TUGAS AKHIR
STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR DENGAN METODE CFD
Disusun Oleh : AGUS JAMALDI NIM : D.200.120.161
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016
i
ii
iii
iv
v
MOTTO
”Barang siapa yang menghendaki kehidupan dunia maka wajib baginya memiliki ilmu, dan barang siapa yang menghendaki kehidupan Akherat, maka wajib baginya memiliki ilmu, dan barang siapa menghendaki keduanya maka wajib baginya memiliki ilmu” (HR. Turmudzi)
“Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar” (Umar bin Khathab)
“Belajarlah ketika orang lain tidur, bekerjalah ketika orang lain bermalasan, dan bermimpilah ketika orang lain berharap” (William A. Ward)
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat, hidayah serta inayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan benar sesuai dengan waktunya. Sholawat serta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, beserta keluarga, sahabat yang telah banyak memberikan tuntunan dan yang kita nanti syafa’at-Nya di yaumul akhir kelak. Penulisan tugas akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada yang terhormat : 1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo B. R, ST.,M.Sc.,Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sarjito, MT.,Ph.D selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing, mengarahkan, dan memberi petunjuk dalam penyusunan tugas akhir ini.
vii
4. Bapak Marwan Effendy, ST.,MT.,Ph.D selaku dosen pendamping yang telah memberikan banyak arahan dan masukkan bagi penulis. 5. Bapak M. Alfatih Hendrawan, ST.,MT selaku Pembimbing Akademik. 6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik. 7. Ibu dan Bapak yang selalu memberikan dukungan yang tiada terhingga. 8. Teman-teman teknik mesin dan teman seperjuangan Rizki, Agung, Abdullah, Andrey, Eko, Rika, Ma’arif, Sumarudin, Bayu yang selalu memberi motivasi bagi penulis. 9. Bapak Gatot Sugiyanto, dan Atik Kistari yang selalu memberi dukungan selama masa kuliah. Tim Asisten LPPITD dan Bayu Surya UMS yang telah memberi dukungan, dan pengalaman selama kuliah. 10. Berbagai pihak yang telah
banyak membantu
penulis dalam
menyelesaikan tugas akhir ini. Semoga semua bantuan yang sudah diberikan menjadi amal soleh dan mendapat balasan dari Allah SWT. Penulis menyadari dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak kekurangan, kritik dan saran yang bersifat membangun akan penulis terima dengan senang hati. Semoga tugas akhir ini bermanfaat khususnya bagi penulis dan umumnya bagi kita semua. Surakarta, Oktober 2016
Agus Jamaldi
viii
STUDI EFEK SEMPROTAN SERANGKAIAN NOSEL PADA CEROBONG TERHADAP PROFIL KECEPATAN DAN TEMPERATUR DENGAN METODE CFD Agus Jamaldi, Sarjito, Marwan Effendy Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura Email :
[email protected]
Abstrak Penurunan temperatur di dalam cerobong evaporasi dapat diupayakan dengan menambahkan sistem semprotan air di dalam cerobong. Tulisan ini membahas penelitian secara simulasi untuk menyelidiki pengaruh dari konfigurasi nosel dan tingkat kelembaban terhadap profil kecepatan dan distribusi temperatur di dalam cerobong. Penelitian ini dilakukan melalui pendekatan simulasi dengan menerapkan k-ε turubulen model. Geometri cerobong dan nosel yang digunakan mengacu dari penelitian sebelumnya secara simulasi. Termasuk data yang didapat yang dipilih sebagai desain standar selama studi perbaikan mesh dan tahap validasi, selanjutnya dilakukan modifikasi pada konfigurasi nosel di dalam cerobong. Profil kecepatan dan distribusi temperatur diamati selama proses penelitian. Hasil penelitian menunjukkan bahwa validasi data konsisten dengan data simulasi sebelumnya. Konfigurasi dengan 8 nosel pada ketinggian 3.94 m dan 3 nosel pada ketinggian 3.5 m dari dasar cerobong, menghasilkan kondisi paling optimal pada penurunan temperatur dan kecepatan uap air di dalam cerobong evaporasi.
Kata kunci : cerobong evaporasi, nosel, k-ε turubulen model.
ix
Abstract The decrease of temperature in the evaporation chimney could be achieved by adding water spray system inside the chimney. This paper describes a simulation research in order to investigate the influence of the nozzle configuration and the level of humidity to the velocity profile and temperature distribution inside the chimney. This research was performed computationally by applying k-ε turbulence model. Geometry of chimney and nozzle used by other researcher in the previous simulation, including their finding data, were chosen as a standard design during mesh refinement study and validation stage, hereinafter was modified in terms of nozzle configurations inside the chimney. The profile of velocity and temperature were observed along the investigation. The results show that the validation data is consistent to the previous study. The configuration, with 8 nozzles at a height of 3.94 m and 4 nozzles at a height of 3.5 m from the base of the stack, produces an optimum level in terms of the decrease of temperature and the velocity of vapour.
