SKRIPSI. Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin Pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

INVESTIGASI PARAMETER ENTRAINMENT RATIO STEAM EJECTOR TERHADAP MODEL CIRCLE DAN SQUARE NOZZLE PADA PERUBAHAN NXP MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

SKRIPSI

Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin Pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

Disusun Oleh : FELICIANUS OCHATANI NIM : 125214001

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

i


INVESTIGATION OF ENTRAINMENT RATIO PARAMETERS OF CIRCLE AND SQUARE NOZZLE STEAM EJECTOR MODEL WITH NXP CHANGES NOZZLE USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

FINAL PROJECT

Submitted In Partial Fullfillment of The Requirements To Achieve Undergraduate Engineering Degree Mechanical Engineering

By : FELICIANUS OCHATANI Student Number : 125214001

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016 ii






ABSTRAK

Steam ejector adalah alat yang digunakan di berbagai industri untuk proses pencampuran, peningkatan tekanan, proses refrigerasi dengan memanfaatkan waste

heat.

Steam

ejector

mempunyai

permasalahan

kompleks

dalam

pengoperasiannya. Parameter yang mempengaruhi performa ejector adalah fluida kerja, geometri, dan operating condition. Nozzle Exit Position (NXP), panjang throttle, sudut converging section adalah salah satu parameter geometri yang berpengaruh signifikan terhadap performa steam ejector. Primary pressure, secondary pressure dan outlet pressure adalah parameter dari operating condition juga menjadi penentu performa steam ejector. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan nilai entrainment ratio optimal pada variasi yang ditentukan. Pada penelitian ini digunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD digunakan untuk mengetahui pengaruh 5 variasi NXP (Nozzle Exit Position) pada variasi model nozzle. Model nozzle yang digunakan adalah Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). Selain itu juga menggunakan 5 variasi perubahan primary pressure. Hasil dari penelitian pada peningkatan primary pressure menyebabkan nilai entrainment ratio menurun. Pada model CNSE maupun SNSE, entrainment ratio tertinggi terdapat pada NXP Plus. Keseluruhan nilai entrainment ratio dari model CNSE mempunyai performa lebih tinggi dibandingkan model SNSE. Nilai optimum dari penelitian yang sudah dilakukan yaitu 0,96 pada NXP Minus 5 untuk primary pressure 140 kPa.

Keyword : steam ejector, entrainment ratio, CFD, NXP

vii


ABSTRACT

Steam ejector is a tool applied to various industries for mixing process, increasing pressure, refrigeration process by utilising waste heat. Steam ejector has complex problems in its operational. The significant parameter that affects the ejector’s performance are working fluid, geometry, and operating condition. Nozzle exit position (NXP), long of throttle, converging angle section are the parameters of geometry. Primary pressure, secondary pressure and outlet pressure are the parameters of operating condition which are also the most affected factor for the performance of steam ejector. The purpose of this research is to get an optimal entrainment ratio in determined variation. This research uses the Computational Fluid Dynamics (CFD) method to understand influence of the 5 NXP variations on nozzle models. The nozzle model are Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) and Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). In addition, 5 variations on primary pressure bas applied. The result show that increasing of primary pressure cause entrainment ratio decrease. The highest entrainment ratio was took place on NXP Plus in bot models. The total overall value of CNSE entrainment ratio model has higher than SNSE model. The optimum value of the research which has already been done was 0,96 on NXP Minus 10 for a primary pressure 140 kPa.

Keyword : steam ejector, entrainment ratio, CFD, NXP

viii


Karya Ilmiah ini penulis persembahkan kepada: Bapak dan Ibuku tercinta yang telah banyak berkorban untuk masa depanku Adikku Agustina Rosa Iriani yang masih Semester 5 Calon Pendamping hidupku Sahabat-sahabat di Kampus Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Almamaterku tercinta Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan banyak pembelajaran

Urip iku Urup

ix


KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang maha Esa, yang telah melimpahkan kasih dan berkatNya sehingga dapat menyelesaikan penyusunan

