BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Refrigerasi ejektor tampaknya menjadi sistem yang paling sesuai untuk pendinginan skala besar pada situasi krisis energi seperti sekarang ini. Karena refregerasi ejector dapat memanfaatkan limbah panas tingkat rendah dari berbagai proses industri seperti : sistem pembakaran, sistem pembangkit daya, dan prosesproses industri lainnya untuk menghasilkan proses refrigerasi atau proses pendinginan yang berguna. Sistem refrigerasi ejektor memiliki konstruksi sederhana, sedikit bagian yang bergerak, tidak memerlukan pelumas dan seal sehingga secara ekonomis biaya perawatan dan operasionalnya sangat rendah dibanding dengan sistem kompresi uap. Selain itu, air dapat digunakan sebagai fluida kerja, sehingga sangat ramah lingkungan. Salah satu kelemahan sistem refrigerasi steam ejektor adalah memiliki koefisien kinerja (COP) dan kapasitas pendinginan yang rendah, sehingga yang diperlukan penilitian lebih lanjut untuk mengetahui karakteristik dan fenomena yang terjadi dari sklus refrigerasi steam ejektor ini, sehingga dapat digunakan sebagai dasar untuk menaikkan koefisien kinerja (COP) dan kapasitas pendinginan dari sklus ini. Jika masalah ini dapat diselesaikan, maka refrigerasi steam ejektor bisa dapat menjadi pesaing serius terhadap jenis-jenis refrigerasi lainnya (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003). Dalam meningkatkan kinerja sebuah ejektor, karakteristik aliran dalam sistem harus jelas. Banyak peneliti mencoba untuk menjelaskan hal ini dengan membuat beberapa teori, model dan asumsi tanpa dukungan eksperimental. Dalam penelitian ini, refrigrasi steam ejector skala kecil dibangun sebagai alat eksperimen. Bentuk geometri steam ejektor berupa variasi panjang throat, variasi tekanan boiler digunakan sebagai variabel eksperimen atau penelitian, profil tekanan statis sepanjang dinding ejektor diukur pada berbagai kondisi operasi.
1
Hasil eksperimen digunakan untuk menggambarkan fenomena tersebut yang berlangsung di ejector (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003). Steam ejector refrigeration pertama kali ditemukan oleh Sir Charles Parsons pada awal tahun 1901 untuk menghilangkan udara dari kondenser mesin uap (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003). Kemudian pada tahun 1910 ejektor pertama kali digunakan oleh Maurice Leblance dalam sistem refrigerasi steam jet uap. Kemudian sistem ini mengalami gelombang popularitas selama awal 1930-an untuk sistem pendingin udara pada gedung-gedung besar. Kemudian sistem refrigerasi steam jet digantikan oleh sistem yang menggunakan kompresor mekanik (kompresi uap), sejak saat itu pengembangan dan penyempurnaan sistem refrigerasi steam jet hampir terhenti karena sebagian besar terkonsentrasi pada peningkatan sistem refrigerasi kompresi uap. Gambar. 1.1 menunjukkan skema dari siklus sistem refrigerasi steam ejektor yaitu terdiri dari boiler, ejektor, kondenser, evaporator, dan pompa. Siklus ini mirip dengan siklus sistem kompresi uap konvensional dimana boiler, ejektor, dan pompa digunakan sebagai pengganti kompresor dalam sistem kompresi uap. Secara singkat, prosesnya berawal dari tekanan dan temperatur uap yang tinggi yang dihasilkan dari boiler (2) yang disebut dengan primary fluid atau motive fluid masuk ke ejektor melalui primary nozzle, Sehingga menghasilkan kecepatan supersonic dan daerah tekanan yang sangat rendah dibagian keluaran primary nozzle (3). Tekanan yang rendah mengakibatkan fluida refrigeran di evaporator menguap pada temperatur rendah lalu dihisap masuk ke ejektor yang disebut dengan secondary fluid sehingga terjadi efek pendingin pada evaporator. Kalor yang diserap evaporator untuk menguapkan refrigeran adalah beban pendinginan (efek refrigerasi) dari sistem. Uap fluida sekunder yang dihisap dari evaporator bercampur dengan primary fluid dari boiler dalam ruang percampuran ejektor, kemudian campuran uap primary fluid dari boiler dan secondary fluid dari evaporator dibuang melalui diffuser ke kondenser (4), dimana uap terkondensasi menjadi cair (5). Refrigeran cair terakumulasi dalam kondensor kemudian disirkulasikan kembali ke boiler oleh pompa (feed pump) (1) sedangkan sisanya diekspansi melalui katup ekspansi (throttling valve) ke evaporator (6), untuk melengkapi siklus (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003). 2
Gambar 1.1 Siklus Sistem Refrigasi Ejektor (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003)
Jadi dapat dilihat performansi refrigerasi dari siklus ini tergantung pada kemampuan ejector meningkatkan flow rate refrigerasi yang melalui evaporator atau parameter ini biasa disebut entrainment ratio. Entrainment ratio adalah perbandingan dari flow rate secondary fluid dengan primary fluid sesuai dengan persamaan (1.1) berikut :
(1.1)
Oleh karena itu untuk meningkatkan nilai COP dari siklus ejector refrigeration dengan cara meningkatkan nilai entrainment ratio sebab COP dari siklus ejector refrigeration adalah perbandingan antara kalor yang diserap pada evaporator dengan kalor yang dibutuhkan pada boiler sesuai dengan persamaan (1.2) :
! " # !
