karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan aliran fluida di sekitar pin fin cooling

21 Pages·2016·1.79 MB·Indonesian

NASKAH PUBLIKASI
TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING
DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS

Diajukan Untuk Memenuhi Tugas dan Syarat-Syarat Guna Memperoleh
Gelar Sarjana Teknik Jurusan Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:
ENDRI SUSANTO
D200.11.0061

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
i
HALAMAN PENGESAHAN
NASKAH PUBLIKASI TUGAS AKHIR

Naskah Tugas Akhir berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN
COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS”, telah
disetujui pembimbing dan diterima untuk memenuhi sebagian persyaratan
memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :
Nama : ENDRI SUSANTO
NIM : D200.11.0061
Disetujui pada
Hari :
Tanggal :

Pembimbing Utama Pembimbing Pendamping

Marwan Effendy.,ST.,MT.,Ph.D Ir. Tri Tjahjono, MT
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin

Tri Widodo Besar R, ST., MSc., Ph.D
ii
“KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING 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 : [email protected]

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

iii
“CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE
DROP ON “DIAMOND” FIN COOLING OF GAS TURBINE BLADE”

Endri Susanto, Marwan Effendy andTri Tjahjono
Departement of Mechanichal Enginering
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura
email : [email protected]

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

iv
A. PENDAHULUAN Penggunaan sirip pin sebagai
Latar Belakang pendinginan internal (pin fin
cooling) merupakan teknik yang
Salah satu aplikasi dari
paling banyak digunakan untuk
sirip pin adalah pin fin cooling.
meningkatkan laju perpindahan
Pin fin cooling merupakan
pendinginan internal pada sudu panas dari permukaan dalam
turbin gas didaerah trailing edge. suatu trailing edge sudu turbin
Pada daerah trailing edge sering gas. Bagian ini menjadi hal yang
dipilih menggunakan jenis
menarik untuk diteliti, karena
pendinginan pin fin cooling,
bentuk penampang yang tipis dari
karena pada daerah ini terdapat
sudu turbin gas, diperlukan
banyak penumpukan panas yang
tinggi, sehingga penempatan pin desain sistem pendinginan
fin cooling dipasang disepanjang internal yang tepat agar mampu
ekor sudu dengan arah aliran meningkatkan laju perpindahan
pendingin tegak lurus dengan pin
panas dan turbulensi, Uzol and
fin. Pin fin ini bertujuan untuk
Camci (2001).
mentransfer panas pada fluida
Karakteristik perpindahan
dan menghambat laju aliran
panas dan penurunan tekanan
supaya perpindahan panas lebiih
besar pada daerah trailing edge dalam sistem sirip pin telah
ini. Banyak faktor yang menjadi topik penelitian secara
berkontribusi terhadap luas karena perannya yang
perpindahan panas ini antara
penting dalam berbagai aplikasi
model pin dan jarak antar pin.
keteknikan. Penelitian ini
bertujuan untuk menguji
karakteristik perpindahan panas
dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal dari sirip-sirip
pin. Penelitian ini menggunakan
pendekatan Computational Fluid
Dynamic (CFD) dengan software
ANSYS Fluent R15.0.

