PENGARUH JARAK SALURAN KELUAR AIR DAN UDARA TERHADAP KARAKTERISTIK SPRAY PADA TWIN FLUID ATOMIZER
An Nisaa’ Maharani, ING Wardana, Lilis Yuliati Jurnal Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia E-mail :
[email protected] Abstrak Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui pengaruh jarak saluran keluar air-udara terhadap karakteristik spray pada twin fluid atomizer. Pada penelitian ini divariasikan jarak saluran keluar air-udara sebesar -0,5 , 0 , dan 0,5 mm dengan tekanan udara dijaga konstan 100 kPa, debit udara 2 m3/jam, dan debit air diatur pada 130, 190, 270, 340, dan 400 ml/menit. Data yang diamati adalah diameter rata-rata droplet, standar deviasi, skewness dan sudut spray. Hasil penelitian ini menunjukkan pada GLR (gas to liquid ratio) yang sama, semakin besar jarak saluran keluar air-udara akan mengakibatkan diameter rata-rata droplet meningkat, skewness semakin kecil, standar deviasi cenderung konstan, dan sudut spray yang terbentuk semakin kecil. Hal ini dikarenakan geometri dari nosel, yang mana saluran keluar air menghalangi udara bertekanan untuk mengganggu kestabilan air, sehingga kecepatan udara bertekanan akan berkurang untuk mengganggu kestabilan air dan mengakibatkan droplet yang terbentuk memiliki diameter rata-rata paling besar, standar deviasi yang cenderung konstan, skewness dan sudut spray yang paling kecil. Kata kunci : twin fluid atomizer, jarak saluran keluar air-udara, karakteristik spray Pendahuluan Twin fluid atomizer adalah alat yang digunakan untuk mengatomisasi fluida cair dengan media fluida gas. Fluida cair yang melewati twin fluid atomizer akan bergesekan dengan fluida gas bertekanan sehingga fluida cair terdeformasi menjadi droplet. Contoh aplikasi twin fluid atomizer dengan fluida kerja air dan udara adalah pada sistem pemadam api di gedung – gedung bertingkat dan sistem peredam gelombang kejut pada peluncuran roket NASA. Dalam twin fluid atomizer fluida gas digunakan sebagai fluida sekunder yang berfungsi memecah stabilitas dari fluida cair terpecah menjadi droplet dan membentuk spray. Pembentukan droplet pada twin fluid atomizer ini terjadi karena adanya gas berkecepatan tinggi yang menumbuk
fluida cair. Hal ini menimbulkan tegangan geser pada permukaan antara fluida cair dan gas sehingga memecah kestabilan fluida cair. Secara keseluruhan ada dua tahap dalam proses pembentukan droplet, yaitu tahap pertama adalah pemecahan stabilitas fluida cair dan menjadi ligamen , tahap kedua adalah pembentukan droplet. Kumpulan droplet ini yang natinya akan membentuk spray. Beberapa parameter yang perlu diperhatikan yaitu desain (geometri, dan dimensi) dari twin fluid atomizer serta properti fluida (viskositas, densitas, temperatur, tekanan, dsb) yang akan digunakan dalam twin fluid atomizer. Sedangkan karakteristik spray yang dihasilkan oleh twin fluid atomizer meliputi debit aliran fluida, sudut spray fluida, distribusi ukuran dan diameter droplet.