Skripsi

dengan

judul

“INVESTIGASI

PARAMETER

ENTRAINMENT RATIO STEAM EJECTOR TERHADAP MODEL CIRCLE DAN SQUARE NOZZLE PADA PERUBAHAN NXP MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS”. Penyusunan Skripsi ini dimaksud untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. Penulis menyadari bahwa di dalam penulisan telah mendapat bimbingan dari berbagai pihak, oleh karena itu dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Sudi Mungkasi, Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T, selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang memberika arahan dan saran-saran kepada penulis. 3. Andreas Prasetyadi, S.Si., M.Si, selaku dosen Pembimbing Akademik dan selaku dosen pembimbing I skripsi yang membimbing serta mengarahkan dengan penuh kesabaran dan perhatian selama masa perkuliahan. 4. Stefan Mardikus, S.T, M.T, selaku dosen pembimbing II skripsi yang membimbing dengan penuh kesabaran dan perhatian serta bantuan fasilitas yang diberikan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. 5. Petrus Claver Supriyanto sebagai ayah dari penulis yang penuh kasih sayang serta dukungan moral dan materi mendukung penulis dalam menyelesaikan karya ilmiah ini sehingga dapat mencapai gelar sarjana Teknik Mesin.

x



DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL........................................................................................

i

TITLE PAGE ...................................................................................................

ii

HALAMAN PERSETUJUAN .........................................................................

iiiv

HALAMAN PENGESAHAN..........................................................................

iv

HALAMAN PERNYATAAN .........................................................................

v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI.......................

vi

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

vii

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

viii

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

ix

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

ix

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

xii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................

xix

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xxxiv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG................................................... xxxv BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang .....................................................................

1

1.2

Perumusan Masalah .............................................................

10

1.3

Tujuan Penelitian .................................................................

10

1.4

Batasan Masalah ..................................................................

10

1.5

Manfaat Penelitian ...............................................................

11

BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 2.1

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

12

2.2

Bagian-bagian Steam Ejector ..............................................

13

2.3

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

15

2.4

Tipe-tipe Steam Ejector Refrigeration System ....................

18

2.4.1

2.4.2

Conventional

Ejector

Refrigeration

System

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

18

Advanced Ejector Refrigeration System ................

19

xii


2.4.3

Combined Steam Ejector Refrigerator System ......

20

2.4

Evaluation Parameter Steam Ejector ..................................

21

2.5

Definisi Fluida .....................................................................

21

2.6

Klasifikasi Aliran Fluida......................................................

24

2.6.1

Aliran Viscous dan Non-viscous ............................

25

2.6.2

Aliran Laminar dan Turbulen ................................

26

2.6.3

Aliran Kompresibel dan Inkompresibel ................

28

2.6.4

Aliran Ekternal dan Internal ..................................

30

Persamaan Dasar Aliran Fluida dan Perpindahan Kalor .....

31

2.7.1

Persamaan Kekekalan Massa................................

32

2.7.2

Persamaan Kekekalan Momentum Tiga Dimensi .

33

2.7.3

Persamaan Kekekalan Energi Tiga Dimensi .........

35

2.7.4

Perubahan Partikel Fluida pada Elemen Fluida.....

38

Computational Fluid Dynamics (CFD) ...............................

39

2.11 Skema Numerik ...................................................................

44

2.7

2.8

2.11.1

Metode Solusi Pressure-based ..............................

44

2.12 Model Turbulen (Turbulence Modeling) .............................

46

2.13.1

Model turbulen k-ε .................................................

47

2.14 Metode Numerik pada ANSYS Fluent ................................

50

2.14.1

Solver Coupled ......................................................

51

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

53

3.1

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

53

3.2

Diagram Alir Prosedur Simulasi..........................................

54

3.3

Skematik Steam Ejector.......................................................

56

3.3.1

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

57

3.3.2

Geometri Ejector ...................................................

57

3.3.3

Model dan Geometri Nozzle ..................................

57

3.4

Nozzle Exit Position .............................................................

58

3.5

Boundary Condition.............................................................

59

3.6

Meshing................................................................................

59

3.7

Spesifikasi Working Fluid ...................................................

60

xiii


3.8

Variabel Penelitian...............................................................

61

3.9

Prosedur Simulasi ................................................................

62

3.10 Convergence Criteria ..........................................................

63

BAB IV ANALISA HASIL SIMULASI .........................................................

64

4.1

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Variasi Nozzle Exit Position ................................................................................ 4.1.1

64

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 10 .........

4.1.2

65

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 5 ...........

4.1.3

66

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Nol ..................

4.1.4

67

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 5 ..............

4.1.5

69

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 10 ............