Perumusan Masalah
Sebelumnya riset serupa

telah dilakukan secara
Gambar 3 Penampang internal
eksperimen, sedangkan pada
cooling sudu turbin gas.(Ligrani, riset ini akan dikembangkan
2013) dengan melakukan penelitian
secara komputasi.
Pengembangan riset juga
5
mengubah bentuk pin dengan Manfaat Penelitian
diamond untuk diteliti apakah ada Hasil penelitian yang diperoleh
pengaruh bentuk dan kecepatan diharapkan dapat memberikan
aliran fluida terhadap manfaat sebagai berikut:
perpindahan panas dan 1. Mampu memberikan
penurunan tekanan. pengetahuan baru yang
berguna dalam ilmu
Tujuan Penelitian perpindahan panas,
Penelitian ini bertujuan untuk: khususnya mengenai
1. Melakukan validasi data karakteristik perpindahan
prediksi secara simulasi panas, penurunan tekanan
dengan mengacu data dan unjuk kerja termal dari
eksperimen pin fin cooling sirip-sirip pin diamond
yang telah diteliti oleh Tarchi susunan segaris dan selang-
dkk (2008). seling.
2. Mengetahui pengaruh aliran 2. Memberikan data prediksi
fluida di dalam channel dengan pendekatan simulasi
terhadap karakteristik CFD untuk sirip-sirip
perpindahan panas dan diamond susunan segaris
penurunan tekanan dari sirip- dan selang-seling.
sirip bentuk diamond.
3. Mengetahui pengaruh bentuk
pin fin diamond terhadap B. TINJAUAN PUSTAKA
karakteristik perpindahan Berbagai penelitian tentang
panas dan penurunan pin fin pernah dilakukan
tekanan sistem pendinginan sebelumnya, penelitian tersebut
internal pada sudu turbin gas diantaranya adalah:
di daerah trailing edge. Koefisien perpindahan
panas dan penurunan tekanan
Batasan Masalah pada sistem pendinginan dalam
Penelitian dibuat dengan batasan (internal cooling) pada trailing
masalah sebagai berikut: edge sudu turbin gas pernah
1. Data-data yang digunakan diteliti secara eksperimen oleh
dalam penelitian ini mengacu Tarchi dkk, (2008). Penelitian ini
pada percobaan yang dilakukan dengan
dilakukan Tarchi, dkk (2008) membandingkan konfigurasi sirip
2. Variasi bilangan Reynolds bentuk silinder terhadap bentuk
antara 9000 – 36000. pentagonal dibandingkan dengan
3. Komputasi dilakukan dengan skema selang-seling, sementara
pendekatan simulasi dua konfigurasi sirip pin ellips
menggunakan software dibandingkan satu sama lain
ANSYS Fluent R15.0 mengubah ellips streamwise ke
arah spanwise. Perpindahan
panas dan penurunan tekanan
dari setiap konfigurasi,
pengukuran dilakukan dengan
6
selalu menjaga agar angka mach meningkatkan laju perpindahan
tetap 0,3 dan memvariasikan panas, dimana mencapai
jumlah Reynolds dari 9000 maksimum pada Sy/D = 2,36.
sampai 27000. Hasil penelitian Nilai penurunan tekanan dan
yang diperoleh pada pin fin faktor gesekan menurun dengan
silinder menunjukan koefisien meningkatnya Sy/D.
perpindahan panas pada Sementara Tahat dkk,
permukaan dinding dengan (2000) meneliti perpindahan
susunan pentagonal lebih panas kondisi tunak pada suatu
seragam dibanding dengan sirip pin yang disusun secara
susunan selang-seling standar segaris maupun selang seling
namun dalam hal rata-rata yang orthogonal terhadap aliran
koefisien perpindahan panas, udara rata-rata. Penelitian
tidak jauh berbeda dengan tersebut menggunakan saluran
susunan selang-seling standar. udara segiempat (rectangular
Sebaliknya, pada pin fin ellips channel) yang berdimensi 405
tidak terjadi perbedaan signifikan mm x 100 mm x 3.000 mm
antara susunan pin pentagonal dengan variasi kecepatan aliran
maupun selang-seling standar. udara 6 m/s, 7 m/s dan 7,8 m/s.
Karakteristik perpindahan Spesimen berupa plat datar
panas dan penurunan tekanan berdimensi 250 mm x 300 mm
juga pernah diteliti oleh Istanto yang diberi sirip pin berbentuk
dan Juwana (2008) yang silinder pejal dengan diameter 8
mengevaluasi susunan sirip-sirip mm dan panjang 90 mm dengan
pin silinder tirus dalam saluran jarak antar titik pusat sirip, Sx/D =
udara segiempat. Sirip-sirip pin 9,86 – 63,44 dan Sy/D = 1,09 –
disusun secara segaris dan 83,92. Dari penelitian tersebut
selang-seling. Parameter- diperoleh bahwa laju panas yang
parameter dalam penelitian ini hilang meningkat seiring dengan
adalah bilangan Reynolds antara meningkatnya bilangan Reynolds,