Perbedaan geometri nosel dapat berupa jarak saluran keluar air-udara yang berbeda pada tiap nosel. Semakin bernilai negatif jarak saluran keluar air-udara maka akan memperbesar area mixing chamber, sehingga udara dapat langsung mengganggu kestabilan air di dalam mixing chamber. Hal ini mengakibatkan tegangan geser yang terjadi antara permukaan air dan udara semakin besar, sehingga droplet air yang terbentuk akan semakin kecil dan kecepatan radial spray akan semakin besar yang menyebabkan sudut spray yang terbentuk akan semakin besar. Lohner dkk (2008) meneliti tentang pengaruh penyusunan nosel gas pada external twin fluid atomizer terhadap mass median diameter (D50) dan posisi radial yang terbentuk. Jumlah outlet nosel gas pada external twin fluid atomizer diubahubah. Pada penelitian tersebut disimpulkan bahwa dengan penambahan outlet nosel gas akan menyebabkan ukuran diameter droplet cenderung sama pada posisi radial yang semakin besar. Mishra dan Singh (2009) meneliti tentang pengaruh GLR (gas liquid ratio) terhadap Sauter Mean Diameter (SMD) dan sudut spray yang dihasilkan. Penelitian tersebut menyimpulkan semakin besar GLR maka diameter droplet yang dihasilkan menurun dan sudut spray meningkat. Pada jarak aksial yang kecil, diameter droplet cenderung konstan seiring meningkatnya GLR. Pada penelitian – penelitian yang telah dilakukan belum diamati bagaimana pengaruh jarak saluran keluar udara dan air sehingga tidak dapat dibandingkan bagaimana karakteristik spray pada twin fluid atomizer. Oleh karena itu pada penelitian ini jarak saluran keluar udara dan air diubah-ubah untuk mengetahui pengaruhnya terhadap karakteristik spray yang dihasilkan. Karakteristik spray yang diamati diantaranya adalah diameter rata-rata droplet, distribusi ukuran droplet, dan sudut spray. Diameter rata-rata droplet didapatkan dari hasil pencitraan yang kemudian diproses dengan ImageJ untuk
dikuantifikasi besarnya diameter rata-rata droplet. Sedangkan distribusi ukuran droplet dinyatakan dalam standar deviasi dan skewness. Metode penelitian Dalam penelitian ini digunakan air sebagai fluida yang diatomisasi dan udara bertekanan untuk mengatomisasi air. Udara diberi tekanan menggunakan kompresor dan diukur debitnya dengan flowmeter udara, sedangkan pompa digunakan untuk mengalirkan air menuju twin fluid atomizer. Debit air diatur dengan mekanisme katup bypass seperti yang tampak pada Gambar 1.
Keterangan : 1. Bak penampung air 2. Pompa 3. Katup 4. Katup 5. Orifice 6. Manometer U 7. Spray gun 8. Lampu sorot 9. Kaca bening 10. Kamera 11. Air regulator 12. Kompresor 13. Flowmeter udara Gambar 1. Instalasi penelitian
Debit air diatur pada 130, 190, 270, 340, dan 400 ml/menit dengan cara mengatur bukaan katup bypass dan melihat beda tekanan pada orifice. Beda tekanan pada orifice dapat dilihat dengan cara mengukur beda ketinggian air yang terukur pada manometer pipa U. Air dialirkan dari bak penampung air menuju twin fluid atomizer menggunakan pompa sentrifugal. Sedangkan udara dikompresi dengan kompresor torak dan diatur tekanan buangnya pada 100 kPa dengan menggunakan air regulator. Debit udara yang terukur pada flowmeter udara adalah 2 m3/jam. Bagan twin fluid atomizer yang digunakan dalam penelitian ini ditampilkan dalam Gambar 2.
