INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO SKRIPSI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO

SKRIPSI Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI 135214115

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016


INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO

SKRIPSI Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

oleh :


PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016

i


EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF NOZZLE EXIT POSITION ON STEAM EJECTOR TO THE ENTRAINMENT RATIO AND EXPANSION RATIO PARAMETERS

FINAL PROJECT To Fulfill One of the Requirements to Obtain Strata 1 (S1) Bachelor Degree in the Department of Mechanical Engineering Sanata Dharma University

by :

ADITIA PRATAMA ABDI 135214115 DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016

ii


SKRIPSI INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO

Disusun oleh :


Telah disetujui dan disahkan oleh Dosen Pembimbing Pada tanggal 24 Agustus 2016

Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Mengetahui,

Pembimbing I

Pembimbing II

Wibowo Kusbandono, S.T., M.T.

Stefan Mardikus, S.T., M.T.

iii


SKRIPSI INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO Yang dipersiapkan dan disusun oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI 135214115 Telah diuji dan dipertahankan di hadapan Dewan Penguji Pada tanggal 24 Agustus 2016

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap

Tanda Tangan

Ketua

:

Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T.

........................

Sekretaris

:

Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

........................

Anggota

:

Wibowo Kusbandono, S.T., M.T.

........................

Stefan Mardikus, S.T., M.T.

........................

Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Mengetahui, Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.

iv


PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ILMIAH Saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama

:

Aditia Pratama Abdi

NIM

:

135214115

menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi saya yang berjudul:

INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO adalah hasil karya sendiri dan bukan jiplakan hasil karya orang lain.

Tidak pernah terdapat suatu karya yang sama diajukan pada Perguruan Tinggi lain. Dan sepanjang pengetahuan saya, tidak terdapat karya dan pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Penulis,

Aditia Pratama Abdi

v


LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Saya yang bertanda tangan di bawah ini sebagai mahasiswa Universitas Sanata Dharma Yogyakarta: Nama

:

Aditia Pratama Abdi

NIM

:

135214115

Demi kepentingan pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta karya ilmiah saya dengan judul:

INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO Dengan demikian saya memberikan wewenang untuk Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, serta mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dan memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis karya ilmiah. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Penulis,

Aditia Pratama Abdi

vi


ABSTRAK Steam ejector merupakan sistem refrijerasi yang ramah lingkungan, dimana pengoperasiannya dapat memanfaatkan waste heat yang dihasilkan dari berbagai macam proses industri. Steam ejector mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan sistem refrijerasi yang lainnya, antara lain struktur desain yang praktis, hemat biaya produksi, dapat digunakan untuk berbagai macam jenis refrijeran, dan perawatan yang mudah. Dalam bidang industri, steam ejector biasanya digunakan untuk memompa cairan yang bersifat korosif dan berbagai macam gas yang sulit ditangani. Penelitian tentang steam ejector ini digunakan untuk mengetahui performa pada steam ejector berdasarkan nilai entrainment ratio dan nilai expansion ratio. Penelitian ini menggunakan variasi pada primary nozzle exit position (NXP), dimana NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm dilakukan pengujian terhadap primary pressure sebesar 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar, serta secondary temperature sebesar 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Variasi penelitian tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh posisi NXP terhadap besarnya nilai entrainment ratio dan nilai expansion ratio untuk kondisi pengoperasian steam ejector yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP +5 mm untuk variasi secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, dan 70 ˚C, serta variasi primary pressure 1 bar. Sedangkan pada variasi primary pressure 2 bar, nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP -5 mm. Nilai expasion ratio maksimal untuk NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm terletak pada secondary temperature 50 ˚C dengan melakukan variasi pada primary pressure. Sedangkan pada variasi secondary temperature, nilai expansion ratio maksimal terletak pada primary pressure 4 bar untuk NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm.

Kata kunci: steam ejector, entrainment ratio, expansion ratio, NXP

vii


ABSTRACT Steam ejector was an environmentally friendly refrigeration system, wherein its operation could utilize waste heat that produced from many kinds of industrial processes. Steam ejector had many advantages over the other type of refrigeration system, such as structural design simplicity, low production cost, can be used for many types of refrigerant, and easy to maintain. In industrial sector, steam ejector usually used for pumping corrosive liquids and many kinds of gases which are difficult to handle. The study about this steam ejector system was used to discover the steam ejector performance based on the entrainment ratio value and the expansion ratio value. This study used variations of primary nozzle exit position (NXP), where NXP -5 mm, NXP 0 mm, and NXP +5 mm were experimentally tested for primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, and 4 bar, as well as experimentally tested for secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. These experimental variations on this study were used to discover the effect of NXP position toward the entrainment ratio value and the expansion ratio value for different steam ejector operating conditions. The result of this study founded that optimal entrainment ratio value was NXP +5 mm when the steam ejector experimentally tested for secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, and 70 ˚C, as well as for primary pressure 1 bar. While for the variation of primary pressure 2 bar, the optimal entraintment ratio value was NXP -5 mm. Maximum expansion ratio value for NXP -5 mm, NXP 0 mm, and NXP +5 mm was at secondary temperature 50 ˚C by variating the primary pressure. While for the variation of secondary temperature, the maximum expansion ratio value was at primary pressure 4 bar for NXP -5 mm, NXP 0 mm, and NXP +5 mm.

Keywords: steam ejector, entrainment ratio, expansion ratio, NXP

viii


KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat karunia-Nya yang dilimpahkan kepada penulis sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan karya ilmiah yang telah penulis susun sejak lama sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan dan penyelesaian karya ilmiah ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1.

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2.

Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.

Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. selaku Pembimbing I Skripsi dan Dosen Pembimbing Akademik yang terus memberikan semangat dan dukungan kepada penulis selama mengerjakan tugas akhir.

4.

Stefan Mardikus, S.T., M.T. selaku Pembimbing II Skripsi yang sangat penulis hormati sebagai panutan dan penyemangat bagi penulis selama menyusun hingga menyelesaikan skripsi.

5.

Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku Kepala Laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memfasilitasi berbagai macam sarana dan prasarana bagi penulis selama mengerjakan tugas akhir.

6.

Ag. Rony W., Intan Widanarko, dan Martono D. N. selaku Laboran Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah banyak

ix


membantu dan memberikan masukan serta nasehat yang berguna bagi penulis selama mengerjakan tugas akhir. 7.

Susilo selaku ayah dari penulis yang telah memberikan banyak dukungan, baik dukungan secara materi maupun moral. Beliau dengan sabar membimbing penulis selama menempuh proses belajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

8.

Almh. Marlina selaku ibu dari penulis yang tetap menjadi penyemangat hidup bagi penulis untuk terus berjuang.

9.

Veronica Dwi Cahyani selaku adik perempuan penulis yang telah memberikan banyak dukungan dan semangat selama penulis menempuh proses belajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

10.

Gregorius Bryan Hendriwan Riyanto dan Gilang Argya Dyaksa selaku rekan satu tim penulis selama mengerjakan tugas akhir hingga penulis dapat menyelesaikannya dengan baik.

11.

Semua rekan penulis yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, yang telah memberikan banyak semangat dan dukungan bagi penulis selama proses mengerjakan tugas akhir dan menyelesaikannya dengan baik. Penulis menyadari bahwa selama penyusunan skripsi masih terdapat

banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis menerima segala kritik dan saran yang penulis sadari akan sangat berguna untuk menyempurnakan penyusunan skripsi. Penulis sangat berharap bahwa skripsi yang telah disusun oleh penulis dapat berguna untuk menambah wawasan ilmu pengetahuan.

Yogyakarta, 24 Agustus 2016

Penulis

x


Dengan penuh rasa bangga dan penuh dengan ucapan syukur Naskah ini penulis persembahkan untuk:

Ayahanda tercinta, Susilo Ibunda terkasih, (Almh.) Marlina Adik tersayang, Veronica Dwi Cahyani

Dosen Pembimbing terhormat, Stefan Mardikus, S.T., M.T. dan Wibowo Kusbandono, S.T., M.T.

xi


DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL........................................................................................

i

LEMBAR PERSETUJUAN.............................................................................

iii

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................

iv

LEMBAR PERNYATAAN .............................................................................

v

LEMBAR PERNYATAAN PUBLIKASI .......................................................

vi

ABSTRAK .......................................................................................................

vii

ABSTRACT .....................................................................................................

viii

KATA PENGANTAR .....................................................................................

ix

HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................

xi

DAFTAR ISI ....................................................................................................

xii

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xviii DAFTAR TABEL ............................................................................................ xxiii DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xxiv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG...................................................

xxv

BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

1

1.1. Latar Belakang .....................................................................

1

1.2. Rumusan Masalah ................................................................

6

1.3. Tujuan Penelitian .................................................................

7

1.4. Batasan Masalah ..................................................................

7

1.5. Manfaat Penelitian ...............................................................

8

BAB II DASAR TEORI ..................................................................................

9

2.1. Steam Ejector .......................................................................

9

2.2. Tipe Steam Ejector ..............................................................

10

2.2.1.

Conventional

Ejector

Refrigeration

System

(CERS)................................................................... 2.2.2.

New Ejector Refrigeration System (NERS) - ERS With an Additional Jet Pump .................................

2.2.3.

10

Multi-stage

Ejector

Refrigeration

System

(MERS)..................................................................

xii

12

14


2.3. Aplikasi Steam Ejector ........................................................

16

2.3.1.

Steam Jet Ejector for Deodorizing Edible Oils .....

16

2.3.2.

Steam Ejector Refrigeration System in Thailand ..

17

2.4. Komponen Utama Steam Ejector ........................................

19

2.4.1.

Primary Nozzle ......................................................

19

2.4.2.

Mixing Chamber ....................................................

20

2.4.3.

Ejector Throat........................................................

20

2.4.4.

Subsonic Diffuser ...................................................

20

2.5. Kondisi Pengoperasian Steam Ejector .................................

21

2.6. Parameter Performa Steam Ejector ......................................

24

2.6.1.

Entrainment Ratio (ω) ...........................................

24

2.6.2.

Pressure Lift Ratio (PR) ........................................

25

2.6.3.

Expansion Ratio (ER) ............................................

25

2.7. Fenomena Aliran Steam Ejector ..........................................

26

2.7.1.

Compressible Flow ................................................

26

2.7.2.

Supersonic Nozzle dan Subsonic Diffuser .............

29

2.7.3.

Converging of Primary Nozzle ..............................

30

2.8. Mach Number (Ma) .............................................................

31

2.9. Reynolds Number (Re) .........................................................

32

2.10. Hukum Gas Ideal .................................................................

34

2.11. Kinematika Fluida ...............................................................

35

2.11.1. Aliran Invisid dan Viskos ......................................

35

2.11.2. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel ............

36

2.11.3. Aliran Laminer dan Turbulen ................................

36

2.11.4. Aliran Mantap dan Tak Mantap.............................

38

2.11.5. Aliran Seragam dan Tidak Seragam ......................

38

2.12. Viskositas (Kekentalan) .......................................................

38

2.12.1. Hukum Newton Tentang Kekentalan Zat Cair ......

39

2.13. Pengukuran Debit Aliran .....................................................

40

2.13.1. Teori Hambatan Bernoulli (Bernoulli Obstraction Theory)...................................................................

xiii

40


2.13.2. Orifice Plate ..........................................................

41

BAB III METODOLOGI PENELITIAN.........................................................

44

3.1. Diagram Alir Penelitian .......................................................

44

3.2. Alat Penelitian .....................................................................

46

3.2.1.

Sistem Alat Penelitian ...........................................

46

3.2.2.

Sistem Steam Ejector .............................................

47

3.3. Variabel Penelitian...............................................................

49

3.3.1.

Variabel Bebas .......................................................

50

3.3.2.

Variabel Terikat .....................................................

50

3.4. Prosedur Penelitian ..............................................................

51

3.5. Alat Penelitian .....................................................................

56

3.5.1.

Fluida Kerja ...........................................................

3.5.2.

Boiler dengan Water Heater Element 2000 Watt ..............................................................

3.5.3.

57

57

Evaporator dengan Water Heater Element 1000 Watt ..............................................................

59

3.5.4.

Steam Ejector .........................................................

60

3.5.5.

Kondensor ..............................................................

61

3.5.6.

Alat Ukur Temperatur ...........................................

62

3.5.7.

Alat Ukur Tekanan ................................................

64

3.5.8.

Alat Ukur Debit Aliran ..........................................

64

3.5.9.

Roll Meter ..............................................................

66

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .................................

67

4.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Setiap Secondary Temperature .................... 4.1.1.

67

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi

Primary

Pressure

Pada

Secondary

Temperature 50 ˚C.................................................

xiv

68


4.1.2.


Primary

Pressure

Pada

Secondary

Temperature 60 ˚C................................................. 4.1.3.

69


Primary

Pressure

Pada

Secondary

Temperature 70 ˚C................................................. 4.1.4.

70


Primary

Pressure

Pada

Secondary

Temperature 80 ˚C.................................................

71

4.2. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment

Ratio

Dengan

Menggunakan

Variasi

Secondary Temperature Pada Setiap Primary Pressure ..... 4.2.1.

72

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 1 bar ........................................................

4.2.2.

73


4.2.3.

74


4.2.4.

75


xv

77


4.3. Pengaruh

Secondary

Temperature

Terhadap

Nilai

Expansion Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm .........................................................................

78

4.4. Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Expansion Ratio

Dengan

Menggunakan

Variasi

Secondary

Temperature Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm ......................................................................... 4.5. Pengaruh

Primary

Nozzle

Exit

Position

79

Terhadap

Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Secondary Temperature .... 4.5.1.

80

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai

Entrainment

Ratio

Pada

Secondary

Temperature 50 ˚C................................................. 4.5.2.

81


Entrainment

Ratio

Pada

Secondary

Temperature 60 ˚C................................................. 4.5.3.

82


Entrainment

Ratio

Pada

Secondary

Temperature 70 ˚C................................................. 4.5.4.

83


Entrainment

Ratio

Pada

Secondary

Temperature 80 ˚C................................................. 4.6. Pengaruh

Primary

Nozzle

Exit

Position

84

Terhadap

Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Primary Pressure ..............

xvi

85


4.6.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 1 bar ..........................................................................

4.6.2.

86


4.6.3.

87


4.6.4.

89


90

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...........................................................

92

5.1. Kesimpulan ..........................................................................

92

5.2. Saran ....................................................................................

94

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................

96

LAMPIRAN .....................................................................................................

99

xvii


DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1

Grafik tingkat produksi dan penjualan batu bara tahun 2003 - 2013. .........................................................................

Gambar 1.2

Skema sistem pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga uap. ...........................................................................

Gambar 1.3

Skematik

sederhana

steam

ejector

sebagai

3

Constant-pressure Mixing Ejector dan Constant-area Mixing Ejector. ....................................................................

Gambar 2.1

2

sistem

pendinginan. ......................................................................... Gambar 1.4

1

4

Skematik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap bagian steam ejector. .......................................................................

10

Gambar 2.2

Conventional Ejector Refrigeration System (CERS). ..........

11

Gambar 2.3

COP vs condenser pressure. ................................................

11

Gambar 2.4

Entrainment ratio vs ejector back pressure. ........................

12

Gambar 2.5

New Ejector Refrigeration System (NERS). ........................

13

Gambar 2.6

ERS with an additional ejector by Yu et al. (2006). ...........

13

Gambar 2.7

COP vs back pressure pada CERS dan NERS. ...................

14

Gambar 2.8

Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS). ............

15

Gambar 2.9

Three Parallel MERS. .........................................................

15

Gambar 2.10

Desain gambar 3D sistem vacuum dengan menggunakan steam ejector yang diproduksi oleh Eko Zora, Ltd (Bulgaria). ............................................................................

Gambar 2.11

16

Steam ejector refrigeration system saat digunakan sebagai air conditioning system. .......................................................

18

Gambar 2.12

Komponen utama steam ejector. .........................................

19

Gambar 2.13

Kondisi pengoperasian pada steam ejector. .........................

21

Gambar 2.14

Efek kondisi pengoperasian terhadap performa steam

Gambar 2.15

ejector. .................................................................................

22

Primary mass flow vs boiler temperature. ..........................

23

xviii


Gambar 2.16

Critical condenser pressure (critical back pressure) vs evaporator temperature. ......................................................

Gambar 2.17

24

Perbandingan antara area ratio dan Mach number untuk compressible flow dengan nilai k = 1,4. ..............................

27

Gambar 2.18

Normal shock wave. .............................................................

28

Gambar 2.19

Perbedaan antara supersonic nozzle dan subsonic diffuser..

29

Gambar 2.20

Kondisi pengoperasian pada converging nozzle. .................

30

Gambar 2.21

Aliran laminer, transisi, dan turbulen. .................................

34

Gambar 2.22

Developing velocity profiles and pressure change. .............

36

Gambar 2.23

Aliran laminer - kecepatan aliran rendah. ............................

37

Gambar 2.24

Aliran laminer dalam pipa. ..................................................

37

Gambar 2.25

Aliran turbulen - kecepatan aliran tinggi. ............................

