i
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
ii
iii
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
Ir. Sudarman, MT.
Dosen Pembimbing II
Budiono SSi, MT.
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Malang
Ir. Daryono, 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 : Ir. Sudarman, MT
No. Catatan Asistensi Paraf
Dosen Pembimbing I
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
Mengetahui :
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Ir. Daryono, MT
Malang, ………… 2014
Dosen Pembimbing I
Ir. Sudarman, MT
v
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 Paraf
Dosen Pembimbing I
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
Mengetahui :
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Ir. Daryono, MT
Malang, ………….. 2014
Dosen Pembimbing II
Budiono SSi, MT
vi
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
vii
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.
viii
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.
ix
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
x
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
xi
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
xii
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
xiii
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
xiv
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.