(a)
(b)
(c) = udara bertekanan = air Gambar 2. Variasi jarak saluran keluar airudara (a) -0,5 mm (b) 0 mm (c) 0,5 mm Keterangan :
Pada Gambar 2 tampak daerah dengan warna merah merupakan liquid inlet dan daerah dengan warna kuning merupakan air inlet. Saluran keluar air berada di ujung liquid inlet dan saluran keluar udara berada di ujung air inlet. Dalam penelitian ini divariasikan jarak saluran keluar air-udara pada -0,5 , 0 , dan 0,5 mm seperti yang tampak pada Gambar 2. Pada jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm terdapat mixing chamber dan saluran keluar air berada di dalam atomiser. Sedangkan pada jarak saluran keluar airudara 0 mm saluran keluar air berada sejajar dengan saluran keluar udara, dan pada jarak saluran keluar air-udara 0,5 mm
saluran keluar air berada 0,5 mm di luar atomiser. Pengambilan data dengan cara pencitraan atau visualisasi melalui foto. Hal pertama yang dilakukan adalah memasang semua alat instalasi seperti pada Gambar 1, kemudian atur jarak saluran keluar air-udara. Setelah itu pompa dinyalakan untuk mengalirkan air ke dalam twin fluid atomizer dan kompresor untuk mengkompresi udara. Udara buang kompresor diatur pada tekanan 100 kPa dengan air regulator dan kemudian diukur debitnya dengan flowmeter udara. Setelah aliran steady atur debit air dengan menggunakan katup bypass. Debit air diketahui dengan cara terlebih dahulu menghitungnya melalui beda ketinggian pada manometer pipa U. Kemudian untuk pengambilan visualisasi diameter droplet foto diambil dari bawah kaca bening. Untuk menghindari spray yang menumbuk kaca, kaca harus ditutup dengan mika terlebih dahulu. Setelah kamera siap mengambil visualisasi mika ditarik dari atas kaca, namun sesaat sebelum mika ditarik kamera sudah mengambil visualisasi spray. Sedangkan untuk pengambilan gambar dilakukan dari arah samping. Data diolah untuk menentukan besarnya diameter rata-rata droplet, standar deviasi, nilai skewness, dan sudut spray yang dihasilkan dengan variasi jarak saluran keluar air-udara. Diameter rata-rata droplet didapatkan dengan menggunakan software ImageJ. Diameter rata-rata droplet dapat dihitung dengan rumus (1) : (1)
Keterangan : = diameter rata-rata droplet (mm) = frekuensi droplet kelas ke-i = nilai tengah kelas data Selain diameter rata-rata droplet, nilai skewness dan standar deviasi juga diamati untuk menganalisa persebaran ukuran droplet. Standar deviasi dapat dihitung dengan menggunakan rumus (2) berikut :
(2) Keterangan : s = standar deviasi n = jumlah data fi = frekuensi tiap kelas data mi = nilai tengah kelas data
Sedangkan skewness dapat dengan persamaan (3) berikut :
dihitung
(3) Keterangan : Sk = skewness
= diameter rata-rata droplet (mm) Me = median (mm) s = standar deviasi (mm) Pada penelitian ini karakteristik spray diamati pada debit air yang berbeda. Dari hasil kalibrasi orifice dan manometer didapatkan persaman (4) : Qaktual = 0,8698(Qteoritis) – 6,4635 (4) Keterangan : Qaktual = debit air aktual (ml/menit) Qteoritis = debit air teoritis (ml/menit) Debit udara yang terukur pada flowmeter udara adalah 2 m3/jam atau 33333,33 ml/menit. Pada penelitian ini akan diamati pula pengaruh nilai GLR (gas to liquid ratio) terhadap karakteristik spray. GLR didapatkan dengan rumus (5) : (5)
Hasil dan pembahasan Gambar 3 di bawah ini menunjukkan hasil visualisasi droplet pada debit 340 ml/menit
1. Pengaruh GLR (gas to liquid ratio) terhadap diameter rata-rata droplet pada variasi jarak saluran keluar airudara
(a)
Gambar 4. Grafik hubungan antara GLR (gas to liquid ratio) terhadap diameter droplet rata-rata pada variasi jarak saluran keluar air-udara (b)
(c) Gambar 3. Visualisasi droplet pada debit air 340 ml/menit (a) -0,5 mm (b) 0 mm (c) 0,5 mm Garis kuning pada Gambar 3 menunjukkan area spray yang digunakan untuk mengolah data droplet.