37

Gambar 2.26

Aliran turbulen dalam pipa. .................................................

37

Gambar 2.27

Newtonian shear distribution. .............................................

39

Gambar 2.28

Tegangan geser pada dua penampang paralel......................

39

Gambar 2.29

Perubahan

tekanan

dan

kecepatan

pada

Bernoulli

Obstruction Meter. ............................................................... Gambar 2.30

40

Grafik hubungan antara Red dan Cd untuk Thin Plate Orifice. .................................................................................

42

Gambar 3.1

Diagram alir penelitian. .......................................................

46

Gambar 3.2

Skema sistem alat penelitian. ...............................................

46

Gambar 3.3

Sistem steam ejector. ...........................................................

47

Gambar 3.4

Steam ejector yang digunakan pada penelitian. ...................

48

Gambar 3.5

Penampang aliran pada steam ejector. .................................

48

Gambar 3.6

Komponen steam ejector pada penelitian beserta dengan ukurannya. ...........................................................................

49

Gambar 3.7

Primary nozzle exit position (NXP) +5 mm. .......................

52

Gambar 3.8

Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP +5

Gambar 3.9

mm. ......................................................................................

52

Primary nozzle exit position (NXP) 0 mm. .........................

53

xix


Gambar 3.10

Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP 0 mm. ......................................................................................

53

Gambar 3.11

Primary nozzle exit position (NXP) -5 mm. ........................

54

Gambar 3.12

Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP -5 mm. ......................................................................................

54

Gambar 3.13

Diagram alir prosedur pelaksanaan penelitian. ....................

56

Gambar 3.14

Boiler. ..................................................................................

57

Gambar 3.15

Water heater element 2000 Watt. ........................................

58

Gambar 3.16

Evaporator. ...........................................................................

59

Gambar 3.17

Water heater element 1000 Watt. ........................................

59

Gambar 3.18

Steam ejector. ......................................................................

60

Gambar 3.19

Kondensor. ...........................................................................

61

Gambar 3.20

Thermocouple type K. ..........................................................

62

Gambar 3.21

Thermo display APPA. ........................................................

63

Gambar 3.22

Bourdon tube pressure gauge. .............................................

64

Gambar 3.23

Orifice plate. ........................................................................

65

Gambar 3.24

Air raksa. ..............................................................................

65

Gambar 3.25

Roll meter.............................................................................

66

Gambar 3.26

Aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa. .....

66

Gambar 4.1

Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 50 ˚C. ........

Gambar 4.2

68


Gambar 4.3

69


Gambar 4.4

70


xx

72


Gambar 4.5

Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 1 bar. .........

Gambar 4.6

73


Gambar 4.7

74


Gambar 4.8

76


Gambar 4.9

77

Grafik pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm. ........................................................................

Gambar 4.10

Grafik

pengaruh

primary

pressure

terhadap

78

nilai

expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm. ........................................................................ Gambar 4.11

Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan

antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada secondary temperature 50 ˚C. ........ Gambar 4.12

81


antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai


80

82


antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada secondary temperature 70 ˚C. ........

xxi

83


Gambar 4.14


antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai



antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada primary pressure 1 bar. .................. Gambar 4.16

antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada primary pressure 2 bar. ..................

88


antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada primary pressure 3 bar. .................. Gambar 4.18

86


Gambar 4.17

85

89


antara

nilai

expansion

ratio

dan

nilai

entrainment ratio pada primary pressure 4 bar. ..................

xxii

91


DAFTAR TABEL Tabel 2.1

Sifat aliran berdasarkan nilai Mach number (Ma). ..............

31

Tabel 3.1

Keterangan simbol pada skema sistem alat penelitian. .......

47

Tabel 3.2

Variabel bebas pada penelitian. ...........................................

50

Tabel 3.3

Variabel terikat pada penelitian. ..........................................

50

Tabel 3.4

Tekanan dan temperatur pada boiler dan evaporator, beserta dengan ukuran NXP yang digunakan pada penelitian..............................................................................

51

Tabel 3.5

Properti air pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C. .......

57

Tabel 3.6

Spesifikasi teknis water heater element 2000 Watt. ............

58

Tabel 3.7

Spesifikasi teknis water heater element 1000 Watt. ............

60

Tabel 3.8

Spesifikasi teknis steam ejector. ..........................................

61

Tabel 3.9

Spesifikasi teknis thermocouple type K. ..............................

62

Tabel 3.10

Spesifikasi teknis thermo display APPA. ............................

63

Tabel 3.11

Spesifikasi teknis bourdon tube pressure gauge. ................

64

Tabel 3.12

Properti air raksa pada tekanan 1 atm dan temperatur 20˚C. ....................................................................................

xxiii

65


DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A.1

Gambar Keseluruhan Sistem Steam Ejector ........................

Lampiran A.2

Gambar Penampang Aliran Pada Steam Ejector ................. 100

Lampiran B.1

Gambar Teknik Primary Nozzle ..........................................

Lampiran B.2

Gambar Teknik Suction Chamber ....................................... 102

Lampiran B.3

Gambar Teknik Mixing Chamber ........................................ 104

Lampiran B.4

Gambar Teknik Ejector Throat ........................................... 105

Lampiran B.5

Gambar Teknik Subsonic Diffuser....................................... 106

Lampiran C.1

Data Pengamatan Untuk NXP -5 mm ..................................

Lampiran C.2

Data Pengamatan Untuk NXP 0 mm ................................... 108

Lampiran C.3

Data Pengamatan Untuk NXP +5 mm ................................. 109

Lampiran D.1

Data Hasil Analisis Untuk NXP -5 mm ...............................

Lampiran D.2

Data Hasil Analisis Untuk NXP 0 mm ................................ 111

Lampiran D.3

Data Hasil Analisis Untuk NXP +5 mm .............................. 112

xxiv

99

101

107

110


DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Pemakaian Singkatan

Nama

Pertama kali Pada halaman

AC

Alternating Current

55

CERS

Conventional Ejector Refrigeration System

10

CFD

Computational Fluid Dynamics

22

COP

Coefficient of Performance

11

ERS

Ejector Refrigeration System

10

ESDM

Energi dan Sumber Daya Mineral

1

LPG

Liquefied Petroleum Gas

18

MERS

Multi-stage Ejector Refrigeration System

14

NERS

New Ejector Refrigeration System

12

PLTGU

Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap

2

Pemakaian Lambang

Nama

Satuan

Pertama kali Pada halaman

A

Luas penampang saluran

m2

36

A*

Luas penampang saluran

m2

27

m/s

31

kritis

a

Kecepatan suara

Cd

Discharge coefficient

Tidak ada satuan

42

D

Diameter pipa saluran

m

33

D2

Diameter vena contracta

m

41

d

Diameter orifice plate

m

41

du dy

Gradien kecepatan aliran

m/s

40

xxv


ER

Expansion ratio

Tidak ada satuan

25

k

Specific heat ratio

Tidak ada satuan

28

Ma

Mach number

26

Ma1

Mach number

Tidak ada satuan Tidak ada satuan

Tidak ada satuan

28

mm

5

28

pada saluran inlet Ma2

Mach number pada saluran outlet

NXP

Primary

Nozzle

Exit

Position P*

Tekanan kritis

Pa atau N/m2

31

P0

Tekanan stagnasi

Pa atau N/m2

30

Pb

Tekanan back pressure

Pa atau N/m2

31

Pb*

Critical back pressure

kPa

16

Pb1

Back

pada

kPa

15

pada

kPa

15

pada

kPa

15

kPa

14

Pa atau N/m2

31

bar

50

pressure

ejector 1 Pb2

Back

pressure

ejector 2 Pb3

Back

pressure

ejector 3 Pc

Condenser pressure

Pe

Tekanan pada primary nozzle outlet

Po

Tekanan

pada

outlet

ejector Pp

Primary pressure

bar

26

Ps

Secondary pressure

bar

25

PR

Pressure lift ratio

Tidak ada satuan

25

p

Tekanan

Pa atau N/m2

29

Q

Debit aliran

m3/s

36

R

Konstanta gas ideal

m2/s2 . K

27

Re

Reynolds number

Tidak ada satuan

32

xxvi


T0

Temperatur pada kondisi

K

27

stagnasi T

Temperatur

K

32

To

Temperatur pada outlet

K

49

ejector Ts

Secondary temperature

˚C

49

V

Kecepatan aliran

m/s

29

ṁmax

Laju aliran massa kritis

kg/s

27

ṁs

Secondary mass flow rate

kg/s

25

ṁp

Primary mass flow rate

kg/s

25

Δh

Selisih ketinggian ukuran

mm

50

Pa atau N/m2

50

Tidak ada satuan

41

pada Manometer Pipa U ΔP

Perbedaan tekanan pada Manometer Pipa U

β

Rasio geometri diameter pipa saluran dan diameter orifice plate

μ

Viskositas dinamik

N.s/m2

33

ρ

Rapat massa

kg/m3

29

ρ0

Rapat

pada

kg/m3

27

pada

N/m2

40

m2/s

33

Tidak ada satuan

12

massa

kondisi stagnasi τ

Tegangan

geser

hukum Newton tentang kekentalan zat cair ν

Viskositas kinematik

ω

Entrainment ratio

xxvii


BAB I PENDAHULUAN 1.1.

Latar Belakang Eksploitasi energi fosil berupa penambangan batu bara yang dilakukan

secara berlebihan akan mengakibatkan berbagai macam permasalahan. Dampak negatif dari penambangan batu bara antara lain tanah menjadi rusak dan tidak dapat diperbaharui, sumber air yang tercemar, terjadi polusi udara, serta kesehatan masyarakat di sekitar area tambang batu bara akan terancam [Fiyanto et al., 2010]. Di sisi lain, produksi batu bara meningkat setiap tahunnya akibat konsumsi batu bara yang terus meningkat.

Gambar 1.1 Grafik tingkat produksi dan penjualan batu bara tahun 2003 - 2013 [Zed et al., 2014].

Menurut data statistik dari Kementerian ESDM (Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral), produksi batu bara dari tahun 2003 sampai tahun 2013 terus mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya konsumsi batu bara [Zed et al., 2014]. Gambar 1.1 menunjukkan bahwa total produksi batu bara pada tahun 2003 sebesar 114 juta ton meningkat menjadi 449 juta ton pada tahun 2013.

1


2

Produksi batu bara meningkat akibat konsumsi batu bara untuk komoditi ekspor juga meningkat sebesar 85 juta ton pada tahun 2003 menjadi 431 juta ton pada tahun 2013. Batu bara menjadi kebutuhan energi primer untuk beberapa negara di dunia. Batu bara digunakan sebagai bahan bakar utama generator uap (steam generator) pada industri pembangkit listrik tenaga uap (power plant). Terdapat 4 (empat) bagian utama pada sistem power plant, yaitu boiler atau generator uap (steam generator), turbin uap yang terhubung pada generator listrik, kondensor, dan pompa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2 Skema sistem pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga uap [Moran dan Saphiro, 2006]. Pada sistem power plant, kondensor merupakan bagian yang mempunyai nilai efisiensi exergy paling rendah. Berdasarkan hasil pengamatan oleh Agustian Pratamahendra Ismantoro di PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang (2016) melaporkan bahwa nilai efisiensi exergy terendah terletak pada bagian kondensor. Hal tersebut diakibatkan karena banyaknya kalor yang dipindahkan dari dalam sistem menuju ke lingkungan, sehingga menyebabkan terjadinya laju kerusakan exergy yang besar pada kondensor. Laju kerusakan exergy yang besar pada kondensor diakibatkan oleh sistem pendinginan pada


3

kondensor yang tidak optimal. Kondensor digunakan secara rutin untuk proses pendinginan uap panas dengan temperatur tinggi, sehingga mengakibatkan kinerja kondensor akan berkurang. Oleh karena itu, diperlukan suatu inovasi yang dapat digunakan untuk sistem pendinginan pada power plant, sehingga dapat meningkatkan kinerja kondensor. Steam ejector merupakan salah satu solusi yang dapat digunakan untuk sistem pendinginan pada power plant. Steam ejector dapat digunakan untuk proses pendinginan uap panas yang berasal dari turbin uap sebelum didinginkan kembali oleh kondensor. Proses pendinginan uap panas yang pertama kali dilakukan oleh steam ejector dapat meringankan kerja kondensor. Skematik sederhana dari steam ejector yang digunakan untuk sistem pendinginan pada power plant ditunjukkan pada Gambar 1.3.

Gambar 1.3 Skematik sederhana steam ejector sebagai sistem pendinginan [Petrenko V. O., 2014].

Steam ejector merupakan suatu aplikasi sistem refrijerasi yang ramah lingkungan dan dapat digunakan untuk sistem refrijerasi dengan skala besar [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Dari sisi efisiensi energi, steam ejector lebih unggul daripada sistem refrijerasi yang lainnya. Steam ejector tidak membutuhkan listrik untuk mengoperasikannya, karena sistem refrijerasi pada steam ejector dapat memanfaatkan panas sisa (waste heat) yang dihasilkan oleh


4

berbagai macam proses industri menjadi media pendingin yang berguna [Ruangtrakoon et al., 2013]. Beberapa kelebihan pada steam ejector yaitu struktur desain yang praktis, tingkat umur pakai yang lama, hemat biaya (baik dari biaya produksi maupun biaya operasi), dapat digunakan untuk berbagai macam jenis refrijeran sebagai fluida kerja, serta perawatan sistem yang mudah [Chandra dan Ahmed, 2014]. Steam ejector juga telah digunakan dalam berbagai bidang. Dalam bidang Aerospace Engineering, steam ejector digunakan untuk daya dorongan tambahan pada pesawat luar angkasa. Sedangkan dalam bidang industri, steam ejector banyak digunakan untuk memompa cairan yang bersifat korosif dan berbagai macam tipe gas yang sulit untuk ditangani [Chandra dan Ahmed, 2014].

Gambar 1.4 Constant-pressure Mixing Ejector (kiri) dan Constant-area Mixing Ejector (kanan) [Tashtoush et al., 2015].

Ejector merupakan bagian terpenting dari sistem refrijerasi pada steam ejector, sehingga optimalisasi pada desain ejector dan prediksi performa pada ejector sangat diperlukan [Cardemil dan Colle, 2012]. Ejector diklasifikasikan menjadi 2 (dua) tipe berdasarkan posisi nozzle, yaitu constant-pressure mixing ejector dan constant-area mixing ejector seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4. Sedangkan untuk mengetahui performa pada ejector terdapat 3 (tiga) parameter penting, yaitu entrainment ratio, pressure lift ratio, dan expansion ratio. Entrainment ratio adalah rasio antara secondary mass flow rate dengan primary mass flow rate, pressure lift ratio (compression ratio) adalah rasio antara


5

tekanan kondensor (condenser back pressure) dengan tekanan evaporator (secondary pressure), dan expansion ratio adalah rasio antara tekanan boiler (primary pressure) dengan tekanan evaporator (secondary pressure) [Chandra dan Ahmed, 2014]. Bourhan Tashtoush et al. (2015) melakukan penelitian tentang hubungan antara entrainment ratio dan back pressure untuk temperatur boiler yang berbeda dengan menggunakan constant-pressure mixing ejector dan constant-area mixing ejector. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatnya temperatur boiler dan tekanan saturasi akan mengakibatkan entrainment ratio menurun dan back pressure semakin meningkat. Semakin meningkatnya temperatur dan tekanan saturasi pada boiler mengakibatkan rasio antara primary mass flow rate lebih besar daripada secondary mass flow rate, sehingga entrainment ratio mempunyai nilai yang rendah. Semakin rendah nilai entrainment ratio mengakibatkan nilai compression ratio meningkat [Ma et al., 2012]. Dari kedua tipe ejector, constantpressure mixing ejector memiliki nilai compression ratio yang lebih besar daripada constant-area mixing ejector [Tashtoush et al., 2015]. Semakin tinggi nilai compression ratio mengakibatkan meningkatnya nilai critical point. Di sisi lain, dengan semakin meningkatnya nilai compression ratio dapat menyebabkan nilai back pressure meningkat akibat tekanan pada kondensor lebih besar daripada tekanan pada evaporator. Hal inilah yang menyebabkan constant-pressure mixing ejector dapat menerima back pressure lebih besar daripada constant-area mixing ejector [Tashtoush et al., 2015]. Dapat diketahui dari hasil penelitian Bourhan Tashtoush et al. (2015) bahwa besarnya nilai back pressure dipengaruhi oleh besarnya nilai generator temperature (primary temperature) dan nilai entrainment ratio. Sedangkan besarnya nilai entrainment ratio dipengaruhi oleh 2 (dua) tipe ejector yang digunakan. Perbedaan kedua tipe ejector terletak pada posisi primary nozzle exit position (NXP). Constant-pressure mixing ejector mempunyai NXP yang terletak di area suction chamber, sedangkan constant-area mixing ejector mempunyai NXP yang terletak di constant-area suction inlet. Oleh karena itu diperlukan


6

penelitian tentang variasi ukuran NXP dengan menggunakan variasi pada primary pressure dan secondary temperature yang mempunyai pengaruh terhadap performa pada steam ejector.