4.2

Pengaruh

Nozzle

Exit

Position

Terhadap

70

Nilai

Entrainment Ratio pada Variasi Primary Pressure Menggunakan Variasi Model Nozzle ................................... xiv

71


4.2.1

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio pada

Variasi Primary

Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector......................................................... 4.2.2

72

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio pada

Variasi Primary

Pressure Menggunakan Model Square Nozzle Steam Ejector......................................................... 4.3

73

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass flow Rate Primary dan Secondary Menggunakan Variasi Primary Pressure pada Variasi Model Nozzle ................................... 4.3.1

74

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass Flow

Rate

Primary

Menggunakan

Variasi

Primary Pressure pada Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector .. 4.3.2

74

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass Flow Rate Secondary Menggunakan Variasi Primary Pressure pada Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector ..

4.4

76

Analisis Kontur Tekanan, Temperatur dan Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejectoor pada Variasi Nozzle Exit Position ......................... 4.4.1

78

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus 10 ...........................................................................

4.4.2

79

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5 ....................................

xv

81


4.4.3

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Nol ...........................................

4.4.4

82

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.5

84

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

4.4.6

Analisis

Kontur

Tekanan

Terhadap

86

Variasi

Primary Pressure Menggunakan Model Square Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus 10 ........................................................................... 4.4.7

87

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 5 .................................... 89

4.4.8

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Nol ..........................................

4.4.9

91

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.10

92

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

4.4.11

94

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 10 ..................................

4.4.12

95

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5 .................................... xvi

97


4.4.13

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Nol ...........................................

4.4.14

99

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.15

101

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

4.4.16

102

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 10 ..................................

4.4.17

104

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 5 ....................................

4.4.18

106

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Nol ...........................................

4.4.19

108

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.20

110

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

4.4.21

111

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 10 ..................................

4.4.22

113

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5 ....................................

xvii

115


4.4.23

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE

4.4.24

pada Variasi NXP Nol ........................................... 117 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.25

119

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

4.4.26

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary pressure Menggunakan

Model SNSE

pada Variasi NXP Minus 10 .................................. 4.4.27

Model SNSE

pada Variasi NXP Minus 5 ....................................

124


Model SNSE

pada Variasi NXP Nol ........................................... 4.4.29

122


4.4.28

120

126

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

4.4.30

127

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 .....................................

129

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

132

5.1

Kesimpulan ..........................................................................

132

5.2

Saran ....................................................................................

133

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

134

xviii


DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1

Skema arus distribusi energi di Indonesia tahun 2011.........

3

Gambar 1.2

Sektor-sektor konsumsi energi di Indonesia.. ......................

5

Gambar 2.1

Liquid ejector (kiri), steam jet liquid ejector (kanan) (http://www.equirepsa.com). ...............................................

12

Gambar 2.2

Skema ejector (Chunnanond dan Aphornaratana, 2004). ....

12

Gambar 2.3

Karakteristik tekanan dan kecepatan aliran di dalam steam ejector [Chunnanond dan Aphornaratana, 2004]. ................

13

Gambar 2.4

Siklus refrigerasi (http://globaldensoproducts.com)............

15

Gambar 2.5

Diagram

eksperimen

chiller steam

ejector dengan

memanfaatkan panas matahari [Pollerberg, 2008]. ............. Gambar 2.6

15

Ejector pada pressure vessel di pembangkit listrik tenaga panas bumi (http://www.shailvac.com/). .............................

16

Gambar 2.7

Skema oil production (https://en.wikipedia.org). ................

16

Gambar 2.8

Proses pencampuran bahan kimia dalam kondisi vakum ....

17

Gambar 2.9

(a) Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) dan (b) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. ..............................

Gambar 2. 10

Dua tingkat sistem refrigerasi (a) Konfigurasi ejector; (b) Skema sistem; (c) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. .............

Gambar 2.11

25

Pembagian daerah aliran viskos pada plat rata [Holman, 1998]. ...................................................................................

Gambar 2. 15

22

Flowchart klasifikasi aliran di Computaional Fluid Dynamics [Jiyuan, 2008]. ....................................................

Gambar 2. 14

21

Efek dari (a) benda padat (solid) dan (b) fluida (fluid), jika diberikan gaya geser yang konstan [Fox, 2011]. .................

Gambar 2.13

20

Combined Steam Ejector Refrigeration System [Chen dkk, 2015]. ...................................................................................