(1.2)
Gambar. 1.2 menunjukkan diagram konstruksi dari steam ejektor. Biasanya, ejektor uap terdiri dari empat bagian utama, yaitu nosel utama (primary nozzle), bagian ruang pencampuran (mixing chamber section), bagian throat ejektor (throat ejector sectoin) dan bagian diffuser subsonik (subsonic diffuser section). Selain itu, diagram pada gambar 1.2 menunjukkan karakteristik aliran operasi pada sebuah ejektor. Uap bertekanan tinggi (P) yang disebut primary flow 3
masuk dan dipercepat melalui nosel, mencapai tingkat sonik di leher nosel (i). Kecepatan primary flow selanjutnya meningkat dan diperluas melalui bagian berbeda dari nosel. Pada bidang keluar nosel, primary flow mengembang dengan kecepatan supersonik dan menghasilkan daerah tekanan rendah (ii). Gelombang ekspansi jet inti (jet core) dari rangkaian uap motive flow akan menarik secondary flow ke dalam ruang pencampuran (S), dimana uap sekunder dipercepat dan benar-benar dicampur dengan uap primer (iii). Gelombang kejut normal kemudian diinduksi di throat ejektor (iv), menciptakan efek kompresi, dan kecepatan aliran turun menjadi subsonik. Kompresi lebih lanjut dicapai bila campuran aliran primary flow dan secondary flow melewati diffuser subsonik (B). Sehingga dapat diuji pengaruh-pengaruh dari kondisi operasi serta bentuk geometri dari ejector terhadap Entrainment Ratio serta COP dari siklus tersebut (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003).
Gambar 1.2 Kontruksi Ejektor dan Karakteristik Aliran di Ejector (K. Chunnanond S. Aphornratana, 2003)
1.2 Perumusan Masalah Pada saat krisis energi sekarang ini sistem pendingin menggunakan sistem kompresi uap yanmg memerlukan energi yang sangat besar terutama energi listrik sehinggan perlu dicari sistem pendingin alternatif yang hemat energi. Salah satunya sistem refrigerasi menggunakan steam ejector sebagai alat kompresinya. 4
Kelemahan sistem refrigerasi ejector memiliki COP yang rendah sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatka COP nya, diantaranya dengan meneliti bentuk geometri ejector yaitu panjang throat ejektornya. Bentuk geometri dan kondisi operasi ejector refrigeration berpengaruh terhadap performa yang dihasilkan. Dengan memvariasi panjang throat, sehingga akan diperoleh panjang throat yang tepat yang dapat meningkatkan nilai entrainment ratio guna meningkatkan nilai COP dari siklus refrigeration steam ejector. 1.3 Batasan Masalah 1. Siklus ejector refrigeration yang dibangun adalah siklus steam ejector refrigeration terbuka. 2. Fluida refrigerant yang digunakan adalah air. 3. Analisa dilakukan dengan memvariasikan bentuk geometri panjang throat section (2D, 3D, 4D, 5D) dengan diameter throat tetap pada 18 mm, sudut mixing chamber section konstan pada sudut 7,5° dan sudut diffuser section konstan pada sudut 13°. 4. Kondisi awal operasi pada boiler divariasi pada tekanan 4,5, 3,5 2,5 kg/ $% dan temperatur air dan uap pada evaporator masing-masing pada 97° dan 95°. 5. Steam ejector refrigeration dianggap isolasi sempurna dan beroperasi secara adiabatis. 6. Geometri primary nozzle adalah tetap dengan diameter throat nozzle 3 mm, dengan posisi keluaran nozzle (NXP) adalah tetap pada posisi 75 mm. 1.4 Tujuan Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi panjang throat section dan variasi tekanan operasi pada boiler terhadap entrainment ratio serta COP yang dari siklus sistem refrigeration steam ejector.
5
1.5 Metode Penyelesaian Masalah Metode yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Studi Pustaka Studi pustaka adalah suatu metode yang dipergunakan dalam penelitian ilmiah yang dilakukan dengan membaca dan mengolah data yang diperoleh dari literatur. Data yang dibaca adalah data yang berhubungan dengan hasil-hasil eksperimen. Data pustaka ini selanjutnya akan dipergunakan sebagai parameter dalam desain dan pembuatan siklus steam ejector refrigeration. 2. Desain dan Pembuatan Alat Uji Mendesain dan membuat alat uji siklus steam ejector refrigeration. 3. Proses Pengujian dan Pengambilan Data Melakukan proses pengujian terhadap siklus ejector refrigeration. 4. Pengolahan dan Analisa Data Data yang diperoleh dari hasil pengujian, penulis melakukan verifikasi dengan data pustaka dan melakukan analisa perbandingan. 5. Penyusunan Laporan Setelah tahapan-tahapan diatas selesai dilakukan penyusunan laporan mulai dilakukan, asistensi dilakukan dengan dosen pembimbing Tugas Akhir yang bersangkutan. Setelah mengadakan asistensi dengan dosen dan berdasarkan data-data yang diperoleh, kemudian penulis menganalisa dan mengambil kesimpulan serta saran mengenai penelitian yang telah dilakukan. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika dalam penulisan Tugas Akhir ini terdiri dari lima bab, yaitu : BAB I
PENDAHULUAN Berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan maslah, pembatasan masalah, tujuan, metode penyelesaian masalah dan sistematika penulisan.
6
BAB II
DASAR TEORI Berisi tentang landasan teori sistem refrigerasi, dasar teori steam refrigerasi ejektor, aliran kompresibel, analisa satu dimensi dari ejektor, orriface plate flow meter, dan sifat air pada berbagai keadaan.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN Berisi tentang alur penelitian, deskripsi mesin uji, deskripsi pengujian, dan prosedur pengujian.
BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA Berisi tentang proses pengujian, pengambilan data, dan pengolahan data hasil pengujian serta menganalisa hasil pengujian tersebut.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN Berisi tentang kesimpulan yang diambil dari hasil analisa pengujian dan saran-saran untuk penelitian selanjutnya.
7
