PENGARUH TEKANAN INPUT

PENGARUH TEKANAN INPUT, PANJANG TABUNG DAN DIAMETER VORTEX CHAMBER TERHADAP UNJUK KERJA VORTEX TUBE COOLER (INFLUENCE OF INPUT PRESSURE, LENGTH TUBE AND DIAMETER VORTEX CHAMBER TO PERFORMANCE THE VORTEX TUBE COOLER) Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gajah Mada ABSTRACT The objective of the research has to know the dimension influence covering length tube, diameter vortex chamber and air pressure input to performance from vortex tube and cold air produce. The experiment used counterflow vortex tube type. Variaton of the experiment covered length tube 200 mm, 275 mm, 350 mm, 425 mm and 500 mm, diameter vortex chamber 25 mm and 30 mm and air pressure Input from 2 atm to 5 atm. The result of experiment shown that if input pressure increase the degradation of cold air temperature will increase. Degradation of cold air temperature biggest 17 0 C at input pressure 5 atm. On the contrary with the downhill value COP progressively by increasing input pressure. Influence of Increase of diameter of vortex chamber have the same influence with the influence of input pressure. Length tube increase effected the temperature degradation cold air will increase only valid for the length tube 200 mm until 350 mm. COP will incease from length tube 200 mm until 275 mm, start downhill 350 mm until 425 mm and go up again at length tube 500 mm Key Word : vortex tube, cold fraction, cold air ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dimensi yang meliputi panjang tabung, diameter vortex chamber dan tekanan udara input terhadap unjuk kerja dari vortex tube dan udara dingin yang dihasilkan.Dalam penelitian ini mengunakan tipe counterflow vortex tube. Penelitian dilakukan dengan vortex tube, berdiameter vortex chamber 25 mm dan 30 mm dengan panjang tabung 200 mm, 275 mm, 350 mm, 425 mm dan 500 mm. Tekanan udara input bervariasi dari 2 atm sampai 5 atm. Dari hasil perhitungan data penelitian menunjukkan bahwa jika tekanan input yang semakin meningkat akan dihasilkan penurunan temperatur udara dingin yang meningkat. Penurunan temperatur udara dingin terbesar 17 0 C pada tekanan input 5 atm. Sebaliknya dengan nilai COP semakin menurun dengan bertambahnya tekanan input. Pengaruh kenaikan diameter vortex chamber mempunyai pengaruh yang sama dengan pengaruh tekanan input. Panjang tabung semakin panjang akan menghasilkan kenaikan nilai penurunan temperatur dingin dan hanya berlaku untuk panjang 200 mm sampai 350 mm.Untuk nilai dari COP akan meningkat dari panjang 200 mm sampai 275 mm, mulai menurun 350 mm sampai 425 mm dan naik lagi pada panjang tabung 500 mm. Kata kunci : vortex tube, cold fraction, udara dingin 1.

PENDAHULUAN

Vortex tube adalah suatu alat yang menghasilkan udara panas dan dingin dari udara bertekanan. Alat ini terdiri dari beberapa bagian antara lain : satu atau lebih inlet nosel, vortex chamber, orifice pada bagian keluaran udara dingin, katup pengatur pada keluaran udara panas dan pipa. Vortex tube lebih dikenal dengan nama Ranque – Hilsh tub Pertama kali ditemukan pada 1930 oleh George Ranque secara tidak sengaja, seorang fisikawan yang berasal perancis. Alat ini dapat Paper Vortex Tube Universitas Gajah Mada Email : [email protected]

memisahkan aliran udara yang bertekananan menjadi aliran udara panas dan dingin. Alat ini memiliki pengunaan yang luas bukan hanya untuk pendiginan tapi juga dapat digunakan untuk pemanas. Vortex tube banyak digunakan dalam industri, karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan alat pendinginan komersial biasa, yaitu : sederhana, tidak ada bagian yang bergerak, murah, tidak menggunakan listrik dan bahan kimiawi, tidak menggunakan refrigerant, kecil, ringan, temperatur yang dihasilkan dapat diatur, minim perawatan, tahan

lama (terbuat dari stainless stell) dan pendiginannya instant. Tetapi alat ini memiliki kelemahan yaitu efisiensi thermal rendah tidak lebih dari 20 persen serta menimbulkan suara yang bising. Pada alat ini hanya mengunakan udara bertekanan dari kompresor sebagai sumbernya. 2.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh panjang tabung, diameter vortex chamber dan tekanan udara input terhadap unjuk kerja dari vortex tube dan udara dingin yang dihasilkan.

3.