3.100 hingga 39.200 pada namun menurun seiring dengan
susunan segaris dan antara meningkatnya jarak antar titik
3.095 hingga 37.741 pada pusat sirip pin ( Sy/D).
susunan selang-seling Penelitian tentang
berdasarkan kecepatan aliran karakteristik perpindahan panas
udara masuk rata-rata dan yang diakukan Bilen dkk, (2002)
diameter hidrolik, dan jarak antar yang mengevaluasi korelasi
titik pusat sirip arah aliran udara, gesekan pada suatu sirip pin
Sy/D, divariasi sebesar 1,97, silinder yang dipasang pada
2,36, 2,95, dan 3,94. Hasil permukaan elemen dengan
penelitian ini menunjukkan bahwa susunan inline (segaris) maupun
pada kedua susunan sirip pin, staggered (selang-seling) pada
peningkatan bilangan Reynolds saluran segiempat dimana udara
dan semakin kecil jarak Sy/D sebagai fluida kerja. Saluran
akan meningkatkan bilangan terbuat dari kayu dengan dimensi
Nusselt, yang berarti 2.000 mm x 180 mm x 100 mm,
7
dengan ketebalan dinding 18 penelitian ini adalah bilangan
mm. Spesimen berupa plat dasar Reynolds 3.123. Hasil penelitian
terbuat dari alumunium dengan ini menunjukkan bahwa
dimensi 300 mm x 180 mm x 2 peningkatan bilangan Reynolds
mm. Sirip yang digunakan dan semakin kecil jarak Sy/D
memiliki diameter 25 - 29 mm akan meningkatkan bilangan
dan tinggi 100 mm dengan Nusselt, yang berarti
susunan Sx/D = 2,2 dan Sy/D = meningkatkan laju perpindahan
1,72 – 3,45. Parameter dari panas, dimana mencapai
penelitian ini adalah bilangan maksimum pada Sy/D = 2,36.
Reynolds dijaga antara 3.700 – Nilai penurunan tekanan (DP)
30.000 tergantung pada diameter dan faktor gesekan (f) menurun
hidraulik, susunan sirip, dan jarak dengan meningkatnya Sy/D.
antar sirip. Dari penelitian Unjuk kerja termal meningkat
tersebut diperoleh hasil bahwa dengan kenaikan Sy/D. Semua
dengan meningkatnya bilangan nilai unjuk kerja termal (h) dan
Reynolds akan meningkatkan nilainya bervariasi antara 0,77
bilangan Nusselt, yang berarti dan 1,22. Ini berarti bahwa
meningkatkan perpindahan pemakaian sirip pin diamond
panas, dimana perpindahan susunan segaris untuk
panas maksimum terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D dan Re
variasi Sy/D = 2,59. akan menghasilkan perolehan
Karakteristik perpindahan energi netto. Meningkatnya
panas dan penurunan tekanan bilangan Reynolds akan
dari sirip pin diamond juga menurunkan unjuk kerja termal
dilakukan oleh Haryanto (2010), (h) untuk keseluruhan Sy/D.
yang menguji unjuk kerja termal Perolehan energi netto hingga
dari sirip-sirip pin diamond dalam 22% dapat dicapai untuk nilai
saluran udara segiempat, dimana Sy/D = 2,36 pada Re = 3.123 –
udara mengalir di dalamnya 37.847 berdasarkan kecepatan
sebagai fluida pendingin. Sirip- udara masuk rata-rata dan
sirip pin ini disusun secara diameter hidrolik, dan jarak antar
segaris. Dimensi plat dasar titik pusat sirip arah aliran udara
dimana sirip-sirip pin dipasang (Sy/D = 1,97 – 3,94).
adalah 150 mm x 200 mm x 6,5 Penelitian sirip pin bentuk
mm. Temperatur rata-rata silinder dan elips secara
permukaan plat dasar dijaga eksperimen dilakukan oleh Yang
konstan sebesar 60oC. Sirip-sirip dkk, (2007), menunjukkan
pin terbuat dari bahan duralumin adanya peningkatan koefisien
dengan tinggi 75 mm, dengan perpindahan panas dan
sisi-sisinya berturut-turut 12,7 penurunan tekanan untuk semua
mm dan 12,7 mm, dan jarak antar jenis sirip pin dengan susunan
titik pusat sirip dalam arah segaris maupun susunan selang
melintang aliran udara dibuat seling, namun peningkatan
konstan sebesar Sx/D = 2,95. koefisien perpindahan panas
Parameter-parameter dalam tertinggi dan penurunan tekanan
8
terendah terjadi pada sirip pin ditunjukkan dalam susuna
bentuk ellips dengan susunan segaris (inline) dan selang-seling
selang-seling. (staggered). Sy adalah jarak
antar titik pusat sirip sepanjang
Landasan teori
arah aliran (stream-wise
Sirip Pin
direction), sedangkan Sx adalah
Sirip pin adalah elemen
jarak antar titik pusat sirip yang
berbentuk silinder atau bentuk
diukur normal/tegak lurus
lainnya yang dipasang secara
terhadap arah aliran (span-wise
tegak lurus terhadap dinding alat
direction).
penukar panas, dengan fluida

