BAB II
DASAR TEORI
Sejarah Tabung Vortex
2.1
Tabung vortex ditemukan oleh G.J. Ranque pada tahun 1931 dan kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Prof. Hilsch. Tabung vortex menghasilkan separasi udara
keluaran dingin dan panas akibat ekspansi, dengan sumber energi udara mampat. Temperatur aliran udara panas dan dingin yang keluar dari tabung vortex dapat bervariasi tergantung pengaturan tekanan dan fraksi udara keluaran dengan cara mengatur bukaan katup.
Udara masuk Tabung silinder
Udara Orifice dingin keluaran
Udara panas keluaran
Katup sumbat Nosel Gambar 2.1. Tabung Vortex (Oliver,2008)
2.2 Komponen-komponen Tabung Vortex Dan Fungsinya Komponen tabung vortex terdiri dari nosel, chamber, tabung silinder, katup sumbat, orifice. 1. Nosel Nosel berfungsi untuk mengarahkan kecepatan tangensial aliran udara untuk membentuk pusaran aliran udara.
Gambar 2.2 Nosel Tabung Vortex
Jenis – jenisnya ialah konvergen, divergen atau konvergen divergen, tergantung dari kebutuhannya.
2. Vortex Chamber
Vortex Chamber adalah selubung nosel yang berfungsi mengatur aliran udara
bertekanan agar kuantitas udara yang memasuki nosel sama besarnya.
Gambar 2.3 Chamber Tabung Vortex
3. Katup Sumbat ( Hot end plug ) Katup sumbat berfungsi untuk membentuk pusaran udara sekunder serta
mengatur laju aliran udara pada sisi keluaran panas
dan secara bersamaan
mengatur laju udara dingin yang keluar dari tabung vortex.
Gambar 2.4 Katup Sumbat Tabung Vortex
4. Orifice/diafragma Orifice adalah lubang keluaran akhir aliran pusar sekunder dengan keluaran udara dingin.
Gambar 2.5 Diafragma Tabung Vortex
5. Tabung silinder Tabung silinder merupakan jalur separasi aliran pusar udara primer dan aliran pusar udara sekunder.
2.3 Cara Kerja Sistem
Gambar 2.6 Aliran Udara Pada Tabung Vortex (Oliver,2008)
Udara terkompresi dilewatkan melalui alur nosel sehingga udara berekspansi pada kecepatan tinggi. Aliran udara pusar bergerak secara aksial sepanjang sisi tabung. Setelah
mencapai ujung tabung, aliran pusar primer membentur katup sumbat. Antara katup sumbat dan pipa terdapat celah. Sebagian udara pusar primer akan keluar melalui celah tersebut sebagai keluaran udara panas. Sebagian udara lainnya membentur katup sumbat dan berbalik arah membentuk aliran pusar sekunder. Sepanjang pipa terdapat dua aliran pusar dengan diameter pusaran yang berbeda. Aliran pusar primer membentuk pusaran spiral dengan diameter yang lebih besar. Diameter pusaran udara primer terluar mencapai dinding dalam silinder. Aliran pusar sekunder membentuk pusaran dan berada dibagian dalam aliran pusar primer. Antara kedua pusaran terdapat daerah stagnasi yang menghasilkan loop pusaran udara sekunder dan terjadi perpindahan panas. Perpindahan panas tersebut menurut Ahlborn seperti prinsip pendinginan atau pompa kalor siklus refrigerasi udara (heat pump aircycle ).
Gambar 2.7 Proses Perpindahan Panas Tabung Vortex (Oliver, 2008)
Proses heat pump air cycle terjadi yaitu dimulai dari titik 3 – C. Pada proses 3 – C terjadi penyerapan kalor dari aliran udara sekunder. Pada titik C – 4 terjadi proses kompresi udara secara adiabatik. Pada titik 4 – 1 – 2 terjadi pelepasan kalor ke udara primer.