Gambar 2.12

18

25

Tipe profil kecepatan di dalam pipa (a) Aliran laminar (b) Aliran turbulen [White, 2011]. ............................................

xix

27


Gambar 2. 16

(a) High-viscosity, low Reynolds number, laminar flow (b) Low-viscosity, high Reynolds number, turbulent flow [White, 2011]. ......................................................................

Gambar 2.17

Kondisi batas pada permasalahan aliran internal [Jiyuan, 2008]. ...................................................................................

Gambar 2.18

31

Skema aliran massa yang keluar dan masuk pada satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. .............

Gambar 2.21

30

Skema satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. ...................................................................................

Gambar 2.20

30

Kondisi batas pada permasalahan aliran eksternal [Jiyuan, 2008]. ...................................................................................

Gambar 2.19

27

32

Skema komponen tegangan yang terdapat pada setiap permukaan dari satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995].............................................................

Gambar 2.22

Komponen

tegangan

pada

arah

x

[Versteeg

dan

Malalasekera, 1995]............................................................. Gambar 2.23

Komponen

dari

vektor

heat

flux

[Versteeg

Ilustrasi

pembacaan

relasi

(2.20)

[Versteeg

41

Tiga elemen utama yang ada di dalam CFD (Jiyuan, 2008). ...................................................................................

Gambar 2.28

38

Tiga elemen utama yang ada di dalam Computational Fluid Dynamic [Jiyuan, 2008]. ............................................

Gambar 2.27

37

dan


35

dan


34

Pembacaan persamaan energi [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. ...................................................................................

Gambar 2.24

33

42

Skema metode solusi pressure-based [ANSYS, Inc., 2013]. ...................................................................................

45

Gambar 2.29

Skema metode solver coupled (ANSYS, Inc., 2013). .........

52

Gambar 3.1

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

53

Gambar 3.2

Diagram alir prosedur simulasi............................................

54

xx


Gambar 3.3

Skematik

penggunaan

steam

ejector

pada

sistem

refrijerasi. .............................................................................

56

Gambar 3.4

Skema steam ejector. ...........................................................

57

Gambar 3.5

Ukuran geometri steam ejector............................................

57

Gambar 3.6

Ukuran geometri model Circle Nozzle Steam Ejector. ........

58

Gambar 3.7

Ukuran geometri model Square Nozzle Steam Ejector........

58

Gambar 3.8

Variasi penempatan NXP. ...................................................

58

Gambar 3.9

Boundary condition pada steam ejector. .............................

59

Gambar 3.10

Tampilan meshing steam ejector. ........................................

60

Gambar 3.11

Tampilan bentuk meshing tetrahedral. ................................

60

Gambar 4.1

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Minus 10. ........................................................................................

Gambar 4.2

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Minus 5.

Gambar 4.3

75

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary pada variasi primary pressure di model SNSE....................

Gambar 4.10

73

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary pada variasi primary pressure di model CNSE. ..................

Gambar 4.9

72

Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada model SNSE. ..........

Gambar 4.8

71

Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada model CNSE...........

Gambar 4.7

69

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 10.

Gambar 4.6

68

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 5. ...

Gambar 4.5

67

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP 0. ...........

Gambar 4.4

65

76

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary pada variasi primary pressure di model CNSE. .................. xxi

77


Gambar 4.11 Gambar 4.12

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary pada variasi primary pressure di model SNSE.................... Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa................................

Gambar 4.13

83

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 170 kPa................................................

Gambar 4.25

83


Gambar 4.24

82


Gambar 4.23

82

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa..................................

Gambar 4.22

81


Gambar 4.21

81


Gambar 4.20

81


Gambar 4.19

80


Gambar 4.18

80

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa................................

Gambar 4.17

80


Gambar 4.16

80


Gambar 4.15

79


Gambar 4.14

78

83


xxii

84


Gambar 4.26


Gambar 4.27

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa. ...................................

Gambar 4.28

88

Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 170 kPa................................

Gambar 4.40

88


Gambar 4.39

87


Gambar 4.38

87

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. .................................

Gambar 4.37

86


Gambar 4.36

86


Gambar 4.35

86


Gambar 4.34

85


Gambar 4.33

85


Gambar 4.32

85


Gambar 4.31

85


Gambar 4.30

84


Gambar 4.29

84

88


xxiii

89


Gambar 4.41


Gambar 4.42

Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

Gambar 4.43

93

Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 170 kPa. ...................................

Gambar 4.55

93


Gambar 4.54

92


Gambar 4.53

92

Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa................................................