pendingin mengalir dalam arah
aliran melintang (crossflow)
terhadap elemen tersebut.
Terdapat berbagai parameter
yang menggolongkan sirip pin,
seperti bentuk, tinggi, diameter,
perbandingan tinggi-diameter
(H/D) dan sebagainya. Sirip pin
dengan perbandingan tinggi- Gambar 2 Susunan sirip
diameter antara 0,5-4 (long pin diamond segaris dan selang –
fin) memiliki perbandingan tinggi- seling
diameter > 4. Perbandingan
tinggi-diameter yang besar Perpindahan panas
merupakan bagian yang menarik Perpindahan panas dapat
dalam aplikasi alat penukar
dibagi menjadi tiga macam, yaitu
panas dalam hal pencapaiann
perpindahan panas secara
koefisien panas yang sangat
konduksi, konveksi dan radiasi.
tinggi.
1) Perpindahan panas konduksi

Perpindahan panas secara
konduksi adalah distribusi energi
berupa panas yang terjadi pada
benda atau medium yang diam
(padat) bertemperatur tinggi ke
bagian benda yang
bertemperatur rendah atau
terdapat gradien temperatur pada

benda tersebut.
Gambar 1. Sirip diamond 2) Perpindahan panas konveksi
susunan segaris Perpindahan panas secara
konveksi adalah distribusi energi
Sirip pin dapat disusun berupa panas yang terjadi karena
dalam dua arah utama. Pada terdapat aliran fluida. Bila ada
gambar 1 sirip-sirip pin fluida yang bergerak terhadap
9
suatu permukaan, dan kedua (dimensionless). Parameter tanpa
suhunya tidak sama, maka akan dimensi dalam kaitannya dengan
terjadi mekanisme perpindahan perpindahan panas konveksi
panas secara konveksi. Semakin adalah:
cepat gerakan fluida tersebut, a. Bilangan Reynolds
maka semakin besar laju Bilangan Reynolds dapat
perpindahan panas konveksinya. didefinisikan sebagai
Bila fluida tidak bergerak, maka perbandingan antara gaya inersia
mekanisme perpindahan panas dengan gaya kekentalan, di
akan menjadi mekanisme dalam kecepatan lapis batas.
perpindahan konduksi kembali. Untuk kontrol volume yang
berbeda pada lapis batas ini,
gaya inersia diasosiasikan
dengan sebuah kenaikan
momentum dari fluida yang
bergerak melewati kontrol
volume. Bilangan Reynolds dapat
dinyatakan dengan persamaan

ṁ . D
L0 ............
Re = (1)
L0
Gambar 4. Perpindahan panas A . µ
L0
konveksi(AlFikri, 2008)
ṁ . Dd ............
Re = (2)
d
Perpindahan panas A . µ
min
konveksi ada dua macam,
Karena konveksi terjadi akibat
adanya gerakan fluida, maka dimana :
dikenal istilah konveksi alami dan Re =bilangan Reynolds pada
L0
konveksi paksa. posisi inlet

3) Perpindahan panas radiasi Re = bilangan Reynolds pada
d
Perpindahan panas radiasi area antara dua pin
ialah distribusi energi berupa ṁ = laju aliran massa (kg/s)
panas yang terjadi melalui D = diameter hidrolik dari inlet
L0
pancaran gelombang cahaya dari saluran udara (m)
suatu zat ke zat yang lain tanpa D = Diameter pin (m)
d
zat perantara. A = Area atau luasan pada
L0
Penelitian ini menggunakan bidang inflow
konsep perpindahan panas µ = viskositas dinamik udara
konveksi karena menggunakan (kg/m.s)
aliran fluida sebagai A = luas daerah bagian
min
perantaranya. Persamaan minimum antara dua pin (m2)
perpindahan panas konveksi
berkaitan dengan variabel
penting yang dinamakan
parameter tanpa dimensi
10