Selanjutnya dari titik 2 – 3 terjadi proses ekspansi adiabatik dari tekanan udara primer yang lebih tinggi ke tekanan udara sekunder yang lebih rendah. 2.4 Persamaan Hukum Termodinamika Tabung vortex
a. Hukum Konservasi Massa
Laju aliran massa udara yang masuk tabung vortex sama dengan laju aliran massa udara yang keluar. Laju aliran massa udara masuk berupa laju aliran massa udara mampat, ̇
sedangkan laju aliran massa udara keluar terdiri
dari laju aliran massa aliran udara dingin ̇ panas, ̇
dan laju aliran massa udara
sehingga :
̇ ̇
=
̇ ………..................………………..…...….......…. ( 2.1 )
=
̇ + ̇ …………….……….....................….…........ ( 2.2 )
b. Perubahan Temperatur Separasi Penurunan temperatur, ∆Td
merupakan perbedaan temperatur
antara
temperatur udara mampat masukan, dengan temperatur udara dingin keluaran, Td. ∆Td = Tm – Td …..…………….................…………........…. ( 2.3 ) Penurunan temperatur udara dingin akibat ekspansi isentropik, ∆Tdi merupakan penurunan temperatur antara temperatur udara mampat masukan,Tm dengan temperatur udara akibat ekspansi isentropik,Tdi. ∆Td i = Tm – Tdi .................................................................... (2.4) = Tm 1 −
dengan: Pm = tekanan masuk [kPa] Pa = tekanan atmosfir [kPa]
… . ..…..........................…...…... (2.5)
γ
=
, perbandingan panas jenis udara.
d . Debit Udara Standar ( 1atm standar, 20⁰C ) Debit udara dalam perhitungan selalu menggunakan udara pada kondisi standar, SV ̇sehingga diperlukan faktor koreksi terhadap debit udara yang terbaca pada alat
pengukur debit udara, SV̇ .
SV̇ = V̇
,
……………….......……......……………… ( 2.6 )
Keterangan :
Pg = 101.325 + Pd' [kPa ]…………….………………………… ( 2.7 ) T = 273 + Td' [K ] ……….......………………………….…..… ( 2.8 ) Dimana : Pd' = Tekanan udara dingin keluaran yang terukur [Bar]. Td' = Temperatur udara dingin keluaran yang terukur [˚C ]. e. Fraksi Massa Udara Dingin pada Tabung Vortex Didefinisikan sebagai perbandingan antara laju aliran massa udara dingin, ̇
dengan
laju aliran massa udara masukkan, ̇ .
µd
µd
=
=
ῤ ̇ ῤ ̇
̇ ̇
…………………....................………....……... ( 2.10 )
……...........................……...…...……….... ( 2.11 )
Pada keadaan standar ( 20̊C, 1 atm ) µd
̇
ῤ
= ῤ
̇
=
̇ ̇
….…...…........................……......… ( 2.12 )
f. Kapasitas Pendinginan pada Tabung Vortex :
Besarnya kapasitas sensibel akibat ekspansi separasi tabung vortex,
̇ d merupakan
perkalian antara laju aliran udara dingin keluaran, ̇ d dengan kalor spesifik, cp dan
penurunan temperatur udara dingin, ΔTd
̇ d=
̇ d. cp . ΔTd ………...………................................….. ( 2.13 )
Tabung Vortex g. COP
Efek pendinginan didefinisikan sebagai : Qd = ṁ . c . ΔTd..........................................( 2.14 )
Work input untuk kompresor udara
ṁ .
.
W=
=
Dimana ;
.....................( 2.15 )
(antara 0,6 –
0,8 )
COP didefinisikan sebagai :
COP =
=
....................................................... ( 2.17 ) ṁ .
=
ṁ .
−1
⎡ ⎢⎛ ⎢ ⎣⎝
.
ṁ .
=
.
.
)
( ⎡
−1
⎢⎛ . ⎢
ṁ .
⎣⎝ . ɳ
= µd
g.
........................( 2.19)
⎤ ⎞− 1⎥ ⎥ ⎦ ⎠
..................................(2.20)
−1
........................ ( 2.18 ) ⎤ ⎞− 1⎥ ⎥ ⎦ ⎠
− 1
Efisiensi Tabung Vortex
Efisiensi tabung vortex merupakan perbandingan antara kapasitas pendinginan aktual dengan kapasitas pendinginan akibat ekspansi adiabatik.
=
=
……………….………………...….…...…........… ( 2.21 )
=
ṁ ṁ
…….….…………………….……..........… ( 2.22 )
Berdasarkan persamaan ( 2.21 ) dan ( 2.22 ) didapat
= µd
.......................................................................... ( 2.23 )
dimana : ̇d
̇
= laju aliran massa udara dingin keluaran [kg/s]
= laju aliran massa udara masukan [kg/s]
cp
= Kalor spesifik udara [kJ/kg].