1.2.

Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa

permasalahan yang akan dilakukan pembahasan pada penelitian ini. Beberapa permasalahan tersebut antara lain: a.

Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap secondary temperature.

b.

Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary pressure.

c.

Pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap primary nozzle exit position (NXP).

d.

Pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary nozzle exit position (NXP).

e.

Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap secondary temperature.

f.

Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap primary pressure.


7

1.3.

Tujuan Penelitian Sesuai dengan rumusan masalah yang diajukan pada penelitian ini, maka

terdapat beberapa tujuan penelitian yang ingin dicapai. Tujuan penelitian tersebut antara lain: a.

Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap secondary temperature.

b.

Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary pressure.

c.

Mengetahui pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap primary nozzle exit position (NXP).

d.

Mengetahui pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary nozzle exit position (NXP).

e.

Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap secondary temperature.

f.

Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap primary pressure.

1.4.

Batasan Masalah Terdapat beberapa batasan permasalahan yang digunakan pada penelitian

ini. Beberapa batasan permasalahan tersebut antara lain: a.

Penelitian dilakukan dengan menggunakan fluida kerja air.

b.

Tidak diteliti kondisi fase uap panas pada primary fluid.


8

c.

Eksperimen dilakukan dengan menggunakan variasi primary nozzle exit position (NXP) +5 mm, 0 mm, dan -5 mm.

d.

Eksperimen dilakukan dengan melakukan variasi primary pressure pada tekanan 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar.

e.

Eksperimen dilakukan dengan melakukan variasi secondary temperature pada temperatur 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.

f.

Tidak memperhitungkan nilai kerugian yang diakibatkan oleh belokan pada pipa.

g.

Tidak memperhitungkan nilai kerugian yang diakibatkan oleh gesekan pada dinding pipa.

1.5.

Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang diperoleh setelah melakukan penelitian ini antara

lain: a.

Menambah ilmu dan wawasan tentang pemanfaatan waste heat yang dapat digunakan untuk melakukan efisiensi energi sehingga dapat menjaga kelestarian lingkungan.

b.

Menambah pengetahuan dan wawasan tentang berbagai macam fenomena aliran fluida dan mekanisme aliran fluida yang terjadi pada steam ejector.

c.

Mengetahui performa kerja dari sistem steam ejector terhadap variasi yang dilakukan pada primary pressure dan secondary temperature untuk setiap primary nozzle exit position (NXP).

d.

Dapat digunakan sebagai referensi untuk melakukan penelitian tentang steam ejector selanjutnya.


BAB II DASAR TEORI 2.1.

Steam Ejector Steam ejector pertama kali dikembangkan oleh Le Blance dan Charles

Parsons pada tahun 1901. Pada awal tahun 1930, steam ejector menjadi lebih dikenal sebagai alat yang digunakan untuk sistem pendinginan udara (air conditioning system) pada gedung-gedung bertingkat [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Saat ini steam ejector semakin banyak dikenal dalam dunia engineering yang banyak digunakan untuk berbagai macam kepentingan [Chandra dan Ahmed, 2014]. Steam ejector bekerja dengan cara melakukan pencampuran dua fluida dengan temperatur dan tekanan yang berbeda. Fluida dengan temperatur dan tekanan yang tinggi dari boiler dengan nama primary fluid akan melewati primary nozzle. Primary fluid akan menghasilkan kecepatan aliran supersonic dengan tekanan yang sangat rendah saat keluar dari primary nozzle exit plane dan masuk ke dalam area mixing chamber. Akibat tekanan primary fluid yang sangat rendah, fluida dari evaporator dengan nama secondary fluid dapat terhisap ke dalam area mixing chamber. Aliran primary fluid akan membentuk converging duct di dalam mixing chamber. Di sepanjang wilayah converging duct, kecepatan aliran secondary fluid yang terhisap ke dalam mixing chamber berubah menjadi kecepatan aliran sonic dan alirannya akan terhambat. Proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid akan terjadi setelah aliran pada secondary fluid terhambat di dalam mixing chamber. Pada bagian akhir area mixing chamber, kedua aliran akan tercampur dengan sempurna dengan nilai dari static pressure cenderung konstan sampai pada bagian throat. Setelah melewati bagian throat dan masuk pada bagian subsonic diffuser, kecepatan aliran di dalam ejector akan berkurang dengan sangat cepat dari kecepatan aliran supersonic menjadi kecepatan aliran sonic [Sriveerakul et al., 2007]. Skematik kecepatan aliran dan

9


10

tekanan yang terjadi pada setiap bagian dari steam ejector dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skematik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap bagian steam ejector [Sriveerakul et al., 2007].

2.2.

Tipe Steam Ejector Terdapat berbagai macam tipe steam ejector yang berfungsi sebagai

sistem refrijerasi dengan nama Ejector Refrigeration System (ERS). Berbagai macam tipe ERS tersebut antara lain:

2.2.1.

Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) Gambar 2.2 menunjukkan skematik dari siklus dasar Conventional

Ejector Refrigeration System (CERS). Terdapat 6 (enam) komponen utama yang terdapat pada CERS, yaitu generator, evaporator, kondensor, expansion device, ejector, dan circulating pump. Pada sistem CERS ini, primary fluid dengan tekanan yang tinggi mengalir melewati nozzle pada ejector dan akan menghisap secondary fluid dengan tekanan yang rendah. Primary fluid dan secondary fluid akan tercampur di dalam mixing chamber dan akan memperoleh tekanan pencampuran yang berbeda pada saat keluar dari bagian diffuser. Setelah melewati bagian diffuser, aliran fluida campuran antara primary fluid dan secondary fluid akan mengalir menuju kondensor dan akan terkondensasi. Fluida yang telah


11

terkondensasi akan dibagi menjadi 2 (dua) bagian aliran, aliran pertama akan dialirkan kembali masuk ke dalam generator, sedangkan aliran kedua akan dialirkan kembali masuk ke dalam evaporator. Kedua bagian aliran tersebut disirkulasikan menuju boiler dan evaporator dengan menggunakan pompa (circulating pump) [Yu et al., 2006].

Gambar 2.2 Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) [Yu et al., 2006].

d Gambar 2.3 COP vs condenser pressure [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


12

Coefficient of Performance (COP) merupakan faktor yang dapat digunakan untuk mengetahui performa pada CERS. COP pada CERS sangat bergantung pada nilai entrainment ratio (ω) yang dipengaruhi oleh 3 (tiga) faktor utama, yaitu primary flow inlet state (temperature and pressure of primary fluid), secondary flow inlet state (temperature and pressure of secondary fluid), dan back pressure (condenser pressure) [Yu et al., 2006]. Pernyataan tersebut dibuktikan dengan beberapa hasil penelitian yang menunjukkan bahwa meningkatnya nilai back pressure (condenser pressure) ketika primary pressure meningkat dengan secondary pressure yang konstan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Entrainment ratio vs ejector back pressure [Sriveerakul et al., 2007].

2.2.2.

New Ejector Refrigeration System (NERS) - ERS With an Additional Jet Pump New Ejector Refrigeration System (NERS) merupakan salah satu tipe

ERS yang dikembangkan setelah CERS, dimana terdapat jet pump (liquid jet ejector) pada siklus kerjanya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6.


13

Gambar 2.5 New Ejector Refrigeration System (NERS) [Yu et al., 2006].

Gambar 2.6 ERS with an additional ejector by Yu et al. (2006) [Besagni et al., 2016].

Pada NERS, jet pump diletakkan di antara ejector dan condenser yang aplikasinya menggunakan secondary fluid berupa fluida campuran yang dihasilkan oleh ejector, yaitu fluida campuran antara primary fluid dan secondary fluid setelah keluar dari bagian diffuser pada ejector. Aplikasi jet pump yang digunakan pada NERS mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan menggunakan compressor. Jet pump mempunyai konstruksi yang lebih sederhana dan biaya produksinya yang lebih rendah daripada menggunakan compressor.


14

Selain itu, jet pump merupakan salah satu cara yang dapat digunakan untuk meningkatkan nilai COP pada NERS [Yu et al., 2006] dan dapat meningkatkan nilai entrainment ratio (ω) pada NERS [Besagni et al., 2016]. Dibandingkan dengan CERS, NERS mempunyai nilai COP yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan pada grafik hasil penelitian oleh Yu et al. (2006) pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 COP vs back pressure pada CERS dan NERS [Yu et al., 2006].

2.2.3.

Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) merupakan salah satu

tipe ERS dengan menggunakan beberapa buah ejector yang disusun secara paralel dan ditempatkan sebelum kondensor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. MERS merupakan suatu sistem yang dapat digunakan untuk memecahkan permasalahan utama yang terjadi pada ERS, di mana terjadi kesulitan pada ERS dalam menangani pengoperasian pada sistemnya akibat terjadi perubahan pada kondisi pengoperasiannya. Setiap ejector yang digunakan dalam MERS beroperasi pada setiap batasan condenser pressure (Pc) yang berbeda [Besagni et al., 2016].


15

Gambar 2.8 Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) [Besagni et al., 2016].

Gambar 2.9 Three Parallel MERS [Chen et al., 2015].

Gambar 2.9 menunjukkan MERS dengan 3 (tiga) ejector yang disusun secara paralel dengan setiap ejector yang beroperasi pada batasan condenser pressure (Pc) tertentu beserta dengan grafik hubungan antara entrainment ratio (ω) dengan condenser pressure (Pc) pada setiap ejector. Ejector 1 beroperasi dengan nilai condenser pressure (Pc) di bawah nilai back pressure pada ejector 1 (Pb1) (Pc < Pb1). Ejector 2 akan beroperasi ketika nilai condenser pressure (Pc) berada di antara nilai back pressure pada ejector 1 (Pb1) dan back pressure pada ejector 2 (Pb2) (Pb1 < Pc < Pb2). Sedangkan ejector 3 akan beroperasi pada nilai condenser pressure

(Pc) yang lebih besar daripada nilai back pressure pada


16

ejector 2 (Pb2). Pada MERS tidak terdapat nilai critical back pressure (Pb*) sehingga

dapat

menghindari

sudden

performance

drop

pada

sistem

pengoperasiannya [Chen et al., 2015].

2.3.

Aplikasi Steam Ejector Terdapat berbagai macam fungsi steam ejector yang dapat diaplikasikan

dalam berbagai macam bidang. Berbagai macam aplikasi steam ejector tersebut antara lain:

2.3.1.

Steam Jet Ejector for Deodorizing Edible Oils

Gambar 2.10 Desain gambar 3D sistem vacuum dengan menggunakan steam ejector yang diproduksi oleh Eko Zora, Ltd (Bulgaria) [Akterian, 2011].

keterangan: 1.

First Ejector

3.

Barometric Condenser

2.

Second Ejector

4.

Third Ejector

Sistem vacuum yang menjadi prinsip kerja pada steam ejector dimanfaatkan sebagai proses deodorizing pada edible oils. Sistem vacuum ini dikomersialkan oleh 2 (dua) perusahaan mechanical engineering yang berasal dari negara Bulgaria, yaitu Eko Zora, Ltd yang berada di kota Aksakovo dan Gea-06


17

yang terletak di kota Varna. Sampai pada tahun 2011, kedua perusahaan tersebut telah memproduksi 12 (dua belas) sistem vacuum [Akterian, 2011]. Salah satu sistem vacuum yang didesain dan diproduksi oleh Eko Zora, Ltd dapat dilihat pada Gambar 2.10. Aliran yang dihisap (secondary fluid) pada sistem vacuum ini terdiri atas beberapa unsur, yaitu 93 % uap panas, 3 % uap yang dihasilkan dari asam lemak, dan 4 % udara bersih dengan tekanan 0,3 kPa. Sedangkan untuk tekanan pada motive steam (primary fluid) divariasikan menurut kapasitas hisap yang akan dilakukan. Untuk sistem dengan kapasitas hisap yang kecil menggunakan tekanan sebesar 0,6 MPa, sedangkan untuk sistem dengan kapasitas hisap yang lebih besar menggunakan tekanan sebesar 1 MPa. Sistem ini juga menggunakan air pendingin dengan temperatur sebesar 30 ˚C yang dialirkan melalui cooling tower [Akterian, 2011]. Dari ke-12 sistem vacuum yang telah diproduksi oleh Eko Zora, Ltd dan Gea-06, masing-masing mempunyai kemampuan hisap yang berbeda. 1 (satu) sistem mempunyai kemampuan hisap sebesar 10 kg/jam, 4 (empat) sistem mempunyai kemampuan hisap sebesar 15 kg/jam, 3 (tiga) sistem mempunyai kemampuan hisap sebesar 25 kg/jam, dan 4 (empat) sistem mempunyai kemampuan hisap sampai 35 kg/jam [Akterian, 2011]. Selain dapat digunakan sebagai proses deodorizing pada edible oils, sistem vacuum pada steam jet ejector juaga dapat digunakan dalam berbagai macam proses lainnya, antara lain steam refining, bleching, drying, winterizing, degumming and solvent extraction of vegetable oils, dan berbagai macam proses lainnya [Akterian, 2011].

2.3.2.

Steam Ejector Refrigeration System in Thailand Steam ejector mempunyai fungsi sebagai sistem refrijerasi di Thailand

yang mempunyai cuaca panas dan lembab pada saat musim kemarau. Pada saat musim kemarau, Thailand mempunyai temperatur lingkungan hingga 40 ˚C dengan tingkat kelembaban hingga 70 %. Oleh karena itu, di Thailand steam


18

ejector sangat berfungsi sebagai sebagai sistem refrijerasi yang digunakan sebagai sistem pendinginan udara (air conditioning system) di dalam suatu ruangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Steam ejector refrigeration system saat digunakan sebagai air conditioning system [Ruangtrakoon dan Aphornratana, 2014].

Sistem refrijerasi steam ejector yang digunakan sebagai sistem pendinginan udara (air conditioning system) ini menggunakan kapasitas pendinginan sebesar 3 kW dengan menggunakan electric heater yang diletakkan di dalam insulated chilled water box. Proses pemanasan di dalam boiler pada sistem steam ejector ini menggunakan sumber energi panas yang berasal dari LPG (Liquefied Petroleum Gas), di mana pemanasan fluida kerja dilakukan dengan menggunakan LPG burner yang akan menghasilkan uap panas dengan temperatur 100 ˚C - 130 ˚C. Sedangkan pada bagian evaporator menggunakan fluida kerja dengan temperatur 10 ˚C. Sistem steam ejector menggunakan air pendinginan dengan temperatur 30 ˚C - 35 ˚C yang disirkulasikan pada bagian kondensor. Sistem refrijerasi steam ejector berupa sistem pendingin ruangan (air conditioning system) yang diaplikasikan di Thailand ini dapat menghasilkan temperatur ruangan sebesar 13 ˚C - 23 ˚C untuk ruangan dengan ukuran panjang 4 meter, lebar 3 meter, dan tinggi 2,5 meter [Ruangtrakoon dan Aphornratana, 2014].


19

2.4.

Komponen Utama Steam Ejector Pada dasarnya terdapat 4 (empat) komponen utama pada steam ejector,

yaitu primary nozzle, mixing chamber, ejector throat, dan subsonic diffuser [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Posisi dari komponen utama pada steam ejector tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.12.

1

2

3

4

Gambar 2.12 Komponen utama steam ejector [Zhu dan Jiang, 2014].

keterangan:

2.4.1.

1.

Primary Nozzle

3.

Ejector Throat

2.

Mixing Chamber

4.

Subsonic Diffuser

Primary Nozzle Primary nozzle terbagi menjadi 2 (dua) bagian pada struktur desainnya,

yaitu converging section dan diverging section. Converging section merupakan bagian dari primary nozzle yang terletak di antara nozzle inlet dan nozzle throat. Sedangkan diverging section merupakan bagian nozzle exit plane sebagai bagian untuk keluarnya primary fluid. Primary nozzle dibuat dalam bentuk converging section dan diverging section dengan tujuan untuk meningkatkan nilai dari kecepatan aliran primary fluid. Pada saat primary fluid melewati bagian


20

converging section pada primary nozzle, primary fluid akan mempunyai kecepatan aliran subsonic. Setelah melewati bagian diverging section pada primary nozzle dan keluar melalui nozzle exit plane, maka kecepatan aliran primary fluid akan meningkat dari subsonic menjadi supersonic [Cardemil dan Colle, 2012] [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. 2.4.2.

Mixing Chamber Mixing chamber merupakan bagian dari ejector yang digunakan untuk

melakukan proses pencampuran antara primary fluid dengan secondary fluid. Proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid yang terjadi di dalam mixing chamber dapat digunakan untuk menghitung besarnya nilai entrainment ratio. Entrainment ratio merupakan rasio antara laju aliran massa secondary fluid (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa primary fluid (primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014]. 2.4.3.

