindahan Panas Dari Liner ke Udara Annulus ............. 44 Gambar 3.7 : Skema Perpindahan Panas Pada Thermal Insulator ...................... 45 Gambar 3.8 : Skema Perpindahan Panas ke Lingkungan ................................... 45 Gambar 4.1: Skema Perpindahan Panas.............................................................. 53 Gambar 4.2: Skema Aliran Pada Lubang Dilusi ................................................. 62 Gambar 4.3: Pepindahan Panas Pipa Silinder Berlubang ................................... 70 Gambar 4.4 : Perpindahan Kalor Menyeluruh .................................................... 67
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 : Konduktivitas Termal ....................................................................... 7 Tabel 2.2 : Konduktivitas Termal Efektif Kriogenik Material ........................... 11 Tabel 2.3 : Nilai kira-kira koefisien perpindahan-kalor menyeluruh .................. 3 Tabel 4.4 : Harga LHV yang terkandung pada setiap unsur ............................... 55
xiii
Daftar Pustaka Arismunandar, W. (2002). Turbin Gas dan Motor Propulsi. Bandung: ITB. Boyce, M. P. (1990). Gas Turbine Engineering Handbook Second Edition. United Kingdom: Gulf Professional Publishing. Departement of Industrial Promotion, M. o. (2007). Thermal Energy Efficiency Improvment Handbook. Thailand: On Behalf of Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan. Frank P. Incropera, D. P. (1976). Introduction to Heat Transfer. Canada: John Wiley & Sons. Holman, J. (1984). Perpindahan Kalor. Jakarta: Penerbit Erlangga. Ir. Herry Supriyanto, MT. (2011). Perpindahan Panas. Malang. Jong Joon Lee, J. E. (2007). Peformance Test and Component Characteristic Evaluation of Micro Gas Turbine. Journal of Mechanical Science and Technology, 141-152. Kreith, F. (2000). The CRC Handbook of Thermal Engineering. In D. W. Nowobilski, Thermal Insulation (pp. 188-198). Boca Raton: CRC Press LLC. Mursyid, A. (2012). Analisis Unjuk Kerja Kompresor Sentrifugal Pada Turbin Gas Mikro Proto X-2. Skripsi, 1. Nugraha, T. A. (2012). Modifikasi Engine Berbahan Bakar Premium Menjadi Berbahan Bakar Biogas Sebagai pembangkit Listrik. Skripsi, 5-20. PT. Patria Utama Humanindo. (1998). Gas Turbine Operation & Maintenance. Bandung: Petroleum Industrial Training Consultant. Riansyah, S. (2014). Perancangan Mikro Gas Turbin Berbahan Bakar Biogas. Skripsi. W.P.J Visser, S. A. (2011). Development of a 3 kW Microturbine for CHP Applications. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 133. Wikipedia. (2013, April 15). Isolasi Termal. p. 1. Wikipedia. (n.d.). Konveksi Bebas.
xiv