Dari Gambar 4 terlihat bahwa semakin besar GLR, maka diameter rata-rata droplet yang dihasilkan juga akan semakin menurun. Hal ini dikarenakan pada GLR yang semakin besar, rasio debit udara terhadap debit air semakin meningkat. Hal ini disebabkan debit air semakin menurun sehingga liquid sheet yang terbentuk pada saluran keluar air akan semakin tipis dan pendek, sehingga dengan debit udara yang tetap akan semakin mudah memecah kestabilan air. Hal ini mengakibatkan diameter rata-rata droplet yang dihasilkan akan semakin kecil. Pada Gambar 4 juga terlihat bahwa pada jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm dihasilkan diameter rata-rata droplet yang paling kecil. Geometri atomiser pada jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm mengakibatkan pada saat air keluar dari saluran keluarnya akan langsung diganggu kestabilannya oleh udara bertekanan di dalam mixing chamber sehingga terjadi kontak antara permukaan air dengan udara bertekanan. Hal ini mengakibatkan terjadinya tegangan geser antara permukaan air dengan udara bertekanan. Kemudian saat keluar dari atomiser air tersebut akan terpecah menjadi ligamen dan bergesekan dengan udara ambien yang menyebabkannya terpecah menjadi droplet. Sedangkan pada variasi jarak
saluran keluar air-udara 0,5 mm saluran keluar air menghalangi udara bertekanan untuk mengganggu kestabilan air, seperti yang tampak pada Gambar 2. Saat udara keluar dari nosel akan cenderung mengembang, sehingga kecepatan udara akan berkurang untuk mengganggu stabilitas air. Hal tersebut mengakibatkan droplet yang terbentuk memiliki diameter rata-rata paling besar dibandingkan variasi lainnya.
sesaat air masih berada di dalam mixing chamber. 3. Pengaruh GLR (gas to liquid ratio) terhadap skewness pada variasi jarak saluran keluar air-udara
2. Pengaruh GLR (gas to liquid ratio) terhadap standar deviasi pada variasi jarak saluran keluar air-udara
Gambar 6. Grafik hubungan antara GLR (gas to liquid ratio) terhadap skewness pada variasi jarak saluran keluar air-udara
Gambar 5. Grafik hubungan antara GLR (gas to liquid ratio) terhadap standar deviasi pada variasi jarak saluran keluar air-udara Pada Gambar 5 tampak bahwa pada variasi jarak saluran keluar air-udara 0,5 mm nilai standar deviasi cenderung konstan seiring kenaikan GLR. Hal ini menunjukkan penyimpangan data dari nilai rata-rata pada jarak saluran keluar airudara 0,5 mm tidak jauh berbeda pada tiap debit air. Standar deviasi yang cenderung konstan dikarenakan saluran keluar air menghalangi udara bertekanan untuk mengganggu kestabilan air, sehingga kecepatan udara bertekanan akan berkurang untuk mengganggu kestabilan air. Selain itu air akan bergesekan dengan udara bertekanan dan udara ambien di luar atomiser. Hal ini mengakibatkan droplet yang terbentuk memiliki diameter relatif besar. Sedangkan pada variasi jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm nilai standar deviasi tidak konstan seiring bertambahnya GLR dikarenakan kontak antara air dan udara bertekanan terjadi
Gambar 6 menunjukkan hubungan antara GLR (gas to liquid ratio) terhadap skewness pada variasi jarak saluran keluar air-udara. Skewness adalah derajat kesimetrisan suatu grafik. Skewness bernilai 0 menunjukkan jumlah variasi data di bawah nilai rata-rata sebanding dengan variasi data di atas nilai rata-rata. Skewness bernilai negatif menunjukkan variasi data di bawah nilai rata-rata lebih banyak daripada variasi data di atas nilai rata-rata. Begitu pula sebaliknya, skewness bernilai positif menunjukkan variasi data di atas nilai rata-rata lebih banyak daripada variasi data di bawah nilai rata-rata. Pada Gambar 6 tampak bahwa semakin besar GLR maka nilai skewness akan meningkat. Hal ini dikarenakan pada GLR yang semakin besar, rasio debit udara terhadap debit air semakin meningkat. Hal ini diakibatkan debit air yang semakin menurun, sehingga liquid sheet yang terbentuk semakin tipis dan pendek. Akibatnya, dengan debit udara yang tetap air akan semakin mudah terpecah menjadi droplet dan variasi diameter droplet di bawah nilai rata-ratanya semakin sedikit, sehingga skewness semakin besar seiring bertambahnya GLR. Selain itu pada gambar 6 juga tampak bahwa pada GLR yang sama, skewness