Tinjauan Pustaka

Vortex tube adalah suatu alat yang sangat menarik, alat ini dapat berfungsi sebagai pendingin tanpa mengunakan refrigerant dan fenomena yang terjadi pada vortex tube sampai saat ini belum dapat dijelaskan secara tepat, sehingga banyak ilmuwan yang melakukan peneltian tentang alat ini. Sigh (2004), melakukan penelitian tentang vortex tube dengan menggunakan dua jenis desain, pertama desain vortex tube dengan penurunan temperatur maksimum untuk menghasilkan jumlah udara kecil dengan temperatur yang sangat rendah. Kedua, desain vortex tube dengan kapasitas pendinginan maksimum untuk menghasilkan jumlah udara besar dengan temperatur yang sesuai. Parameter yang dipakai dalam penelitian, digunakan untuk mengetahui hubungan dan pengaruhnya terhadap performa vortex tube yang meliputi : diameter nosel, diameter cold orifice, aliran massa udara dingin dan panas, panjang tabung dan luasan area pada keluaran udara panas. Hasil penelitiannya diperoleh bahwa pengaruh desain nosel lebih berpengaruh dibandingkan desain cold orifice dalam memperoleh penurunan temperatur yang tinggi. Cold fraction seperti halnya dengan efisiensi adiabatik sangat dipengaruhi oleh cold orifice dibanding ukuran dari nosel. Panjang tabung tidak memberikan pengaruh terhadap performa alat ketika panjang tabung bertambah dari 45/Dvt sampai 55/Dvt. Dengan menggunakan vortex tube jenis counter flow dan variasi jumlah inlet nosel, diameter cold orifice dan tabung isolasi pada penurunan temperatur dan efisiensi adiabatik. Diperoleh kesimpulan bahwa dengan bertambahnya jumlah inlet nosel maka pemisahan temperatur udara semakin meningkat. Dengan mengunakan tabung berisolasi dapat menurunkan energi yang hilang ke lingkungan dan meningkatkan penurunan dan Paper Vortex Tube Universitas Gajah Mada Email : [email protected]

peningkatan udara yang dihasilkan dibandingkan tabung tanpa isolasi sebesar 20 -30 C untuk udara dingin dan 20 – 5 0 C pada udara panas. Cold oriffice kecil (d/Dvt = 0,4) memiliki backpressure lebih tinggi sedangkan cold oriffice besar (d/Dvt = 0,7 ; 0,8 dan 0,9) nilainya mengikuti kecepatan tangensial pada tabung dingin menghasilkan pemisahan termal yang lebih rendah (Promvonge dan Eiamsa ,2005). Gao (2005), melakukan penelitian tentang pengaruh dari pajang tabung, jumlah inlet nosel, tekanan input, tekanan udara pada keluaran vortex tube dan pembukaan pada slot ring terhadap temperatur yang dihasilkan dan performa alat. Pada penelitian ini dipakai 3 variasi panjang tabung yaitu 318 mm, 1309 mm dan 2586 mm, jumlah inlet nosel dari 1, 2 dan 4, untuk tekanan inlet sebesar 3,75 bar dan 5,75 bar. Sedangkan untuk hot end plug digunakan tiga jenis yaitu spherical, plate shaped dan cone shaped. Dan variasi slot ring digunakan sebanyak tiga macam yaitu 1 x 14 mm, 0,65 x 14 mm dan 0,4 x 14 mm. Semakin panjang tabung yang digunakan diperoleh perbedaan temperatur yang tinggi sehingga performanya meningkat. Bertambahnya jumlah inlet nosel maka akan dihasilkan perbedaan temperatur yang semakin meningkat baik untuk udara dingin dan panas yang dihasilkan. Begitu pula dengan pengaruh dari tekanan input, tekanan udara pada keluaran vortex tube dan hot end plugs jenis spherical menghasilkan semakin meningkat temperatur udara dingin dan panas. Semakin besar pembukaan pada slot ring didapatkan perbedaan temperatur udara yang menurun. 4.

LANDASAN TEORI

Parameter yang paling penting dalam menentukan performa vortex tube adalah cold fraction yang dirumuskan sebagai berikut :

ε = m& c

m& in

(1)

Penurunan temperatur udara dingin

ΔTc = Tin − Tc

(2)

Kenaikan temperatur udara panas

ΔTh = Th − Tin

(3)

Coeffisient of performance dari aliran udara dingin

& ) yang dihasilkan oleh didefinisikan kalor dingin ( Q c sistem dibagi dengan kerja yang diperlukan ( P ).

Q& c

=

m& c c p (Tin − Tc )

Dengan menganalogikan kerja kompresor yang digunakan untuk mengkompresi tekanan udara atmosfir menjadi tekanan udara masukan dengan proses kompresi reversibel isothermal.

P

=

⎛p ⎞ m& in RmTin ln⎜⎜ in ⎟⎟ ⎝ pc ⎠

udara optimum meningkat, dan COP semakin menurun seperti pada gambar berikut.