Ejector Throat Ejector Throat merupakan bagian dari steam ejector yang mempunyai

ukuran panjang dan diameter yang sama. Pada bagian ejector throat akan terjadi compression effect yang menyebabkan terjadinya normal shock. Normal shock dapat mengakibatkan sudden drop pada kecepatan aliran fluida yang melewati bagian ejector throat, sehingga kecepatan aliran fluida akan menurun dari kecepatan aliran supersonic menjadi kecepatan aliran subsonic [Sriveerakul et al., 2007]. 2.4.4.

Subsonic Diffuser Subsonic diffuser merupakan bagian yang digunakan sebagai outlet pada

steam ejector. Fluida yang mengalir melewati bagian subsonic diffuser akan memiliki kecepatan aliran subsonic yang terjadi setelah melewati bagian ejector throat. Akibat menurunnya kecepatan aliran fluida yang melewati bagian subsonic diffuser akan menyebabkan subsonic diffuser menghasilkan tekanan yang tinggi [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


21

2.5.

Kondisi Pengoperasian Steam Ejector Berdasarkan

hasil

penelitian

yang

dilakukan

oleh

Kanjanapon

Chunnanond dan Satha Aphornratana (2004) dalam jurnal ilmiah dengan judul ”An Experimental Investigation of a Steam Ejector Refrigerator: The Analysis of the Pressure Profile Along the Ejector” melaporkan bahwa kondisi pengoperasian pada steam ejector dapat dikategorikan menjadi 3 (tiga) bagian, yaitu choked flow, unchoked flow, dan reversed flow yang dibedakan berdasarkan nilai dari critical break pressure (critical condenser pressure) dan break down pressure. Ketiga bagian kondisi pengoperasian pada steam ejector dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Kondisi pengoperasian pada steam ejector [Sriveerakul et al., 2007].

Pada bagian choked flow, ejector beroperasi di bawah nilai critical back pressure (critical condenser pressure), di mana rasio antara secondary flow yang terhisap ke dalam mixing chamber sama besarnya dengan primary flow sehingga bagian choked flow mempunyai nilai entrainment ratio yang tetap konstan. Pada bagian unchoked flow, nilai dari back pressure (condenser pressure) akan lebih besar daripada nilai critical back pressure (critical condenser pressure). Transverse shock akan terjadi akibat meningkatnya tekanan kondensor sampai melewati batas critical point. Transverse shock akan mengganggu proses


22

pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid di dalam mixing chamber, sehingga mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun dengan sangat cepat. Sedangkan pada bagian reversed flow (break down pressure), tekanan kondensor akan terus meningkat melewati batas critical point dan mencapai titik break down pressure, di mana ejector akan kehilangan fungsinya akibat laju aliran yang mengalir balik menuju secondary flow inlet dan masuk ke dalam evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004] [Sriveerakul et al., 2007].

Gambar 2.14 Efek kondisi pengoperasian terhadap performa steam ejector [Sriveerakul et al., 2007].

Penelitian yang dilakukan oleh Sriveerakul et al. (2007) dalam jurnal ilmiah dengan judul “Performance Prediction of Steam Ejector Using Computational Fluid Dynamics: Part 1. Validation of the CFD Results” melaporkan bahwa back pressure pada kondisi pengoperasian steam ejector dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan saturasi pada boiler (primary fluid temperature and primary fluid saturated pressure) serta temperatur dan tekanan pada evaporator (secondary fluid temperature and secondary fluid pressure). Fenomena back pressure pada steam ejector dapat ditunjukkan melalui Gambar 2.14.


23

Semakin berkurangnya temperatur dan tekanan saturasi pada primary fluid, maka akan mengakibatkan laju aliran massa primary fluid (primary mass flow rate) akan semakin menurun. Hal ini akan meningkatkan nilai entrainment ratio pada steam ejector seiring dengan meningkatnya nilai laju aliran massa secondary fluid (secondary mass flow rate). Semakin meningkatnya nilai entrainment ratio pada steam ejector, maka nilai dari critical back pressure akan semakin menurun dan dapat menyebabkan terjadinya back pressure. Di sisi lain, apabila tekanan pada secondary fluid semakin meningkat maka akan mengakibatkan laju aliran massa secondary fluid yang masuk ke dalam area mixing chamber akan meningkat. Hal ini akan meningkatkan nilai critical back pressure dan menghindari terjadinya back pressure pada steam ejector [Sriveerakul et al., 2007].

Gambar 2.15 Primary mass flow vs boiler temperature [Ma et al., 2010].

Hubungan antara laju aliran massa primary fluid (primary mass flow rate) dengan temperatur pada boiler (boiler temperature) dan hubungan antara temperatur pada evaporator (evaporator temperature) dengan critical back pressure telah dilaporkan oleh Ma et al. (2010) dalam hasil penelitiannya yang dituliskan ke dalam jurnal ilmiah dengan judul “Experimental Investigation of a Novel Steam Ejector Refrigerator Suitable Solar Energy Applications”.


24

Ma et al. (2010) melaporkan bahwa semakin meningkatnya temperatur pada boiler (boiler temperature) akan mengakibatkan laju aliran massa primary fluid (primary mass flow rate) akan semakin meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.15. Sedangkan semakin meningkatnya temperatur pada evaporator (evaporator temperature) akan meningkatkan nilai critical condenser pressure (critical back pressure) [Ma et al., 2010] seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Critical condenser pressure (critical back pressure) vs evaporator temperature [Ma et al., 2010].

2.6.

Parameter Performa Steam Ejector Terdapat 3 (tiga) parameter penting yang dapat digunakan untuk

menentukan performa pada steam ejector, yaitu entrainment ratio (ω), expansion ratio (ER), dan pressure lift ratio (PR). Pengertian beserta dengan persamaan yang digunakan untuk menghitung entrainment ratio (ω), expansion ratio (ER), dan pressure lift ratio (PR) dapat dilihat pada penjelasan berikut.

2.6.1.

Entrainment Ratio (ω) Entrainment ratio merupakan perbandingan antara laju aliran massa pada

secondary fluid (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa pada primary


25

fluid (primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.1).



m s m p

(2.1)

dengan ω adalah entrainment ratio yang tidak mempunyai satuan, m s adalah secondary mass flow rate yang dinyatakan dalam satuan kilogram per detik (kg/s), dan m p adalah primary mass flow rate yang dinyatakan dalam satuan kilogram per detik (kg/s).

2.6.2.

Expansion Ratio (ER) Expansion ratio adalah perbandingan antara tekanan pada boiler

(primary pressure) dengan tekanan pada evaporator (secondary pressure) [Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.3).

ER 

Pp

(2.3)

Ps dengan ER adalah expansion ratio yang tidak mempunyai satuan, P p adalah tekanan pada boiler (primary pressure) yang dinyatakan dalam satuan bar, dan P s adalah tekanan pada evaporator (secondary pressure) yang dinyatakan dalam

satuan bar.

2.6.3.

Pressure Lift Ratio (PR) Pressure lift ratio adalah perbandingan antara tekanan pada kondensor

(condenser back pressure) dengan tekanan pada evaporator (secondary pressure) [Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.2). PR 

Pc Ps

(2.2)


26

dengan PR adalah pressure lift ratio yang tidak mempunyai satuan, P c adalah tekanan kondensor (condenser back pressure) yang dinyatakan dalam satuan bar, dan P s adalah tekanan pada evaporator (secondary pressure) yang dinyatakan dalam satuan bar.

2.7.

Fenomena Aliran Steam Ejector

2.7.1.

Compressible Flow Compressible flow terjadi ketika fluida bergerak dengan kecepatan suara,

rapat massa (density) yang dapat berubah sangat signifikan. Akan tetapi, compressible flow sulit dicapai pada fluida dengan bentuk cairan (liquid) karena dibutuhkan tekanan yang tinggi mencapai 1000 atm untuk menghasilkan kecepatan aliran sonic. Sebaliknya, fluida dengan bentuk gas hanya membutuhkan rasio tekanan 2:1 untuk menghasilkan kecepatan aliran sonic [White, 2011]. Terdapat dua efek yang sangat penting pada aliran compressible flow, yaitu: a.

Chocking, dimana laju aliran pada sebuah saluran sangat dibatasi oleh kondisi kecepatan aliran (sonic condition).

b.

Shock Wave, merupakan suatu properti yang selalu berubah pada aliran supersonic.

2.7.1.1. Choking Gambar 2.17 menunjukkan hubungan antara rasio luas penampang (area ratio) pada suatu saluran dengan nilai Mach number, di mana mencapai kesetimbangan pada saat Ma = 1 dan nilai area ratio akan kembali ke nol apabila nilai Ma semakin besar. Kondisi inilah yang disebut dengan stagnation condition yang terjadi apabila laju aliran massa yang melewati saluran telah mencapai kondisi kritis (sonic condition). Saluran tersebut dapat disebut dengan choked, dimana saluran tidak dapat membawa laju aliran massa yang lebih banyak kecuali


27

dengan memperluas area throat. Apabila dimensi pada throat dibatasi, maka laju aliran massa yang akan melewati throat juga harus dikurangi [White, 2011].

Gambar 2.17 Perbandingan antara area ratio dan Mach number untuk compressible flow dengan nilai k = 1,4 [White, 2011].

Untuk memperhitungkan laju aliran massa yang akan melewati throat, maka dapat dihitung dengan persamaan laju aliran massa kritis yang dapat dituliskan pada persamaan (2.4).

m

 0,6847  A *   ( RT )1 / 2  max 0 0

0.6847    A * 0 ( RT )1 / 2 0

(2.4)

dengan m adalah laju aliran massa kritis yang dinyatakan dalam satuan max kilogram per detik (kg/s), A* adalah luas penampang saluran kritis yang dinyatakan dalam satuan meter kuadrat (m2), 

0

adalah rapat massa fluida pada

stagnation condition yang dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik (kg/m3), R adalah konstanta gas ideal yang dinyatakan dalam satuan meter kuadrat per detik kuadrat Kelvin (m2/s2.K), dan T adalah temperatur pada stagnation 0 condition yang dinyatakan dalam satuan Kelvin (K).


28

2.7.1.2. Shock Wave (Normal Shock Wave) Normal shock wave terjadi apabila terdapat perubahan pada kecepatan aliran supersonic dengan nilai Ma lebih dari satu (Ma > 1) menjadi kecepatan aliran subsonic dengan nilai Ma kurang dari 1 (Ma < 1). Kecepatan aliran supersonic dihasilkan karena efek dari converging dan diverging pada suatu penampang aliran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Normal shock wave [White, 2011].

Persamaan yang digunakan untuk melakukan perhitungan normal shock wave dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.5).

(k  1)  Ma1  2 2

Ma2  2

2  k  Ma1  (k  1) 2

(2.5)

dengan Ma1 adalah nilai Mach number pada saluran inlet dengan kecepatan aliran supersonic, Ma 2 adalah nilai Mach number pada saluran outlet dengan kecepatan aliran subsonic, dan k adalah nilai dari specific heat ratio pada gas yang mempunyai nilai sebesar 1,4.


29

2.7.2.

Supersonic Nozzle dan Subsonic Diffuser Terdapat 2 (dua) jenis perbedaan penampang pada saluran, yaitu

supersonic nozzle dan subsonic diffuser. Supersonic nozzle dapat diartikan sebagai penampang saluran yang mempunyai kecepatan aliran yang tinggi dengan nilai Ma lebih dari 1 (Ma > 1) yang disebut dengan kecepatan aliran supersonic. Sedangkan subsonic diffuser diartikan sebagai penampang yang mempunyai kecepatan aliran yang rendah dengan nilai Ma kurang dari 1 (Ma < 1) yang disebut dengan kecepatan aliran subsonic. Karena kecepatan aliran pada subsonic diffuser lebih rendah daripada supersonic nozzle, maka subsonic diffuser akan menghasilkan tekanan yang lebih tinggi daripada supersonic nozzle [White, 2011]. Perbedaan antara subsonic diffuser dan supersonic nozzle dapat dilihat pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Perbedaan antara supersonic nozzle dan subsonic diffuser [White, 2011].

Persamaan yang digunakan untuk menjelaskan perbedaan fenomena pada supersonic nozzle dan subsonic diffuser dituliskan ke dalam persamaan (2.6). dV dA 1 dp    2 V A Ma  1  V 2

(2.6)


30

2.7.3.

Converging of Primary Nozzle

Gambar 2.20 Kondisi pengoperasian pada converging nozzle [White, 2011]. a)

Geometri nozzle dan karakteristik tekanan

b)

Distribusi tekanan akibat back pressure

c)

Mass flow vs back pressure

Gambar 2.20 (a) menunjukkan skema aliran yang terjadi di dalam bagian converging pada primary nozzle. Aliran dengan tekanan stagnasi (P0) akan mengalir melewati primary nozzle outlet yang mengalami pengecilan penampang. Akibat adanya pengecilan penampang, maka tekanan aliran akan menurun pada bagian primary nozzle outlet (-Pe) sehingga akan keluar sebagai aliran dengan tekanan back pressure (Pb), di mana nilai tekanan back pressure lebih rendah daripada nilai tekanan stagnasi (Pb < P0). Gambar 2.20 (b) menunjukkan distribusi tekanan yang terjadi pada bagian converging primary nozzle. Pada kondisi pada titik a dan b, tekanan pada


31

primary nozzle throat lebih besar daripada tekanan kritis (P*) yang menyebabkan aliran pada primary nozzle mempunyai kecepatan aliran subsonic dan tekanan pada primary nozzle outlet (Pe) mempunyai nilai yang sama besar dengan tekanan back pressure (Pb). Pada kondisi di titik c tekanan back pressure (Pb) mempunyai nilai yang sama besar dengan tekanan pada primary nozzle outlet (Pe). Sedangkan pada kondisi di titik d dan e, primary nozzle tidak dapat beroperasi lebih lanjut karena terjadi proses chocking dengan laju aliran massa yang besar pada bagian primary nozzle throat sehingga mengakibatkan tekanan akan menurun dari tekanan kritis (P*) menuju tekanan back pressure (Pb) dan aliran akan berekspansi dengan kecepatan aliran supersonic.

2.8.

Mach Number (Ma) Mach number (Ma) merupakan parameter yang paling dominan dalam

melakukan analisa pada compressible flow [White, 2011]. Besarnya nilai Mach number (Ma) dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.7). Ma 

V a

(2.7)

dengan Ma adalah Mach number yang tidak mempunyai satuan, V adalah kecepatan aliran yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s), dan

a

adalah kecepatan suara yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s). Adapun interval dari besarnya nilai Mach number (Ma) dapat digunakan untuk mengetahui sifat aliran seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Sifat aliran berdasarkan nilai Mach number (Ma) [White, 2011]. Bilangan Ma Ma < 0,3

0,3 < Ma < 0,8

Keterangan Aliran incompressible, di mana pengaruh pada nilai density dapat diabaikan. Aliran subsonic, di mana pengaruh pada nilai density penting tetapi tidak ada shock wave yang muncul.


32

Aliran transonic, di mana terdapat shock wave pada aliran. 0,8 < Ma < 1,2 Aliran transonic merupakan pemisah daerah aliran supersonic dan subsonic. 1,2 < Ma < 3,0

3,0 < Ma

Aliran supersonic, di mana terdapat shock wave tetapi tidak ada daerah subsonic. Aliran hypersonic, di mana shock wave dan aliran lainnya berubah dengan sangat kuat.

Kecepatan suara yang digunakan dalam persamaan Mach Number (Ma) dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.8) [White, 2011]. a  ( k  R  T )1 / 2

(2.8)

dengan a adalah kecepatan suara yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s), k adalah specific heat ratio yang tidak mempunyai satuan, R adalah specific heat yang dinyatakan dalam satuan meter kuadrat per detik kuadrat Kelvin (m2/s2.K), dan T adalah temperatur yang dinyatakan dalam satuan Kelvin (K). Karena nilai specific heat ratio (k) untuk gas ideal diasumsikan mempunyai nilai 1,4 dan specific heat (R) untuk gas ideal mempunyai nilai 287 m2/s2.K, maka persamaan (2.8) dapat disederhanakan ke dalam bentuk persamaan lain yang dinyatakan dalam persamaan (2.9). a  20  T

2.9.

(2.9)

Reynolds Number (Re) Menurut Osborne Reynolds (1884), terdapat 3 (tiga) faktor utama yang

dapat mempengaruhi keadaan aliran, yaitu kekentalan zat cair (viskositas) (μ mu), rapat massa zat cair (ρ - rho), dan diameter pipa saluran (D). Perhitungan pada Reynolds number (Re) dituliskan ke dalam persamaan (2.10) [Triatmodjo, 2013].


33

Re 

  D V 

(2.10)

dengan Re adalah Reynolds number yang tidak mempunyai satuan,  (rho) adalah rapat massa yang dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik (kg/m3), D adalah diameter pipa saluran yang dinyatakan dalam satuan meter (m),

V adalah kecepatan aliran yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s), dan  adalah viskositas dinamik yang dinyatakan dalam satuan Newton detik per meter kuadrat (N.s/m2). karena,



 

(2.11)

dengan  adalah viskositas kinematik yang dinyatakan dalam satuan meter persegi per detik (m2/s), maka persamaan (2.11) dapat dimasukkan ke dalam persamaan (2.10) sehingga kedua persamaan tersebut akan menjadi: Re 

V D



(2.12)

Berdasarkan percobaan aliran dalam pipa yang telah dilakukan oleh Osborne Reynolds, ditetapkan rentang nilai Reynolds number (Re) yang dapat digunakan untuk membedakan antara aliran laminer, transisi, dan turbulen. Rentang nilai tersebut yaitu: a.