Key words : evaporation chimney, nozzle, k-ε turbulence model.
x
DAFTAR ISI Halaman Judul .....................................................................................
i
Pernyataan Keaslian Skripsi ................................................................
ii
Halaman Persetujuan ..........................................................................
iii
Halaman Pengesahan .........................................................................
iv
Lembar Soal Tugas Akhir ....................................................................
v
Halaman Motto.....................................................................................
vi
Kata Pengantar ....................................................................................
vii
Abstrak.................................................................................................
ix
Daftar Isi ..............................................................................................
xi
Daftar Gambar .....................................................................................
xiii
Daftar Tabel .........................................................................................
xv
Daftar Simbol .......................................................................................
xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah ..........................................................
4
1.3 Batasan Masalah ...............................................................
4
1.4 Tujuan Penelitian ...............................................................
5
1.5 Manfaat Penelitian .............................................................
5
1.6 Sistematika Penulisan Laporan..........................................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kajian Pustaka ................................................................... xi
7
2.2 Landasan Teori ..................................................................
15
2.2.1 Computational Fluids Dynamics (CFD) ....................
15
2.2.2 Nosel........................................................................
16
2.2.3 k-epsilon turbulence models ....................................
17
2.2.4 Droplet momentum transfer ......................................
18
2.2.5 Droplet distribution models .......................................
21
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram alir penelitian .......................................................
29
3.2 Tahapan penelitian.............................................................
31
3.2.1 Pre-processing ........................................................
31
3.2.2 Boundary condition..................................................
37
3.2.3 Solution ...................................................................
37
BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Validasi data ......................................................................
38
4.2 Validasi meshing ................................................................
38
4.3 Hasil dan pembahasan.......................................................
40
4.3.1 Studi efek konfigurasi nosel terhadap performa pendinginan .............................................................
42
4.3.2 Studi efek perbedaan tingkat RH terhadap performa pendinginan .............................................................
51
4.3.3 Analisis perhitungan .................................................
54
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ........................................................................
57
5.2 Saran .................................................................................
58
DAFTAR PUSTAKA xii
LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi nosel tunggal .........................................................................
8
Perbandingan profil kecepatan antara hasil simulasi dengan profil kecepatan dari Georges dan Buchlin .....
8
Dimensi cerobong dan nosel pada simulasi multi nosel ............................................................................
11
Distribusi temperatur pada bagian outlet dengan konfigurasi radius konstan ...........................................
11
Distribusi temperatur pada bagian outlet dengan konfigurasi jarak konstan .............................................
12
Variasi temperatur keluar dan mass flow dengan konfigurasi nosel yang berbeda ...................................
13
Variasi rata-rata temperatur dan mass flow rate dengan susunan perbedaan jarak antar nosel.............
14
Gambar 2.8
Konfigurasi nosel yang digunakan ...............................
14
Gambar 2.9
Jumlah paper yang diterbitkan dari tahun 2002 – 2007 yang menggunakan CFD untuk memprediksi performa pendinginan pada bagunan ..........................
16
Gambar 2.10 Nosel PJ32 dan pola semprotan yang dihasilkan ........
17
Gambar 2.11 Nosel TF6 dan pola semprotan yang dihasilkan ..........
17
Gambar 2.12 Gaya yang terjadi pada semprotan air .........................
18
Gambar 3.1
Diagram alir penelitian .................................................
29
Gambar 3.2
Geometri cerobong ......................................................
31
Gambar 3.3
Domain ........................................................................
32
Gambar 3.4
Variasi tipe mesh .........................................................
34
Gambar 3.5
Variasi ketinggian letak nosel pada konfigurasi 4 nosel di atas dan 7 nosel di bawah..............................
35
Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 6 nosel di atas dan 5 nosel di bawah..............................
36
Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7
Gambar 3.6
xiii
Gambar 3.7
Variasi ketinggian letak nosel pada konvigurasi 8 nosel di atas dan 3 nosel di bawah..............................
36
Gambar 3.8
Konfigurasi nosel spiral................................................
37
Gambar 4.1
Validasi mesh ..............................................................
39
Gambar 4.2
Ketinggian plane di dalam cerobong............................
41
Gambar 4.3
Selisih ketinggian antar nosel ......................................