Jadi

18

Q& COPcr = c P METODE PENELITIAN

Penelitian ini alat digunakan sebagai pendingin dan memakai tiga macam variasi yang meliputi : a. Tekanan input. Tekanan input divariasi dari tekanan 2 atm, 3 atm, 4 atm dan 5 atm. b. Panjang tabung . Panjang tabung divariasi dari panjang 200 mm, 275 mm, 350 mm, 425 mm dan 500 mm. c. Diameter vortex chamber. Pada diameter ini divariasi dari diameter 25 mm dan 30 mm.

Temperature difference (cold), °K

(4)

14 12 10 8 6 4 2 0

0.2

Tekanan 2 atm

0.4 0.6 cold fraction, ε

Tekanan 3 atm

0.8

Tekanan 4 atm

1

Tekanan 5 atm

Gambar 2. Hubungan Cold Fraction vs Perbedaan Temperatur (dingin) 10 Temperature Difference (hot), K

5.

16

8

6

4

2 0,3

0,4

0,5

0,6 0,7 cold fraction, ε

P1 Tekanan 2 atm

Kompresor

Tc

Tin

0,8

Tekanan 4 atm

0,9

1

Tekanan 5 atm

Gambar 3. Hubungan Cold Fraction vs Perbedaan Temperatur (panas)

P2 mc

Tekanan 3 atm

Th

mh 5

Vortex Tube

4.5 4 3.5 3 COP

Gambar 1. Skema Alat Ukur

2.5 2

Keterangan : P1 : Barometer P2 : Pressure regulator Tin : Termometer digital untuk udara input mc : Flowmeter untuk udara dingin Tc : Termometer digital untuk udara dingin mh : Flowmeter untuk udara panas Th : Termometer digital untuk udara panas 6.

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

6.1. Pengaruh Tekanan Input terhadap Unjuk Kerja dari Vortex Tube. Dalam penelitian ini digunakan variasi tekanan dari tekanan 2 atm, 3 atm, 4 atm dan 5 atm, panjang tabung 500 mm dan diameter vortex chamber 30 mm. Tekanan input mempengaruhi unjuk kerja dari vortex tube. Semakin tinggi tekanan maka akan diperoleh penurunan temperatur yang tinggi, peningkatan Paper Vortex Tube Universitas Gajah Mada Email : [email protected]

1.5 1 0.5 0 0.3

0.4

Tekanan 2 atm

0.5

0.6 0.7 cold fraction, ε

Tekanan 3 atm

0.8

Tekanan 4 atm

0.9

1

Tekanan 5 atm

Gambar 4. Hubungan Cold Fraction vs COP 6.2. Pengaruh Diameter Vortex Chamber terhadap Unjuk Kerja dari Vortex Tube Penelitian ini digunakan variasi dua variasi vortex chamber dengan panjang tabung 500 mm dan tekanan 4 atm diperoleh semakin besar dari diameter chamber vortex maka penurunan temperatur udara dingin semakin meningkat. Begitu pula dengan kenikan udara panas yang dihasilkan meningkat. Sebaliknya COP pada diameter vortex chamber 25 mm memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan pada diameter

vortex chamber 30 mm, seperti pada gamber berikut : 16

Dvt

= 33,33. Pada Panjang L

Dvt

=

Dvt

=

13,3 diperoleh peningkatan temperature panas yang maksimum yaitu sebesar 10 K. Untuk panjang

12 10

L

8 6

Dvt

= 18,3 dan L

Dvt

= 23,3 nilai peningkatan

temperature panas fluktuatif, sedangkan mulai

4 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

panjang

cold fraction, ε Dch = 25 mm

L

Dch = 30 mm

Dvt

= 23,3 sampai

L

Dvt

= 33,3

kecenderungan nilainya menurun.Nilai COP yang diperoleh pada panjang 200 mm, 350 mm dan 500 mm memiliki nilai yang sama karena grafik berimpit, panjang 275 mm nilainya maksimum dan nilai COP terendah dicapai panjang 425 mm.

Gambar 5. Hubungan Cold Fraction vs Perbedaan Temperatur (dingin) 10

8

temperature difference (hot), K

L

mulai fluktuatif pada panjang tabung 28,33 dan L

14

temperature difference (cold), K

23,3 penurunan temperatur semakin tinggi dan

6

18 16 Temperatur difference, cold (K)

4

2

0 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

cold fraction, ε

Dch = 25 mm

Dch = 30 mm

Gambar 6. Hubungan Cold Fraction vs Perbedaan Temperatur (panas)

14 12 10 8 6 4 2 0 13,33

18,33

23,33

28,33

33,33

Rasio Panjang, L/Dvt 2,5

Gambar 8.Hubungan Panjang Tabung vs Perbedaan Temperatur (dingin)