terbesar pada variasi jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm. Hal ini dikarenakan pada jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm memiliki geometri atomiser yang mengakibatkan udara bertekanan dapat langsung mengganggu kestabilan air di dalam mixing chamber, sehingga terjadi tegangan geser antara permukaan air dengan udara bertekanan yang mengakibatkan air menjadi liquid sheet, seperti yang tampak pada gambar 2(a). Kemudian saat keluar dari atomiser liquid sheet akan bergesekan dengan udara ambien yang menyebabkannya terpecah menjadi ligamen, dan kemudian menjadi droplet. Hal ini mengakibatkan droplet yang terbentuk memiliki diameter terkecil dibanding variasi jarak saluran keluar airudara lainnya, sehingga variasi diameter droplet di bawah nilai rata-ratanya pun lebih sedikit dibanding variasi jarak saluran keluar air-udara lainnya. 4. Pengaruh GLR (gas to liquid ratio) terhadap sudut spray pada variasi jarak saluran keluar air-udara
Gambar 7. Grafik hubungan antara GLR (gas to liquid ratio) terhadap sudut spray pada variasi jarak saluran keluar air-udara Dari Gambar 7 dapat dilihat bahwa dengan peningkatan GLR mengakibatkan sudut spray yang terbentuk akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan pada GLR yang semakin besar, rasio debit udara terhadap debit air semakin meningkat. Hal ini diakibatkan debit air yang semakin menurun, sehingga kecepatan aliran air akan semakin menurun. menurunnya kecepatan aliran air ini akan menurunkan tingkat turbulensi yang terjadi pada aliran
air, sehingga akan menurunkan komponen kecepatan fluida, yaitu kecepatan aksial dan kecepatan radial. Hal ini dikarenakan dengan debit air yang semakin turun, maka kecepatan dan tekanan air semakin menurun pula, sehingga arah aliran air akan cenderung lebih menyempit ketika keluar dari saluran keluarnya. Oleh karena itu, sudut spray yang terbentuk akan semakin kecil. Pada Gambar 2(a) juga tampak bahwa pada variasi jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm udara bertekanan akan langsung mengganggu kestabilan air di dalam mixing chamber, sehingga kecepatan udara bertekanan akan semakin besar dibanding variasi lainnya. Hal ini mengakibatkan sudut spray yang terbentuk akan lebih besar daripada variasi yang lain. Sedangkan pada jarak saluran keluar airudara 0,5 mm sudut spray lebih kecil jika dibandingkan pada variasi jarak saluran keluar air-udara yang lain. Geometri atomiser, yang mana saluran keluar air menghalangi aliran udara bertekanan untuk menabrak air sehingga kecepatan udara bertekanan berkurang untuk mengganggu stabilitas air. Oleh karena itu sudut spray yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan variasi lainnya. Kesimpulan 1. Penambahan debit air masuk nosel dapat menurunkan GLR, sehingga meningkatkan diameter droplet ratarata dan sudut spray. Namun akan menurunkan nilai skewness. Sedangkan standar deviasi pada 0,5 mm cenderung konstan. 2. Pada GLR yang sama, jarak saluran keluar air-udara -0,5 mm menghasilkan diameter droplet ratarata paling kecil. Namun, memiliki nilai skewness dan sudut spray yang paling besar.
DAFTAR PUSTAKA Bach, P, Hede, P.D, dan Jensen, A. 2008. “Two-fluid spray atomization and pneumatic nozzles for fluid bed coating/agglomeration purposes: A review” dalam Chemical Engineering Science. Bagsvaerd : Solid Products Development. Liu, H. 2000. Science and Engineering of Droplets. Norwich : William Andrew Publishing Lohner, H , Czsich, C, dan Fritsching, U. 2008. Impact of the gas nozzle arrangement on the flow field of a twin fluid atomizer with external mixing. Bremen : Fakultas Teknik Kimia Universitas Bremen. Mishra, D.P dan Singh, G. 2009. Experimental Study of an Internally Mixed Liquid Atomizer for an Airbreathing Engine Application. Kanpur : Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur.