Apabila Re< 2000, maka termasuk jenis aliran laminer.

b.

Apabila 2000
c.

Apabila Re> 4000, maka termasuk jenis aliran turbulen.

d.

Nilai Re = 2000 dan nilai Re = 4000 disebut dengan batas kritis bawah dan batas kritis atas. Aliran transisi merupakan aliran yang terjadi akibat perubahan jenis

aliran dari laminer menjadi turbulen. Aliran transisi terjadi pada saat aliran


34

laminer melewati nilai Reynolds number (Re) pada batas kritis bawah (Re> 2000) dan berada di bawah nilai Reynolds number (Re) pada batas kritis atas (Re< 4000). Perubahan aliran tersebut diakibatkan oleh berkurangnya viskositas pada aliran laminer sehingga menyebabkan kecepatan aliran semakin meningkat. Untuk memberikan gambaran tentang perbedaan antara jenis aliran laminer, transisi, dan turbulen dapat dilihat pada Gambar 2.21.

Gambar 2.21 Aliran laminer, transisi, dan turbulen [Munson et al., 2009].

2.10.

Hukum Gas Ideal Gas mempunyai sifat yang lebih mudah untuk dimampatkan daripada

cairan. Kerapatan gas semakin meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan dan temperatur. Hubungan antara kerapatan massa gas (ρ), tekanan (p), dan temperatur (T) dapat dilihat melalui persamaan Hukum Gas Ideal yang dituliskan ke dalam persamaan (2.13).

p    R T

(2.13)

dengan rapat massa gas (ρ) dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik (kg/m3), tekanan (p) dinyatakan dalam satuan Pascal (Pa atau N/m2), temperatur dinyatakan dalam satuan Kelvin (K), dan specific heat (R) dinyatakan dalam satuan meter kuadrat per detik kuadrat Kelvin (m2/s2.K).


35

2.11.

Kinematika Fluida Aliran zat cair dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam

[Triatmodjo, 2013], antara lain: a.

Aliran invisid dan viskos

b.

Aliran kompresibel dan tak kompresibel

c.

Aliran laminer dan turbulen

d.

Aliran mantap (steady flow) dan tak mantap (unsteady flow)

e.

Aliran seragam dan tak seragam

2.11.1. Aliran Invisid dan Viskos Aliran invisid adalah aliran yang mempunyai nilai kekentalan zat cair (μ) dianggap nol (μ = 0). Akan tetapi, zat cair dengan nilai μ = 0 tidak ada di alam. Hal ini hanya dijadikan sebagai anggapan untuk menyederhanakan permasalahan yang sangat kompleks dalam hidraulika. Akibat nilai μ = 0, maka tidak terjadi tegangan geser antara partikel zat cair dengan partikel yang lainnya. Sehingga pada kondisi tertentu asumsi bahwa nilai μ = 0 dapat diterima untuk zat cair dengan nilai μ yang kecil seperti air [Triatmodjo, 2014]. Aliran viskos adalah aliran yang memperhitungkan nilai kekentalan (μ). Keadaan ini akan menyebabkan timbulnya tegangan geser antara partikel zat cair yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda. Apabila zat cair mengalir melalui bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas tersebut akan mempunyai kecepatan nol (diam). Kecepatan zat cair akan bertambah sesuai dengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat dalam atau lebar, aliran tidak lagi dipengaruhi oleh hambatan bidang batas. Pada daerah tersebut kecepatan aliran hampir seragam (fully developed velocity) [Triatmodjo, 2014]. Untuk dapat mengetahui proses terjadinya fully developed velocity dapat dilihat pada Gambar 2.22.


36

Gambar 2.22 Developing velocity profiles and pressure change [White, 2011].

Terdapat suatu persamaan yang terdapat pada kondisi fully developed velocity. Persamaan tersebut dituliskan ke dalam persamaan (2.14). Q   u  dA  const .

(2.14)

2.11.2. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel Semua jenis fluida (termasuk zat cair) termasuk jenis aliran kompresibel. Aliran kompresibel merupakan aliran yang nilai rapat massanya akan berubah sesuai dengan perubahan nilai tekanan. Akan tetapi pada aliran mantap dengan perubahan rapat massa yang kecil sering dilakukan penyederhanaan dengan menganggap bahwa zat cair merupakan aliran tidak kompresibel dan mempunyai nilai rapat massa yang konstan. Penyederhanaan ini tidak dapat dilakukan pada aliran tak mantap melalui pipa di mana dapat terjadi perubahan tekanan yang sangat besar [Triatmodjo, 2014].

2.11.3. Aliran Laminer dan Turbulen Aliran zat cair yang mempunyai nilai kekentalan (viskositas) disebut dengan aliran viskos. Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) tipe, yaitu aliran laminer dan turbulen [Triatmodjo, 2013].


37

2.11.3.1. Aliran Laminer Pada aliran laminer, partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran laminer terjadi apabila aliran mempunyai kecepatan aliran yang rendah dan viskostas yang tinggi [Triatmodjo, 2013].

Gambar 2.23 Aliran laminer - kecepatan aliran rendah [White, 2011].

Gambar 2.24 Aliran laminer dalam pipa [White, 2011].

2.11.3.2. Aliran Turbulen Pada aliran turbulen, gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran turbulen terjadi apabila aliran mempunyai kecepatan aliran yang tinggi dan viskositas yang rendah [Triatmodjo, 2013].

Gambar 2.25 Aliran turbulen - kecepatan aliran tinggi [White, 2011].

Gambar 2.26 Aliran turbulen dalam pipa [White, 2011].


38

2.11.4. Aliran Mantap dan Tak Mantap Aliran mantap (steady flow) terjadi apabila variabel pada aliran seperti kecepatan aliran (V), tekanan (p), rapat massa (ρ), luas penampang aliran (A), debit aliran (Q), dan lain sebagainya tidak berubah terhadap waktu. Keadaan yang terjadi pada aliran mantap dapat dituliskan dalam persamaan (2.15) [Triatmodjo, 2014]. V p  A Q  0;  0;  0;  0; 0 t t t t t

(2.15)

Sedangkan aliran tidak mantap (unsteady flow) terjadi apabila variabel pada aliran berubah terhadap waktu. Keadaan yang terjadi pada aliran tidak mantap dapat dituliskan dalam persamaan (2.16) [Triatmodjo, 2014]. V p  A Q  0;  0;  0;  0; 0 t t t t t

(2.16)

2.11.5. Aliran Seragam dan Tidak Seragam Suatu aliran disebut seragam (uniform flow) apabila tidak ada perubahan variabel aliran terhadap besar dan arah dari kecepatan aliran. Keadaan yang terjadi pada aliran seragam dapat dituliskan dalam persamaan (2.17) [Triatmodjo, 2014]. V p  A Q  0;  0;  0;  0; 0 s s s s s

(2.17)

Sedangkan aliran tak seragam (non uniform flow) terjadi apabila semua variabel aliran berubah terhadap besar dan arah kecepatan aliran. Keadaan yang terjadi pada aliran tidak seragam dapat dituliskan dalam persamaan (2.18) [Triatmodjo, 2014]. V p  A Q  0;  0;  0;  0; 0 s s s s s

2.12.

(2.18)

Viskositas (Kekentalan) Kekentalan adalah sifat zat cair yang dapat menyebabkan terjadinya

tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan mengubah sebagian


39

energi aliran menjadi bentuk energi lain seperti panas, suara, dan sebagainya. Perubahan bentuk energi tersebut akan menyebabkan aliran akan kehilangan tenaga [Triatmodjo, 2013].

2.12.1. Hukum Newton Tentang Kekentalan Zat Cair

Gambar 2.27 Newtonian shear distribution [White, 2011].

Gambar 2.28 Tegangan geser pada dua penampang paralel [Munson et al., 2009].

Hukum Newton tentang kekentalan zat cair menyatakan bahwa tegangan geser yang terjadi antara dua partikel zat cair yang berdampingan adalah sebanding dengan perbedaan kecepatan dari partikel yang bergerak [Triatmodjo,


40

2013]. Pernyataan tersebut dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.19) serta ditunjukkan pada Gambar 2.27 dan Gambar 2.28.

d   u

(2.19)

dy

dengan µ (mu) adalah viskositas dinamik yang dinyatakan dalam satuan Newton detik per meter kuadrat (N.s/m2) dan τ (tau) adalah tegangan geser yang dinyatakan dalam satuan Newton per meter persegi (N/m2). Seperti yang ditunjukkan pada persamaan (2.19), Gambar 2.27, dan Gambar 2.28 dapat diketahui bahwa pelat bagian bawah diam dan pelat bagian atas bergerak. Partikel fluida yang bersinggungan dengan plat yang bergerak mempunyai kecepatan yang sama dengan plat tersebut. Tegangan geser (τ) antara dua lapis zat cair adalah sebanding dengan gradien kecepatan dalam arah tegak lurus dengan gerak (du/dy).

2.13.

Pengukuran Debit Aliran

2.13.1. Teori Hambatan Bernoulli (Bernoulli Obstraction Theory)

Gambar 2.29 Perubahan tekanan dan kecepatan pada Bernoulli Obstruction Meter [White, 2011].


41

Suatu aliran melewati pipa yang mempunyai penampang dengan diameter mayor (D) akan mengalami desakan akibat terjadinya penyempitan penampang dengan ukuran diameter minor (d) sehingga menghasilkan rasio geometri (β) di antara kedua penampang tersebut.



d D

(2.20)

Penampang aliran akan menyempit ketika melewati vena contracta yang mempunyai nilai diameter D2 < d. Dengan menggunakan persamaan Bernoulli dan kontunyuitas, maka dapat diketahui besarnya debit aliran (Q) yang dituliskan dalam persamaan (2.21) [White, 2011].  2( p1  p 2 ) /   Q  At  Vt  C d  At   1  4  

1/ 2

(2.21)

dengan t merupakan notasi dari throat pada hambatan aliran, Cd merupakan discharge coefficient yang tidak mempunyai satuan, dimana Cd didapatkan dari fungsi dari nilai β dan ReD. Nilai Cd akan dipengaruhi oleh jenis alat pada Bernoulli Obstruction Meter yang digunakan. C d  f (  , Re D )

(2.22)

di mana,

Re D 

V1 D



2.13.2. Orifice Plate Orifice plate merupakan alat pada Bernoulli Obstruction Meter yang digunakan pada penelitian ini. Orifice plate yang digunakan merupakan jenis Thin Plate Orifice yang mempunyai hubungan antara nilai ReD dan Cd seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.30 [White, 2011].


42

Gambar 2.30 Grafik hubungan antara Red dan Cd untuk Thin Plate Orifice [White, 2011].

Thin Plate Orifice dapat dibuat dengan nilai β antara 0,2 sampai 0,8, dengan aturan bahwa ukuran d > 12.5 mm. Untuk mengukur besarnya tekanan pada p1 dan p2, biasanya digunakan 3 (tiga) tipe sambungan, yaitu: a.

Sambungan menyudut, dimana orifice plate menyambung langsung dengan dinding pipa.

b.

Sambungan D : ½ D, dimana orifice plate menyambung dengan jarak D pada pipa hulu, dan ½ D pada pipa hilir.

c.

Sambungan flens. Besarnya nilai Cd selain dapat diketahui melalui grafik pada Gambar 2.30

juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.23). C d  f (  )  91,71  

2,5

 Re D

 0 , 75

0,09   4   F1  0,0337   3  F2 4 1 

(2.23)

di mana, f (  )  0,5959  0,0312   2,1  0,184   8

(2.24)

sedangkan besarnya nilai F1 dan F2 untuk setiap tipe pada ketiga jenis sambungan orifice plate yaitu:


43

a.

Untuk sambungan menyudut F1 = 0

b.

Untuk sambungan D : ½ D F1 = 0.4333

c.

F2 = 0

F2 = 0.47

Untuk sambungan flens 1 D(in) F2 

1 D(in)

D  2,3

F1  0,4333

2,0  D  2,3


BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1.

Diagram Alir Penelitian Penelitian tentang performa pada steam ejector terhadap ukuran primary

nozzle exit position (NXP) terdiri atas berbagai macam proses dari awal hingga akhir yang dapat digambarkan melalui diagram alir pada Gambar 3.1. Mulai

Studi Pustaka Tentang Steam Ejector

Pembuatan Desain Steam Ejector

Konsultasi Desain Steam Ejector Dengan Dosen Pembimbing

Persiapan Alat dan Bahan Pembuatan Komponen Steam Ejector

Proses Pembuatan Komponen Steam Ejector: 1.

Boiler

2.

Evaporator

3.

Bed Mesin

4.

Ejector

5.

Condenser

A

44


45

A

Pengambilan Data Penelitian Pada Steam Ejector Dengan Menggunakan Variasi Pada Primary Nozzle Exit Position (NXP)

Tidak Data Penelitian yang Dibutuhkan Sudah Lengkap?

Ya

Analisis Data Penelitian

Hasil Analisis Data Penelitian Sudah Benar?

Ya

B

Tidak


46

B

Pembahasan Hasil Analisis Data Penelitian

Kesimpulan dan Saran

Selesai

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.

3.2.

Alat Penelitian

3.2.1.

Sistem Alat Penelitian

Ejector Boiler

Evaporator

Kondensor

Reservoir

Gambar 3.2 Skema sistem alat penelitian.


47

Tabel 3.1 Keterangan simbol pada skema sistem alat penelitian. No.

Simbol

Keterangan

1

Water Heater Element

2

Pressure Gauge

3

Thermocouple

4

Expansion Valve

5

Drain Valve

6

Manometer Pipa U

7

Circulating Pump

3.2.2.

Sistem Steam Ejector Penelitian ini menggunakan sistem steam ejector seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Sistem steam ejector.


48

Gambar 3.4 dan Gambar 3.5 menunjukkan skema dari steam ejector dan penampang aliran pada steam ejector yang digunakan pada penelitian ini. Sedangkan pada Gambar 3.6 menunjukkan komponen pada steam ejector beserta dengan ukuran komponennya. Skema steam ejector dirancang dan didesain dengan menggunakan program Solidworks 2013.

Gambar 3.4 Steam ejector yang digunakan pada penelitian.

Gambar 3.5 Penampang aliran pada steam ejector.


49

A

2

3

4

5

1

B Gambar 3.6 Komponen steam ejector pada penelitian beserta dengan ukurannya.

keterangan: A.

Primary fluid from boiler

B.

Secondary fluid from evaporator

1.

Suction chamber

2.

Primary nozzle

3.

Mixing Chamber

4.

Ejector throat

5.

Subsonic diffuser

3.3.

Variabel Penelitian Penelitian ini menggunakan 2 (dua) macam variabel penelitian, yaitu

variabel bebas dan variabel terikat. Variabel bebas dan variabel bebas yang digunakan pada penelitian ini mengacu pada beberapa penelitian yang telah dilakukan oleh Aphornratana dan Eames (1997), Sriveerakul et al. (2007), Chandra dan Ahmed (2014), dan Tashtoush et al. (2015).


50

3.3.1.

Variabel Bebas Terdapat beberapa macam variabel bebas yang digunakan pada penelitian

ini, di mana variabel bebas penelitian tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Variabel bebas pada penelitian. No. 1 2

3

3.3.2.

Nama Variabel Tekanan kerja pada fluida primer (primary pressure). Temperatur kerja pada fluida sekunder (secondary temperature). Jarak primary nozzle exit position yang terdapat di dalam ejector.

Simbol Pp Ts

NXP

Variabel Terikat Beberapa macam variabel terikat yang digunakan pada penelitian ini

dapat dilihat pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3 Variabel terikat pada penelitian. No. 1 2

Nama Variabel Laju aliran massa fluida primer (primary mass flow rate) Laju aliran massa fluida sekunder (secondary mass flow rate)

Simbol ṁp ṁs

3

Tekanan kerja fluida sekunder (secondary pressure)

Ps

4

Temperatur kerja saat keluar ejector

To

5

Tekanan kerja saat keluar ejector

Po

6

Selisih ketinggian ukuran pada Manometer Pipa U

Δh

7

Perbedaan tekanan yang terbaca pada Manometer Pipa U

ΔP

8

Rapat massa fluida (density)

ρ

9

Viskositas dinamik (dynamic viscosity)

μ

10

Viskositas kinematik (kinematic viscosity)

ν

11

Kecepatan aliran fluida (velocity)

V


51

12

Reynolds number

Re

13

Debit aliran

Q

2 (dua) parameter performa steam ejector : 14

3.4.

a.

Entrainment Ratio

ω

b.