2

COP

1,5

12

0,5

0 0,2

0,4

0,6

0,8

1

cold fraction, ε Dch = 25 mm

Dch = 30 mm

Gambar 7. Hubungan Cold Fraction vs COP 6.3. Pengaruh Panjang Tabung terhadap Unjuk Kerja dari Vortex Tube Penelitian yang dilakukan dengan tekanan input sebesar 4 atm, diameter vortex chamber 30 mm dan variasi panjang tabung sebanyak 5 buah yaitu: 200 mm, 275 mm, 350 mm, 425 mm dan 500 mm. Penurunan temperatur pada lima variasi panjang terjadi pada range 11,4 K sampai 15,3 K. Pada rasio panjang tabung

L

Dvt

= 13,3, L

Dvt

Paper Vortex Tube Universitas Gajah Mada Email : [email protected]

=18,33 dan L

Dvt

=

Temperatur difference, hot (K)

1

10 8 6 4 2 0 13,33

18,33

23,33

28,33

33,33

Rasio Panjang, L/Dvt

Gambar 9.Hubungan Panjang Tabung vs Perbedaan Temperatur (panas)

Nomenclatur : 2,6

COPcr Dch Dvt

2,3

COP

2

m& c m& h m& in

1,7 1,4 1,1 0,8 0,5 0,2

0,4

0,6

0,8

P Pa Pin

1

cold fraction, ε L = 200 mm

L = 275 mm

L = 350 mm

L = 425 mm

500 mm

Gambar 9.Hubungan Panjang Tabung vs COP

Q& c

7.

Tc Th Tin

KESIMPULAN 1.

2.

3.

Tekanan sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja dari vortex tube. Semakin bertambahnya tekanan udara input maka akan diperoleh penurunan temperatur yang tinggi, penurunan temperatur maksimum sebesar 17 K pada tekanan input 5 atm. Begitu pula peningkatan temperatur optimum meningkat, nilai maksimum yang dicapai yaitu 7,9 K dengan tekanan input 4 atm. Sebaliknya dengan nilai COP akan meningkat seiring menurunnya tekanan udara input. Meningkatnya diameter vortex chamber maka diperoleh penurunan temperatur yang meningkat, penurunan temperatur terbesar yaitu 16,6 K demikian juga peningkatan temperatur akan meningkat dengan nilai maksimum sebesar 7,9 K pada diameter vortex chamber 30 mm dengan tekanan input 4 atm. Besar COP pada diameter vortex chamber 25 mm lebih besar dibandingkan diameter vortex chamber 30 mm. Panjang tabung berpengaruh pada performa vortex tube. Penurunan temperatur semakin meningkat untuk pajang L

L

Dvt

=18,33 dan

L

Dvt

Dvt

= 13,3,

= 23,3 ,

kenaikan temperatur nilainya menurun pada L

L

Dvt

Dvt

=

= 23,3 mm, L

33,3.

COP

Dvt

= 28,3 dan

meningkat

dari

panjang 200 mm sampai 275 mm, mulai menurun 350 mm sampai 425 mm dan naik lagi pada panjang tabung 500 mm. Paper Vortex Tube Universitas Gajah Mada Email : [email protected]

ε

= koefisien performa udara dingin = diameter vortex chamber (mm) = diameter pipa vortex (mm) = laju aliran massa udara dingin (kg/s) = laju aliran massa udara panas (kg/s) = laju aliran massa udara input (kg/s) = kerja kompresor (kJ/s) = tekanan udara atmosfir (Pa) = tekanan udara input (Pa) = kapasitas pendinginan (kJ/s) = temperatur udara dingin (K) = temperatur udara panas (K) = temperatur udara input (K) = cold fraction

DAFTAR PUSTAKA [1]. Cengel, Dr. Y. A. and Boles, Dr. M.A., 1989, Thermodynamics An Engineering Approach, Singapore, McGraw Hill Inc [2]. Gao, C., 2005,Thesiss Experimental Study On the Ranque-Hilsch Vortex Tube, Technische Universiteit Eindhoven, Geboren Te HuBei, China [3]. Priester, G.B. and Jordan, R..C ., 1973, Refrigeration and air Conditioning, Prentice hall of India Private Limited, New Delhi [4]. Promvonge, P and Eiamsa, S.,2005, Investigation On The Vortex Thermal Separation In A Vortex Tube Refrigerator, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand. [5]. Singh, P.K., et all, 2004, An experimental performance evaluation of vortex tube, Mechanical and Chemical Engineering Departments Thapar Institute of Engineering and Technology, Patiala, India [6]. Visheratin, K. N., 2004, Increasing Ranque Vortex Tube Cold Production Efficiency By Twisted Air Flow Disturbance, Scientific Production Association "Typhoon", Obninsk, Russia. [7]. www.exair.com/vortex tube/vt_page.htm [8]. www.nex-flow.com/adjustable_air_amplifier.htm [9]. www.wikipedia.com