42
Gambar 4.4
Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 4 nosel di atas dan 7 nosel di bawah.............................................................
43
Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 6 nosel di atas dan 5 nosel di bawah.............................................................
44
Distribusi temperatur pada perbedaan ketinggian pengujian dengan konfigurasi 8 nosel di atas dan 3 nosel di bawah.............................................................
46
Distribusi temperatur pada perbandingan empat jenis konfigurasi nosel..........................................................
48
Distribusi kecepatan pada perbandingan empat jenis konfigurasi nosel..........................................................
50
Grafik distribusi temperatur pada perbedaan tingkat RH................................................................................
53
Gambar 4.10 Sistem aliran massa pada cerobong evaporasi ...........
54
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Karakteristik tingkat kehalusan mesh................................
33
Tabel 4.1
Validasi mesh pada penurunan temperatur di dalam cerobong ...........................................................................
39
Tabel 4.2
Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian...
42
Tabel 4.3
Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian ...
44
Tabel 4.4
Distribusi temperatur pada tingkat ketinggian pengujian...
45
Tabel 4.5
Hasil distribusi temperatur pada susunan nosel spiral ......
47
Tabel 4.6
Distribusi temperatur pada empat konfigurasi nosel .........
47
Tabel 4.7
Distribusi kecepatan pada empat konfigurasi nosel ..........
49
Tabel 4.8
Tekanan parsial untuk perhitungan RH.............................
51
Tabel 4.9
Hasil perhitungan perbedaan tingkat RH ..........................
52
Tabel 4.10 Distribusi temperatur pada perbedaan tingkat RH ............
52
xv
DAFTAR SIMBOL
U
vektor kecepatan (m/s)
P
tekanan (Pa)
ρ
massa jenis udara (kg/m3)
μ
viskositas dinamik (Pa.s)
T
temperatur (K)
t
waktu (s)
R
konstanta gas (J/Kg.K)
Cv
Panas jenis (J/kg.K)
t
eddy viscosity (Pa.s)
k
energi kinetik turbulen (m2/s2)
ε
energy kinetik turbulen yang terdisipasi (m2/s3)
ω
frekuensi turbulen (s-1)
⃗
vektor kecepatan semprotan (m/s)
⃗
vektor gaya hambat (N)
⃗
vektor gaya gradien tekanan (N)
⃗
vektor kecepatan fluida sekitar (m/s)
⃗
vektor gaya apung (N)
⃗
vektor gaya tambahan massa (N) droplet drag coefficient droplet density (kg/m3)
d
droplet diameter (m)
⃗
vektor kecepatan slip (m/s)
Re
angka Reynolds
Nu
angka Nusselt
L
kalor laten penguapan air (kJ/kg)
C
panas jenis air (J/kg.K)
Psat
tekanan uap jenuh air pada permukaan droplet (Pa)
A, B dan C
koefisien Antoine equation
xvi
R(d)
Rosin-Rammler distribution function
de
diameter droplet (1/e atau 0.368)
γ
Rosin-Rammler power
P(d)
Nukiyama-Tanasawa distribution function
c
konstanta
q
Nukiyama-Tanasawa power
D
diameter silinder (m)
Lo
panjang/tinggi cerobong (m)
do
diameter nosel (m)
θ
sudut semprot nosel (degree)
psat
tekanan uap jenuh (bar)
W
humidity ratio (kg/kg)
mf
water vapour mass fraction
øi
relative humidity of moist air at location i = 0, 1, 2…6 (%)
R
konstanta gas udara kering (287 J/kg.K)
Rw
konstanta gas uap air (416.5 J/kg.K)
patm
tekanan atmosphere (101325 Pa)
pw
tekanan uap air (=ø.Psat) (Pa, bar)
psat
tekanan jenuh air (Pa, bar)
̇
aliran massa uap air pada i = 0, 1, 2,…6 (kg/s) ̇
aliran massa udara basah pada i = 0,1, 2,…6 (kg/s)
̇
aliran massa udara kering (kg/s)
humidity ratio pada i = 0, 1, 2,…6 (kg/kg udara kering)
∆̇ ̇
jumlah uap air antara lokasi i dan j (kg/s) kalor jenis air (kJ/kg.K) aliran massa semprotan air (kg/s) temperatur semprotan air (K) temperatur udara basah pada i = 0, 1, 2,…6 (K) daya serap thermal antara i dan j (W, kW) panas jenis uap air (kJ/kg.K)
xvii
panas jenis udara (kJ/kg.K) h
enthalpy udara basah (kJ/kg)
Q
debit (m3/s)
r
nozzle pitch circle radius (m)
ds
nozzle separation distance (m)
xviii