Expansion Ratio

ER

Prosedur Penelitian Penelitian ini menggunakan beberapa macam variasi dalam pelaksanaan

pengujian. Variasi penelitian tersebut antara lain primary pressure, secondary temperature, dan ukuran primary nozzle exit position (NXP) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Tekanan dan temperatur pada boiler dan evaporator, beserta dengan ukuran NXP yang digunakan pada penelitian. Primary Pressure

Secondary Temperature

Primary Nozzle Exit Position

(bar)

(˚C)

(mm)

1

50

2

60

3

70

4

80

-5

0

+5

Variasi yang dilakukan pada penelitian ini mengacu pada beberapa penelitian tentang steam ejector yang telah dilakukan sebelumnya. Beberapa referensi penelitian tersebut merupakan penelitian yang telah dilakukan oleh Aphornratana dan Eames (1997), Sriveerakul et al. (2007), Chandra dan Ahmed (2014), dan Tashtoush et al. (2015). Untuk mengetahui secara jelas posisi dari variasi primary nozzle exit position (NXP) yang dilakukan pada penelitian ini, maka dapat dilihat pada gambar berikut.


52

Gambar 3.7 Primary nozzle exit position (NXP) +5 mm.

Gambar 3.8 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP +5 mm.


53

Gambar 3.9 Primary nozzle exit position (NXP) 0 mm.

Gambar 3.10 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP 0 mm.


54

Gambar 3.11 Primary nozzle exit position (NXP) -5 mm.

Gambar 3.12 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP -5 mm.


55

Prosedur pelaksanaan penelitian dilakukan dalam beberapa tahapan dari awal hingga akhir yang dapat dijelaskan melalui diagram alir seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.13. Mulai

Input Air Pada Boiler dan Evaporator Variasi Penelitian Awal Menggunakan Ukuran NXP 0 mm Heater Pada Boiler dan Evaporator Dihidupkan

Setting Tekanan Boiler (Primary Pressure) dan Temperatur Evaporator (Secondary Temperature) Sesuai Dengan Tabel 3.4 Tidak Primary Pressure dan Secondary Temperature Sudah Sesuai?

Ya

Primary Expansion Valve Dibuka Selisih ketinggian merkuri (air raksa) pada Manometer Pipa U diukur untuk menghitung debit aliran (Q). Primary temperature diukur denggan temperature controller (Thermocouple Type K dan Thermo Display APPA), sedangkan primary pressure diukur dengan menggunakan Bourdon Tube Pressure Gauge.

A


56

A

Secondary Expansion Valve Dibuka Selisih ketinggian merkuri (air raksa) pada Manometer Pipa U diukur untuk menghitung debit aliran (Q). Secondary temperature diukur dengan temperature controller (Thermocouple Type K dan Thermo Display APPA).

Mengganti Variasi Penelitian Pada Primary Pressure dan Secondary Temperature

Mengganti Variasi Penelitian Dengan NXP -5 mm dan NXP +5 mm Lakukan Prosedur Penelitian Dari Awal

Selesai Gambar 3.13 Diagram alir prosedur pelaksanaan penelitian.

3.5.

Alat Penelitian Terdapat berbagai macam alat yang digunakan pada penelitian ini.

Berbagai macam alat tersebut antara lain: 1.

Fluida kerja

2.

Boiler dengan water heater element 2000 Watt

3.

Evaporator dengan water heater element 1000 Watt

4.

Steam ejector

5.

Kondensor

6.

Alat ukur temperatur

7.

Alat ukur tekanan

8.

Alat ukur debit aliran


57

9.

Roll meter

10.

Stopwatch

3.5.1.

Fluida Kerja Penelitian ini akan menggunakan fluida kerja berupa air, di mana air

merupakan fluida kerja yang paling ramah lingkungan [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Properti air sebagai fluida kerja pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C ditunjukkan pada Tabel 3.5. Tabel 3.5 Properti air pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C [White, 2011]. No.

Properti

Nilai

Satuan

1

Temperatur (T)

20

˚C

2

Rapat massa (ρ)

998

kg/m3

3

Viskositas dinamik (μ)

1,80 x 10-5

N.s/m2

4

Viskositas kinematik (ν)

1,50 x 10-5

m2/s

3.5.2.

Boiler dengan Water Heater Element 2000 Watt

Gambar 3.14 Boiler.


58

Gambar 3.14 menunjukkan bagian boiler yang digunakan pada penelitian ini. Boiler dibuat dengan menggunakan material besi dengan ukuran diameter luar sebesar 220 mm, tinggi 500 mm, dan mempunyai ketebalan dinding sebesar 10 mm. Pada bagian dalam boiler terdapat water heater element dengan daya 2000 Watt seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.15, di mana spesifikasi teknisnya dapat dilihat pada Tabel 3.6.

Gambar 3.15 Water heater element 2000 Watt.

Tabel 3.6 Spesifikasi teknis water heater element 2000 Watt. Nama Produk


Material

Stainless Steel

Tegangan

220 Volt AC

Daya

2000 Watt

Tube Diameter

10 mm (0,39 inchi)

Screw Diameter

4 mm (0,16 inchi)

Male Thread Diameter

16 mm (0,6 inchi)

Warna

Silver Tone

Ukuran

280 mm x 85 mm x 23 mm

(L*D*H)

(11 inchi x 3,3 inchi x 0,9 inchi)

Berat

252 gram


59

3.5.3.

Evaporator dengan Water Heater Element 1000 Watt

Gambar 3.16 Evaporator.

Bagian evaporator yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.16. Sama halnya dengan boiler, evaporator juga dibuat dengan jenis material besi dengan ukuran diameter luar sebesar 220 mm, tinggi 500 mm, dan mempunyai ketebalan dinding sebesar 10 mm. Pada bagian dalam evaporator terdapat water heater element dengan daya 1000 Watt seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.17, di mana spesifikasi teknisnya dapat dilihat pada Tabel 3.7.

Gambar 3.17 Water heater element 1000 Watt.


60

Tabel 3.7 Spesifikasi teknis water heater element 1000 Watt.

3.5.4.

Nama Produk


Material

Stainless Steel

Tegangan

220 Volt AC

Daya

1000 Watt

Tube Diameter

10 mm (0,39 inchi)

Screw Diameter

-

Thread Diameter

15 mm (0,59 inchi)

Warna

Black-Grey

Ukuran

220 mm x 80 mm

(L*W)

(8,7 inchi x 3,1 inchi)

Berat

212 gram

Steam Ejector Penelitian ini menggunakan steam ejector seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.18 dan mempunyai data teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.8. Steam ejector dibuat dengan jenis material baja lunak (mild steel).

Gambar 3.18 Steam ejector.


61

Tabel 3.8 Spesifikasi teknis steam ejector. 2 mm

Diameter Nozzle

a. -5 mm b. 0 mm

Jarak NXP

c. 5 mm Diameter Pipa Secondary

33 mm

Diameter Suction Chamber

26,5 mm

Sudut Konvergen Suction Chamber Diameter Mixing Chamber

8 mm

Sudut Divergen Diffuser

18,5º

Diameter Diffuser

24 mm

Panjang Steam Ejector (Tanpa Mixing Chamber) Panjang Mixing Chamber

3.5.5.

18º

218,8 mm 50 mm

Kondensor Penelitian ini menggunakan kondensor yang dibuat dengan menggunakan

jenis material stainless steel dengan tebal dinding sebesar 2 mm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19 Kondensor.


62

3.5.6.

Alat Ukur Temperatur Alat ukur temperatur yang digunakan pada penelitian ini terdiri atas 2

(dua) bagian. Bagian yang pertama yaitu thermocouple type K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.20 dan mempunyai spesifikasi teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.9. Thermocouple type K digunakan sebagai alat untuk melakukan pengukuran temperatur yang digunakan pada penelitian ini.

Gambar 3.20 Thermocouple type K.

Tabel 3.9 Spesifikasi teknis thermocouple type K. Thermocouple

Overall Range

0,1 °C

0,025 °C

Type

(°C)

Resolution

Resolution

K

-270 to 1370

-270 to 1370

-250 to 1370

Sedangkan bagian yang kedua adalah thermo display APPA seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.21 dan mempunyai spesifikasi teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.10. thermo display APPA digunakan sebagai layar yang


63

menunjukkan besarnya nilai temperatur yang dihasilkan dari proses pembacaan ukuran. Dalam aplikasinya, thermo display APPA disambungkan dengan thermocouple type K.

Gambar 3.21 Thermo display APPA.

Tabel 3.10 Spesifikasi teknis thermo display APPA. APPA

Measurement

K-Type

Temperature

Accuracy

Coefficient

Resolution Type

Range

3. ±0,3% + 1,1 ºC at -210 ºC to -100 ºC -200 ºC 0.1 ºC ≤ 53II

to 1000 ºC 1372 ºC

4. ±0,1% + 0,8 ºC at

0,1 x (Spec Acc.)/ ºC

-99 ºC to -999,9 ºC; 5. ±0,3% + 1 ºC at -1000 ºC to -1200 ºC

< 18 ºC or > ºC


64

3.5.7.

Alat Ukur Tekanan

Gambar 3.22 Bourdon tube pressure gauge.

Penelitian ini menggunakan alat ukur tekanan berupa bourdon tube pressure gauge seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.22 dan mempunyai spesifikasi teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.11.

Tabel 3.11 Spesifikasi teknis bourdon tube pressure gauge. Bourdon Tube Type Tekiro AU PG100C

3.5.8.

Overall

Overall

Range

Range

(bar)

(psi)

0 to 6

0 to 80

Resolution

Resolution

(bar)

(psi)

0,25

2,5

Alat Ukur Debit Aliran Penelitian ini menggunakan alat ukur debit aliran berupa orifice plate

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.23. orifice plate digunakan untuk mengukur laju aliran massa dari suatu aliran. Karena orifice plate memiliki perbedaan penampang pada kedua sisinya, maka akan menghasilkan perbedaan tekanan yang dihasilkan oleh suatu aliran. Perbedaan tekanan aliran yang dihasilkan akan dilakukan pembacaan ukuran melalui alat ukur Manometer Pipa


65

U Air Raksa sehingga dapat digunakan untuk melakukan perhitungan terhadap besarnya laju aliran massa suatu aliran. Air raksa yang digunakan pada Manometer Pipa U dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.24 beserta dengan propertinya yang ditunjukkan pada Tabel 3.12.

Gambar 3.23 Orifice plate.

Gambar 3.24 Air raksa.

Tabel 3.12 Properti air raksa pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C [White, 2011]. No.

Properti

Nilai

Satuan

1

Temperatur (T)

20

˚C

2

Rapat massa (ρ)

13.550

kg/m3

3

Viskositas dinamik (μ)

1,56 x 10-3

N.s/m2

4

Viskositas kinematik (ν)

1,15 x 10-7

m2/s


66

3.5.9.

Roll Meter Pada penelitian ini roll meter digunakan sebagai alat bantu pembacaan

ukuran pada Manometer Pipa U Air Raksa. Bentuk dari roll meter yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.25, sedangkan aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa dapat dilihat pada Gambar 3.26.

Gambar 3.25 Roll meter.

Gambar 3.26 Aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa.


BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui performa steam ejector berdasarkan nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER). Penelitian ini menggunakan variasi tekanan kerja pada boiler (primary pressure), temperatur kerja pada evaporator (secondary temperature), dan primary nozzle exit position (NXP). Primary pressure (Pp) menggunakan 4 (empat) variasi tekanan, yaitu 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar. Secondary temperature (Ts) menggunakan 4 (empat) variasi temperatur, yaitu 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Sedangkan primary nozzle exit position (NXP) menggunakan 3 (tiga) variasi ukuran, yaitu -5 mm, 0 mm, dan +5 mm. Berbagai macam variasi yang dilakukan pada penelitian ini digunakan untuk mengetahui besarnya nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER) beserta dengan hubungan antara kedua nilai tersebut terhadap performa steam ejector. Besarnya nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER) dapat diketahui melalui grafik hasil penelitian beserta dengan pembahasan yang disajikan pada pembahasan hasil penelitian berikut ini.

4.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Setiap Secondary Temperature Entrainment ratio dapat diartikan sebagai perbandingan antara laju aliran

massa fluida sekunder (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa fluida primer (primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014]. Primary mass flow rate dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan kerja primary fluid. Primary mass flow rate meningkat apabila primary temperature dan primary pressure meningkat. Akan tetapi, kedua hal inilah yang dapat mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun [Ma et al., 2010].

67


68

4.1.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 50 ˚C

Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4

NXP -5 mm NXP 0 mm NXP +5 mm

-0,6 1

2

3

4

Primary Pressure (bar)

Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 50 ˚C.

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio menurun seiring dengan meningkatnya primary pressure. Primary pressure mempunyai nilai tekanan yang sangat rendah saat melewati primary nozzle yang diakibatkan karena efek penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan antara tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder (secondary pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat dan terhisap ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Apabila primary pressure terus meningkat dan mengakibatkan primary pressure lebih besar daripada secondary pressure saat melewati primary nozzle, maka akan terjadi back pressure. Back pressure terjadi karena area penghisapan (entrained duct) pada area mixing chamber semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak terhisap ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada primary fluid


69

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0 mm dan NXP -5 mm. Sedangkan back pressure tejadi pada NXP 0 mm dengan nilai entrainment ratio 0,3652 pada primary pressure 1 bar, dan pada NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio -0,1072 dan -0,0800 pada primary pressure 3 bar dan 4 bar.

4.1.2.


Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 1

2

3

4



Gambar 4.2 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio menurun apabila primary pressure meningkat. Primary pressure mempunyai nilai tekanan yang sangat rendah saat melewati primary nozzle yang diakibatkan karena efek penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan antara tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder (secondary pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat dan terhisap ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Primary pressure yang


70

terus meningkat melebihi secondary pressure saat melewati primary nozzle akan mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure terjadi karena area penghisapan (entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0 mm dan NXP -5 mm, dimana terjadi back pressure dengan nilai entrainment ratio -0,0625 pada primary pressure 4 bar. Untuk NXP 0 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 1 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,4049 dan -0,1957. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 3 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1071 dan -0,0904.

4.1.3.


Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 1

2

3

4




71

Gambar 4.3 menunjukkan bahwa meningkatnya primary pressure mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun. Primary pressure mempunyai nilai tekanan yang sangat rendah saat melewati primary nozzle karena efek penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan antara tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder (secondary pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat dan terhisap ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Primary pressure yang terus meningkat melebihi secondary pressure saat melewati primary nozzle akan mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure terjadi karena area penghisapan (entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0 mm dan NXP -5 mm, dimana terjadi back pressure pada primary pressure 3 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1159 dan -0,0756. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 1 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,5307 dan -0,2320. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 1 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1802, -0,1217, dan -0,0800.

4.1.4.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 80 ˚C Gambar 4.4 menunjukkan bahwa back pressure sering terjadi pada

secondary temperature 80 ˚C. Back pressure terjadi karena area penghisapan (entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 3 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment


72

ratio -0,1265 dan -0,0835. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 1 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,4430, -0,2798, dan -0,2545. Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada primary pressure 2 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1618, -0,1022, dan -0,0792. Dari grafik analisis pada secondary temperature 80 ˚C, dapat disimpulkan bahwa tidak terdapat NXP yang mempunyai nilai entrainment ratio optimal.

Entrainment Ratio

0,4


0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 1

2

3

4



4.2.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Setiap Primary Pressure Nilai entrainment ratio dipengaruhi oleh 2 (dua) faktor utama, yaitu laju

aliran massa fluida sekunder (secondary mass flow rate) dan laju aliran massa fluida primer (primary mass flow rate). Primary mass flow rate dipengaruhi oleh primary temperature dan primary pressure, sedangkan secondary mass flow rate dipengaruhi oleh secondary temperature dan secondary pressure. Kecepatan aliran pada secondary fluid akan meningkat apabila secondary pressure pada


73

saluran evaporator lebih besar daripada tekanan pada primary fluid yang melewati primary nozzle. Hal ini mengakibatkan semakin banyaknya secondary fluid yang terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, sehingga secondary mass flow rate dan nilai entrainment ratio semakin meningkat [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

4.2.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 1 bar

Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0


-0,2 -0,4 -0,6 0

50

60

70

80

Secondary Temperature (C)

Gambar 4.5 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 1 bar.

Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio semakin meningkat seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Secondary temperature yang semakin meningkat akan mengakibatkan secondary pressure meningkat dan mempunyai tekanan yang lebih besar daripada primary pressure yang telah melewati primary nozzle. Hal inilah yang mengakibatkan secondary fluid banyak terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid semakin meningkat. Kecepatan


74

aliran secondary fluid meningkat akan mengakibatkan secondary mass flow rate meningkat, sehingga nilai entrainment ratio semakin meningkat [Zhu dan Jiang, 2014]. NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm. Sedangkan pada NXP 0 mm, back pressure terjadi untuk semua secondary temperature dengan nilai entrainment ratio -0,3652, 0,4049, -0,5307, dan -0,4430 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Back pressure yang terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir masuk ke dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

4.2.2.


Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 NXP -5 mm NXP 0 mm NXP +5 mm

-0,4 -0,6 0

50

60

70

80




75

Gambar 4.6 menunjukkan bahwa secondary temperature yang semakin meningkat mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin meningkat. Nilai entrainment ratio meningkat diakibatkan oleh besarnya secondary mass flow rate, dimana secondary mass flow rate yang semakin meningkat dipengaruhi oleh banyaknya secondary fluid yang terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber. Banyaknya secondary fluid yang terhisap ke dalam area mixing chamber dipengaruhi oleh perbedaan tekanan antara secondary fluid pada saluran evaporator dengan tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle, di mana tekanan secondary fluid pada saluran evaporator lebih besar daripada tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle [Zhu dan Jiang, 2014]. NXP -5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP +5 mm, walaupun nilai entrainment ratio sempat menurun dengan nilai 0,1271 pada primary pressure 2 bar. Sedangkan back pressure hanya terjadi satu kali dengan nilai entrainment ratio -0,1618 pada primary pressure 4 bar untuk NXP +5 mm. Back pressure terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada secondary fluid. Hal ini mengakibatkan aliran primary fluid akan mengalir masuk ke dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

4.2.3.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 3 bar Gambar 4.7 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai entrainment ratio

yang optimal untuk variasi secondary temperature pada primary pressure 3 bar, dimana back pressure sering terjadi pada kondisi pengoperasian ini. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada secondary temperature 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,2798. Pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada secondary temperature 70 ˚C dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,1159 dan -0,1022. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada semua


76

secondary temperature dengan nilai entrainment ratio -0,1072, -0,1071, -0,1217, dan -0,1265 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.

Entrainment Ratio


-0,4 -0,6 0

50

60

70

80



Terjadinya back pressure diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber menjadi sempit karena pengaruh meningkatnya primary pressure. Hal ini akan mengakibatkan proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak berlangsung dengan optimal [Sriveerakul et al., 2007]. Back pressure juga dipengaruhi oleh tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir masuk ke dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


77

4.2.4.


Entrainment Ratio

0,4


0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 0

50

60

70

80



Gambar 4.8 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai optimal pada entrainment ratio, dimana nilai entrainment ratio cenderung tidak stabil untuk meningkatnya secondary temperature dan banyaknya back pressure yang terjadi. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada secondary temperature 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,1957, -0,2320, dan -0,2545. Pada NXP +5 mm, back pressure juga terjadi pada secondary temperature 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,0625, -0,0756, dan -0,0792. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi untuk semua secondary temperature dengan nilai entrainment ratio -0,0800, -0,0904, -0,0800, dan 0,0835 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Back pressure yang terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber menjadi sempit karena


78

pengaruh meningkatnya primary pressure. Hal ini akan mengakibatkan proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak berlangsung dengan optimal [Sriveerakul et al., 2007]. Selain itu, back pressure juga dipengaruhi oleh tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir masuk ke dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

4.3.

Pengaruh Secondary Temperature Terhadap Nilai Expansion Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm

Secondary Temperature 50 C

30


Expansion Ratio


24


18 12 6

1

2

3

4


Gambar 4.9 Grafik pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm.

Gambar 4.9 menunjukkan bahwa nilai expansion ratio semakin meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure untuk semua primary nozzle exit position (NXP). Expansion ratio merupakan perbandingan antara tekanan pada fluida primer (primary pressure) dengan tekanan pada fluida sekunder (secondary pressure) [Chandra dan Ahmed, 2014]. Oleh karena itu, nilai expansion ratio mempunyai nilai yang tinggi pada saat nilai secondary


79

temperature paling rendah. Hal ini dapat dibuktikan melalui grafik pada Gambar 4.9, dimana nilai expansion ratio paling tinggi terletak pada secondary temperature 50 ˚C dan terus meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887 pada primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar. Sedangkan nilai expansion ratio paling rendah akan dihasilkan pada saat nilai secondary temperature paling tinggi, dimana pada secondary temperature 80 ˚C menghasilkan nilai expansion ratio paling rendah dan terus meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure dengan nilai expansion ratio sebesar 2,1101, 4,2203, 6,3304, dan 8,4406 pada primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar.

4.4.

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Expansion Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm Gambar 4.10 menunjukkan bahwa nilai expansion ratio semakin

menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Expansion ratio dapat diartikan sebagai perbandingan antara primary pressure dengan secondary pressure [Chandra dan Ahmed, 2014], dimana nilai expansion ratio meningkat apabila primary pressure meningkat dan secondary temperature menurun, sedangkan nilai expansion ratio menurun apabila primary pressure menurun dan secondary temperature meningkat. Hal ini dapat dibuktikan melalui grafik pada Gambar 4.10, dimana nilai expansion ratio paling tinggi dihasilkan saat primary pressure 4 bar dan terus menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature dengan nilai expansion ratio sebesar 32,3887, 20,5761, 12,8246, dan 8,4406 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Sedangkan nilai expansion ratio paling rendah dihasilkan saat primary pressure 1 bar, dimana nilainya terus menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 5,1440, 3,2062, dan 2,1101 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.


80

Primary Pressure 1 bar Primary Pressure 2 bar Primary Pressure 3 bar Primary Pressure 4 bar

Expansion Ratio

30 24 18 12 6

0

50

60

70

80


Gambar 4.10 Grafik pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm.

4.5.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Secondary Temperature Expansion ratio merupakan perbandingan antara primary pressure

dengan

secondary

pressure,

sedangkan

entrainment

ratio

merupakan

perbandingan antara secondary mass flow rate dengan primary mass flow rate [Chandra dan Ahmed, 2014]. Nilai entrainment ratio akan meningkat apabila secondary mass flow rate meningkat, dimana meningkatnya secondary mass flow rate diakibatkan oleh secondary temperature yang meningkat. Secondary temperature yang terus meningkat akan mengakibatkan secondary pressure meningkat, sehingga nilai expansion ratio semakin menurun. Oleh karena itu, terjadi hubungan yang berbanding terbalik antara nilai expansion ratio dengan nilai entrainment ratio.


81

4.5.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 50 ˚C

Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 0

8

12

16

20

24

28

32

Expansion Ratio

Gambar 4.11 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary temperature 50 ˚C.

Gambar 4.11 menunjukkan bahwa semakin meningkatnya nilai expansion ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun. Nilai expansion ratio meningkat diakibatkan oleh semakin meningkatnya primary pressure. Akan tetapi, dengan semakin meningkatnya primary pressure akan mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun, dimana primary pressure yang semakin meningkat akan mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid semakin meningkat yang mengakibatkan primary mass flow rate meningkat [Ma et al., 2010]. Tingginya nilai expansion ratio juga dapat mengakibatkan terjadinya back pressure, dimana tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit, sehingga dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul


82

et al., 2007]. NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 pada nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887.

4.5.2.


Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 0

4

8

12

16

20

Expansion Ratio


Gambar 4.12 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio akan menurun seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio. Menurunnya nilai entrainment ratio diakibatkan oleh primary pressure yang terus meningkat sehingga mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid akan meningkat dan meningkatkan primary mass flow rate [Ma et al., 2010]. Akan tetapi, hal inilah yang mengakibatkan nilai expansion ratio meningkat, dimana primary pressure terus meningkat melebihi secondary pressure yang dihasilkan oleh meningkatnya secondary temperature. Dengan semakin meningkatnya nilai expansion ratio


83

dapat mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure diakibatkan oleh tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit, sehingga dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007]. NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm, dimana nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,2136, 0,1175, dan 0,0842 pada nilai expansion ratio sebesar 5,1440, 10,2881, dan 15,4321, kemudian terjadi back pressure dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,0625 pada nilai expansion ratio sebesar 20,5761.

4.5.3.


Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 0

2

4

6

8

10

12

14

Expansion Ratio



84

Gambar 4.13 menunjukkan bahwa terjadi banyak back pressure seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio untuk semua primary nozzle exit position (NXP). Back pressure ditandai dengan terus menurunnya nilai entrainment ratio, sehingga entrainment ratio mempunyai nilai negatif. Back pressure sering terjadi pada NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,1802, -0,1217, dan -0,0800 pada nilai expansion ratio 3,2062, 9,6185, dan 12,8246. Back pressure terjadi karena tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Hal tersebut mengakibatkan fluida campuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak mengalir menuju area ejector throat, melainkan dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].

4.5.4.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 80 ˚C Gambar 4.14 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai optimal pada

hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary temperature 80 ˚C untuk semua primary nozzle exit position (NXP). Back pressure ditandai dengan terus menurunnya nilai entrainment ratio, sehingga entrainment ratio mempunyai nilai negatif. Back pressure terjadi diakibatkan oleh tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Hal tersebut mengakibatkan fluida campuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak mengalir menuju area ejector throat, melainkan dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].


85

Entrainment Ratio

0,4


0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 0

2

4

6

8

Expansion Ratio


Back pressure sering terjadi pada NXP 0 mm dan NXP +5 mm. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada nilai expansion ratio 2,1101, 6,3304, dan 8,4406 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,4430, -0,2798, dan -0,2545. Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada nilai expansion ratio 4,2203, 6,3304, dan 8,4406 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1618, 0,1022, dan -0,0792.

4.6.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Primary Pressure Semakin meningkatnya primary pressure akan mengakibatkan nilai

expansion ratio semakin meningkat. Di sisi lain, dengan semakin meningkatnya primary pressure akan mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid semakin meningkat dan akan meningkatkan primary mass flow rate, sehingga nilai entrainment ratio akan menurun [Ma et al., 2010]. Nilai expansion ratio yang terus meningkat dapat mengakibatkan terjadinya back pressure, dimana tekanan


86

primary fluid yang melewati primary nozzle lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna ke dalam area mixing chamber, melainkan primary fluid dapat mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].

4.6.1.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 1 bar

Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0


-0,2 -0,4 -0,6 0,0

2

4

6

8

Expansion Ratio

Gambar 4.15 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 1 bar. Gambar 4.15 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio semakin menurun seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio. Menurunnya nilai entrainment ratio diakibatkan karena primary pressure yang terus meningkat, sehingga kecepatan aliran pada primary fluid semakin meningkat dan mengakibatkan primary mass flow rate semakin meningkat [Ma et al., 2010]. Primary mass flow rate yang meningkat saat keluar dari primary nozzle merupakan tanda bahwa tekanan pada primary fluid saat keluar dari primary nozzle masih tinggi, dimana tekanan primary fluid saat keluar dari primary nozzle


87

lebih tinggi daripada tekanan pada secondary fluid. Hal inilah yang mengakibatkan nilai entrainment ratio sangat rendah dan dapat terjadi back pressure, dimana primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing chamber melalui primary nozzle mempunyai tekanan yang tinggi dan secondary fluid mempunyai tekanan dan kecepatan aliran yang rendah. Kecepatan aliran yang rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate sangat rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, melainkan primary fluid dapat mengalir ke dalam saluran evaporator karena tekanan pada primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada tekanan pada secondary fluid [Sriveerakul et al., 2007]. Di sisi lain, primary pressure yang semakin meningkat akan mengkibatkan nilai

expansion ratio

semakin meningkat,

dimana

perbandingan antara primary pressure lebih besar daripada seondary pressure [Chandra dan Ahmed, 2014]. Oleh karena itu, seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin menurun. NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2571, 0,2336, 0,2136, dan 0,2100 pada nilai expansion ratio 2,1101, 3,2062, 5,1440, dan 8,9072. Sedangkan pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada untuk semua hubungan yang terjadi antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,4430, -0,5307, -0,4049, dan -0,3652 pada nilai expansion ratio 2,1101, 3,2062, 5,1440, dan 8,0972.

4.6.2.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 2 bar Gambar 4.16 menunjukkan bahwa semakin meningkat nilai expansion

ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin menurun. Hal ini diakibatkan karena semakin meningkatnya primary pressure akan meningkatkan nilai expansion ratio, dimana perbandingan antara primary pressure lebih besar


88

daripada secondary pressure yang dipengaruhi oleh secondary temperature [Chandra dan Ahmed, 2014]. Akan tetapi, primary pressure yang terus meningkat akan mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun, dimana laju aliran pada primary fluid saat melewati primary nozzle yang tinggi sehingga mengakibatkan tingginya tekanan primary fluid pada ujung nozzle. Hal ini akan mengakibatkan secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Akibat adanya perbedaan tekanan primary fluid pada ujung nozzle dan secondary fluid pada saluran evaporator, dimana tekanan primary fluid lebih tinggi daripada secondary fluid, maka primary fluid tidak akan mengalir menuju bagian ejector throat dan menghisap secondary fluid, melainkan primary fluid akan mengalir masuk ke dalam saluran evaporator. Di sinilah terjadinya back pressure [Ma et al., 2010] [Sriveerakul et al., 2007].

Entrainment Ratio

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4


-0,6 0

4

6

8

10

12

14

16

Expansion Ratio

Gambar 4.16 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 2 bar.

Nilai optimal pada hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio terletak pada NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,1390, 0,1324, 0,1271, dan 0,1293 pada nilai expansion ratio sebesar


89

4,2203, 6,4123, 10,2881, dan 16,1943. Sedangkan back pressure terjadi pada NXP +5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1618 pada nilai expansion ratio sebesar 4,2203.

4.6.3.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 3 bar

Entrainment Ratio


-0,4 -0,6 0

5

10

15

20

25

Expansion Ratio


Gambar 4.17 menunjukkan bahwa tidak ada nilai optimal pada hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 3 bar, dimana terjadi banyak back pressure. Pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada semua nilai pada hubungan antara nilai expansion ratio dengan nilai entrainment ratio dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1265, -0,1217, 0,1071, dan -0,1072 pada nilai expansion ratio sebesar 6,3304, 9,6185, 15,4321, dan 24,2915. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio sebesar 6,3304 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,2798. Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio sebesar 6,3304 dan


90

9,6185 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1022 dan -0,1159. Back pressure terjadi diakibatkan oleh primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing chamber melalui primary nozzle mempunyai tekanan yang tinggi, sedangkan secondary fluid mempunyai tekanan dan kecepatan aliran yang rendah. Kecepatan aliran yang rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate sangat rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Perbedaan tekanan primary fluid pada ujung nozzle dengan tekanan secondary fluid pada saluran evaporator, dimana tekanan primary fluid lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, dapat mengakibatkan aliran primary fluid mengalir menuju saluran evaporator dan menyebabkan terjadinya back pressure [Sriveerakul et al., 2007].

4.6.4.

Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 4 bar Gambar 4.18 menunjukkan bahwa hubungan antara nilai expansion ratio

dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 4 bar tidak mempunyai nilai optimal yang diakibatkan karena back pressure yang sering terjadi. Back pressure terjadi diakibatkan oleh primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing chamber melalui primary nozzle mempunyai kecepaan aliran dan tekanan yang tinggi, sedangkan secondary fluid yang mengalir melalui saluran evaporator mempunyai kecepatan aliran dan tekanan yang rendah. Kecepatan aliran yang rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate sangat rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Sedangkan perbedaan tekanan antara primary fluid dan secondary fluid yang terjadi pada ujung nozzle dan saluran evaporator dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator yang diakibatkan oleh tekanan primary fluid pada ujung nozzle


91

lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid pada saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].

Entrainment Ratio

0,4


0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 0

8

12

16

20

24

28

32

Expansion Ratio


Pada NXP -5 mm, back pressure terjadi untuk semua hubungan yang terjadi antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio, dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,0835, -0,0800, -0,0904, dan -0,0800 pada nilai expansion ratio sebesar 8,4406, 12,8246, 20,5761, dan 32,3887. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada nilai expansion ratio sebesar 8,4406, 12,8246, dan 20,5761 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,2545, -0,2320, dan -0,1957. Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio sebesar 8,4406, 12,8246, dan 20,5761 dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,0792, -0,0756, dan -0,0625.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.

Kesimpulan Dari hasil penelitian dan analisis tentang performa steam ejector

berdasarkan nilai entrainment ratio dan expansion ratio untuk variasi primary pressure dan secondary temperature terhadap pengaruh primary nozzle exit position (NXP), maka dapat diambil beberapa kesimpulan sesuai dengan tujuan penelitian yang ingin dicapai sebagai berikut: 1.

Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada nilai entrainment

ratio

untuk

setiap

secondary

temperature

dengan

menggunakan variasi pada primary pressure. Nilai entrainment ratio semakin menurun seiring dengan meningkatnya primary pressure. Dari variasi NXP yang dilakukan, yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm, nilai entrainment ratio yang optimal dihasilkan NXP +5 mm pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, dan 70 ˚C dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 untuk secondary temperature 50 ˚C; 0,2136, 0,1175, 0,0842, dan -0,0625 untuk secondary temperature 60 ˚C; 0,2336, 0,1099, -0,1159, dan -0,0756 untuk secondary temperature 70 ˚C. 2.

Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada nilai entrainment ratio untuk setiap primary pressure dengan menggunakan variasi pada secondary temperature. Nilai entrainment ratio semakin meningkat seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Dari variasi NXP yang dilakukan, yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm, nilai entrainment ratio yang optimal dihasilkan NXP +5 mm pada primary pressure 1 bar dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2100, 0,2136, 0,2336, dan 0,2571, serta NXP -5 mm pada primary pressure 2 bar dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,1293, 0,1271, 0,1324, dan 0,1390.

92


93

3.

Secondary temperature mempunyai pengaruh pada nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada semua primary nozzle exit position (NXP), yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm. Semakin rendah secondary temperature menghasilkan nilai expansion ratio yang tinggi dan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure. Nilai expansion ratio paling tinggi dihasilkan pada secondary temperature 50 ˚C dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887, sedangkan nilai expansion ratio paling rendah dihasilkan pada secondary temperature 80 ˚C dengan nilai expansion ratio sebesar 2,1101, 4,2203, 6,3304, dan 8,4406.

4.

Primary pressure mempunyai pengaruh pada nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada semua primary nozzle exit position (NXP), yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm. Semakin tinggi primary pressure akan menghasilkan nilai expansion ratio yang tinggi dan akan menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Nilai expansion ratio paling tinggi dihasilkan pada primary pressure 4 bar dengan nilai expansion ratio sebesar 32,3887, 20,5761, 12,8246, dan 8,4406, sedangkan nilai expansion ratio paling rendah dihasilkan pada primary pressure 1 bar dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 5,1440, 3,2062, dan 2,1101.

5.

Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio untuk setiap secondary temperature. Nilai entrainment ratio semakin menurun seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio, dimana hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP +5 mm pada secondary temperature 50 ˚C dan 60 ˚C. Untuk secondary temperature 50 ˚C, nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 pada nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887. Sedangkan untuk


94

secondary temperature 60 ˚C, nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,2136, 0,1175, 0,0842, dan -0,0625 pada nilai expansion ratio sebesar 5,1440, 10,2881, 15,4321, dan 20,5761. 6.

Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio untuk setiap primary pressure. Nilai entrainment ratio semakin menurun seiring dengan meningkatnya expansion ratio. Hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP +5 mm pada primary pressure 1 bar dan NXP -5 mm pada primary pressure 2 bar. Untuk NXP +5 mm pada primary pressure 1 bar, nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,2571, 0,2336, 0,2136, dan 0,2100 pada nilai expansion ratio sebesar 2,1101, 3,2062, 5,1440, dan 8,9072. Sedangkan untuk NXP -5 mm pada primary pressure 2 bar, nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,1310, 0,1324, 0,1271, dan 0,1293 pada nilai expansion ratio sebesar 4,2203, 6,4123, 10,2881, dan 16,1943.

5.2.

Saran Setelah melakukan penelitian dan analisis tentang performa steam

ejector, terdapat beberapa macam hal yang perlu diperhatikan dan dilakukan perbaikan, antara lain: 1.

Pipa saluran pada evaporator dipasang hingga dasar tabung evaporator, sehingga fenomena pada steam ejector terlihat lebih jelas dan dapat menghasilkan grafik analisis penelitian yang lebih baik.

2.

Pada bagian ejector dan ejector throat dipasang pressure manifold untuk jarak tertentu. Hal ini dilakukan agar dapat mengetahui pressure drop dan fenomena aliran fluida yang melewati seluruh bagian steam ejector.

3.

Mengoptimalkan kinerja pada bagian kondensor.

4.

Sistem grounding pada kelistrikan steam ejector perlu diperhatikan dengan lebih cermat. Hal ini perlu dilakukan mengingat besarnya daya


95

listrik yang dibutuhkan sebagai sumber tenaga pada water heater element pada bagian boiler maupun evaporator. 5.

Diperlukan penelitian lebih lanjut tentang steam ejector, sehingga dapat digunakan untuk mengetahui dan menentukan performa pada steam ejector yang paling baik.


DAFTAR PUSTAKA Akterian, S. (2011) : Improving the Energy Efficiency of Traditional Multi Stage Steam Jet Ejector Vacuum Systems for Deodorizing Edible Oils, 11th International Congress on Engineering and Food (ICEF11), 1, 17851791. Aphornratana, S., Eames, I. W. (1997) : A Small Capacity Steam Ejector Refrigerator: Experimental Investigation of a System Using Ejector With Moveable Primary Nozzle, International Journal of Refrigeration, 20, 352-358. Besagni, G., Mereu, R., Inzoli, F. (2016) : Ejector Refrigeration: A Comprehensive Review, Journal of Renewable and Sustainable Energy Review, 53, 373-407. Cardemil, J. M., Colle, S. (2012) : A General Model for Evaluation of Vapor Ejectors Performance for Application in Refrigeration, Journal of Energy Conversion and Management, 64, 79-86. Chandra, V. V., Ahmed, M. R. (2014) : Experimental and Computational Studies on a Steam Jet Refrigeration System With Constant Area and Variable Area Ejectors, Journal of Energy Conversion and Management, 79, 377386. Chen, J., Jarall, S., Havtun, H., Palm, B. (2015) : A Review on Versatile Ejector Applications in Refrigeration System, Journal of Renewable and Sustainable Energy Review, 49, 67-90. Chunnanond, K., Aphornratana, S. (2004) : An Experimental Investigation of a Steam Ejector Refrigerator: The Analysis of the Pressure Profile Along the Ejector, Journal of Applied Thermal Engineering, 24, 311-322. Fiyanto, A., Mulaika, H., Hidayati, N., Shahab, N., Guerrero, L. (2010). “Batubara Mematikan - Bagaimana Rakyat Indonesia Membayar Mahal Untuk Bahan Bakar Terkotor di Dunia”. Walhi: Greenpeace Asia Tenggara. Ismantoro, A. P. (2016). “Analisis Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy Mesin PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang”, Tugas Akhir, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Ma, X., Zhang, W., Omer, S. A., Riffat, S. B. (2010) : Experimental Investigation of a novel Steam Ejector Refrigerator Suitable for Solar Energy Applications, Journal of Applied Thermal Engineering, 30, 1320-1325.

96


97

Meyer, A. J., Harms, T. M., Dobson, R. T. (2009) : Steam Jet Ejector Cooling Powered by Waste or Solar Heat, Journal of Renewable Energy, 34, 297306. Moran, M. J., Shapiro, H. N. (2004). “Termodinamika Teknik Jilid 1”. Edisi ke-4. (Terjemahan: Ir. Yulianto Sulistyo Nugroho, M.Sc., Ph.D.; Editor: Wayan Santika, S.T., M.M., Wibi Hardani, S.T., M.M.). Jakarta: Penerbit Erlangga. Moran, M. J., Shapiro, H. N. (2006). “Fundamentals of Engineering Thermodynamics: SI Version”. 5th Edition. Chichester, England: John Wiley & Sons, Ltd. Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., Huebsch, W. W. (2009). “Fundamentals of Fluid Mechanics”. 6th Edition. United States of America: John Willey & Sons, Inc. Petrenko, V. O. (2014). “Ejector Refrigeration Technologies Center”. Ukraina: Odessa National Academy of Food Technologies (ONAFT). Ruangtrakoon, N., Thongtip, T., Aphornratana, S., Sriveerakul, T. (2013) : CFD Simulation on the Effect of Primary Nozzle Geometries for a Steam Ejector in Refrigeration Cycle, International Journal of Thermal Sciences, 63, 133-145. Ruangtrakoon, N., Aphornratana, S. (2014) : Development and Performance of Steam Ejector Refrigeration System Operated in Real Application in Thailand, International Journal of Refrigeration, 48, 142-152. Sriveerakul, T., Aphornratana, S., Chunnanond, K. (2007) : Performance Prediction of Steam Ejector Using Computational Fluid Dynamics: Part 1. Validation of the CFD Results, International Journal of Thermal Sciences, 46, 812-822. Tashtoush, B., Alshare, A., Al-Rifai, S. (2015) : Performance Study of Ejector Cooling Cycle at Critical Mode Under Superheated Primary Flow, Journal of Energy Conversion and Management, 94, 300-310. Triatmodjo, B. (2014). “Hidraulika 1”. Cetakan ke-14. Yogyakarta: Beta Offset. Triatmodjo, B. (2013). “Hidraulika 2”. Cetakan ke-9. Yogyakarta: Beta Offset. White, F. M. (2011). “Fluid Mechanics”. 7th Edition. New York: McGraw-Hill Companies, Inc. Yu, J., Chen, H., Ren, Y., Li, Y. (2006) : A New Ejector Refrigeration System with an Additional Jet Pump, Journal of Applied Thermal Engineering, 26, 312-319.


98

Zed, F., Suharyani, Y. D., Rasyid, A., Hayati, D., Rosdiana, D., Mohi, E., Santhani, F., Pambudi, S. H., Malik, C., Santosa, J., Nurohim, A. (2014). “Outlook Energi Indonesia 2014”. Jakarta: Biro Fasilitasi Kebijakan Energi dan Persidangan - Direktorat Jenderal Dewan Energi Nasional. Zhu, Y., Jiang, P. (2014) : Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Shock Wave Characteristics on the Ejector Performance, International Journal of Refrigeration, 40, 31-42.


LAMPIRAN Lampiran A: Sistem Steam Ejector Lampiran A.1. Gambar Keseluruhan Sistem Steam Ejector

99


100

Lampiran A.2. Gambar Penampang Aliran Pada Steam Ejector


101

Lampiran B: Gambar Teknik Komponen Utama Steam Ejector Lampiran B.1. Gambar Teknik Primary Nozzle


102

Lampiran B.2. Gambar Teknik Suction Chamber


103


104

Lampiran B.3. Gambar Teknik Mixing Chamber


105

Lampiran B.4. Gambar Teknik Ejector Throat


106

Lampiran B.5. Gambar Teknik Subsonic Diffuser


107

Lampiran C: Data Pengamatan Lampiran C.1. Data Pengamatan Untuk NXP -5 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Boiler (Primary Fluid) Pp Tp Δh (bar) (˚C) (mm Hg) 110,3 60 109,6 40 1 109,8 70 110,0 52 123,1 150 122,6 140 2 123,0 142 123,4 130 131,1 214 130,5 200 3 131,0 202 130,6 206 140,1 340 139,6 348 4 139,5 358 140,4 336

Evaporator (Secondary Fluid) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant) 50 49,6 2 60 59,6 1 70 69,8 -1 80 79,5 1 50 49,6 9 60 58,9 4 70 69,7 3 80 79,6 2 50 49,5 -16 60 58,7 -8 70 68,9 -10 80 78,1 -8 50 49,5 -16 60 59,7 -20 70 69,6 -6 80 79,6 -4

To (˚C) 95,3 96,9 96,4 97,6 92,9 95,7 97,7 97,3 91,5 86,3 93,6 88,5 89,5 93,5 90,3 87,4

Outlet Ejector Δh (mm Coolant) 30 40 8 10 22 10 4 34 6 -6 6 8 -20 -16 -12 -10


108

Lampiran C.2. Data Pengamatan Untuk NXP 0 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


Evaporator (Secondary Fluid) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant) 50 49,5 -2 60 59,6 -3 70 69,4 -4 80 79,8 -1 50 49,8 2 60 59,6 1 70 69,9 1,5 80 79,8 0,5 50 49,6 4 60 59,9 6 70 69,8 2 80 79,5 -4 50 49,2 5 60 59,6 -6 70 69,3 -8 80 79,9 -10

To (˚C) 97,1 96,5 96,4 96,9 96,8 94,7 95,1 93,4 90,3 90,9 94,3 91,9 90,2 95,5 96,3 91,6

Outlet Ejector Δh (mm Coolant) 1 -2 -3 -4 -2 -4 -6 -8 10 4 -10 -6 -10 -6 2 -5


109

Lampiran C.3. Data Pengamatan Untuk NXP +5 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


Evaporator (Secondary Fluid) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant) 50 49,8 4 60 59,9 3 70 69,6 4 80 79,9 2 50 49,7 4 60 59,5 2 70 69,6 1 80 79,6 -6 50 49,6 3 60 59,5 2 70 69,9 -9 80 79,6 -2 50 49,5 4 60 59,7 -2 70 69,6 -4 80 79,4 -3

To (˚C) 96,1 94,7 95,6 97,4 92,3 93,9 96,1 96,7 92,4 92,2 87,6 94,3 85,7 85,8 89,8 86,6

Outlet Ejector Δh (mm Coolant) 6 20 15 6 30 24 18 4 -6 -4 -5 -10 12 14 14 26


110

Lampiran D: Data Hasil Analisis Lampiran D.1. Data Hasil Analisis Untuk NXP -5 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Boiler (Primary Fluid ) Pp Tp Δh (bar) (˚C) (mm Hg) 110,3 60 109,6 40 1 109,8 70 110,0 52 123,1 150 122,6 140 2 123,0 142 123,4 130 131,1 214 130,5 200 3 131,0 202 130,6 206 140,1 340 139,6 348 4 139,5 358 140,4 336

Evaporator (Secondary Fluid ) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant ) 50 49,6 2 60 59,6 1 70 69,8 -1 80 79,5 1 50 49,6 9 60 58,9 4 70 69,7 3 80 79,6 2 50 49,5 -16 60 58,7 -8 70 68,9 -10 80 78,1 -8 50 49,5 -16 60 59,7 -20 70 69,6 -6 80 79,6 -4

Outlet Ejector To (˚C) 95,3 96,9 96,4 97,6 92,9 95,7 97,7 97,3 91,5 86,3 93,6 88,5 89,5 93,5 90,3 87,4

Δh (mm Coolant ) 30 40 8 10 22 10 4 34 6 -6 6 8 -20 -16 -12 -10

Entrainment Ratio

Pressure Lift Ratio

Expansion Ratio

0,1768 0,1964 -0,1802 0,2136 0,1293 0,1271 0,1324 0,1390 -0,1072 -0,1071 -0,1217 -0,1265 -0,0800 -0,0904 -0,0800 -0,0835

0,0269 0,0228 0,0028 0,0023 0,0197 0,0057 0,0014 0,0080 0,0054 -0,0034 0,0021 0,0019 -0,0179 -0,0091 -0,0043 -0,0023

8,0972 5,1440 3,2062 2,1101 16,1943 10,2881 6,4123 4,2203 24,2915 15,4321 9,6185 6,3304 32,3887 20,5761 12,8246 8,4406


111

Lampiran D.2. Data Hasil Analisis Untuk NXP 0 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


Evaporator (Secondary Fluid ) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant ) 50 49,5 -2 60 59,6 -3 70 69,4 -4 80 79,8 -1 50 49,8 2 60 59,6 1 70 69,9 1,5 80 79,8 0,5 50 49,6 4 60 59,9 6 70 69,8 2 80 79,5 -4 50 49,2 5 60 59,6 -6 70 69,3 -8 80 79,9 -10


Δh (mm Coolant ) 1 -2 -3 -4 -2 -4 -6 -8 10 4 -10 -6 -10 -6 2 -5

Entrainment Ratio

Pressure Lift Ratio

Expansion Ratio

-0,3652 -0,4049 -0,5307 -0,4430 0,2529 0,2392 0,2937 0,2596 0,2181 0,2422 0,2312 -0,2798 0,1744 -0,1957 -0,2320 -0,2545

0,0009 -0,0011 -0,0011 -0,0009 -0,0018 -0,0023 -0,0021 -0,0019 0,0090 0,0023 -0,0036 -0,0014 -0,0090 -0,0034 0,0007 -0,0012

8,0972 5,1440 3,2062 2,1101 16,1943 10,2881 6,4123 4,2203 24,2915 15,4321 9,6185 6,3304 32,3887 20,5761 12,8246 8,4406


112

Lampiran D.3. Data Hasil Analisis Untuk NXP +5 mm

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


Evaporator (Secondary Fluid ) Ts 1 Ts 2 Δh (˚C) (˚C) (mm Coolant ) 50 49,8 4 60 59,9 3 70 69,6 4 80 79,9 2 50 49,7 4 60 59,5 2 70 69,6 1 80 79,6 -6 50 49,6 3 60 59,5 2 70 69,9 -9 80 79,6 -2 50 49,5 4 60 59,7 -2 70 69,6 -4 80 79,4 -3


Δh (mm Coolant ) 6 20 15 6 30 24 18 4 -6 -4 -5 -10 12 14 14 26

Entrainment Ratio

Pressure Lift Ratio

Expansion Ratio

0,2100 0,2136 0,2336 0,2571 0,1151 0,1175 0,1099 -0,1618 0,0829 0,0842 -0,1159 -0,1022 0,0644 -0,0625 -0,0756 -0,0792

0,0054 0,0114 0,0053 0,0014 0,0269 0,0137 0,0064 0,0009 -0,0054 -0,0023 -0,0018 -0,0023 0,0108 0,0080 0,0050 0,0061

8,0972 5,1440 3,2062 2,1101 16,1943 10,2881 6,4123 4,2203 24,2915 15,4321 9,6185 6,3304 32,3887 20,5761 12,8246 8,4406

INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO SKRIPSI

Recommend Documents