Gambar 4.52

91


Gambar 4.51

91


Gambar 4.50

91


Gambar 4.49

90


Gambar 4.48

90


Gambar 4.47

90


Gambar 4.46

90


Gambar 4.45

89


Gambar 4.44

89

93


xxiv

93


Gambar 4.56


Gambar 4.57

Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

Gambar 4.58

97

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

Gambar 4.70

97

Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5. ......................................................................

Gambar 4.69

97

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa................................

Gambar 4.68

96


Gambar 4.67

96


Gambar 4.66

96


Gambar 4.65

96


Gambar 4.64

95

Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10. ....................................................................

Gambar 4.63

95


Gambar 4.62

95


Gambar 4.61

94


Gambar 4.60

94


Gambar 4.59

94

97


xxv

98


Gambar 4.71

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP 98

Gambar 4.72

Minus 5 di primary pressure 170 kPa.................................. Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 185 kPa..................................

98

Gambar 4.73


Gambar 4.74

Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Nol. .............................................................................

Gambar 4.75

102

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 185 kPa. ...................................

Gambar 4.85

102


Gambar 4.84

101


Gambar 4.83

101


Gambar 4.82

101

Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5. .........................................................................

Gambar 4.81

100

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa.............................................

Gambar 4.80

100


Gambar 4.79

100


Gambar 4.78

100


Gambar 4.77

100


Gambar 4.76

98

102


xxvi

102


Gambar 4.86

Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi

Gambar 4.87

NXP Plus 10. ....................................................................... 103 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

Gambar 4.88

Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 155 kPa. .................................

Gambar 4.89

107

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

Gambar 4.100

106

Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5. ......................................................................

Gambar 4.99

106

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa................................

Gambar 4.98

105


Gambar 4.97

105


Gambar 4.96

105


Gambar 4.95

105


Gambar 4.94

104

Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10. ....................................................................

Gambar 4.93

104


Gambar 4.92

104


Gambar 4.91

103


Gambar 4.90

103

107


xxvii

107


Gambar 4.101

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP

Gambar 4.102

Minus 5 di primary pressure 170 kPa.................................. 107 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 185 kPa..................................

Gambar 4.103


Gambar 4.104

110

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 185 kPa. ...................................

Gambar 4.115

110


Gambar 4.114

110


Gambar 4.113

110


Gambar 4.112

109

Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5. .........................................................................

Gambar 4.111

109

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa.............................................

Gambar 4.110

109


Gambar 4.109

108


Gambar 4.108

108


Gambar 4.107

108


Gambar 4.106

108

Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Nol. .............................................................................

Gambar 4.105

107

111


xxviii

111


Gambar 4.116

Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi

Gambar 4.117

NXP Plus 10. ....................................................................... 112 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

Gambar 4.118

Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 155 kPa. .................................

Gambar 4.119

115

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

Gambar 4.130

115

Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5. ......................................................................

Gambar 4.129

115

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa................................

Gambar 4.128

114


Gambar 4.127

114


Gambar 4.126

114


Gambar 4.125

114


Gambar 4.124

113

Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10. ....................................................................

Gambar 4.123

113


Gambar 4.122

112


Gambar 4.121

112


Gambar 4.120

112

116


xxix

116


Gambar 4.131

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP

Gambar 4.132

Minus 5 di primary pressure 170 kPa.................................. 116 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 185 kPa..................................

Gambar 4.133


Gambar 4.134

119

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 185 kPa. ...................................

Gambar 4.145

119


Gambar 4.144

119


Gambar 4.143

119


Gambar 4.142

118

Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5. .........................................................................

Gambar 4.141

118

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa.............................................

Gambar 4.140

118


Gambar 4.139

117


Gambar 4.138

117


Gambar 4.137

117


Gambar 4.136

117

Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP 0. .................................................................................

Gambar 4.135

116

120


xxx

120


Gambar 4.146

Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi

Gambar 4.147

NXP Plus 10. ....................................................................... 120 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

Gambar 4.148

Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 155 kPa. .................................

Gambar 4.149

124

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

Gambar 4.160

123

Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5. ......................................................................

Gambar 4.159

123

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa................................

Gambar 4.158

123


Gambar 4.157

123


Gambar 4.156

122


Gambar 4.155

122


Gambar 4.154

122

Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10. ....................................................................

Gambar 4.153

121


Gambar 4.152

121


Gambar 4.151

121


Gambar 4.150

121

124


xxxi

124


Gambar 4.161

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP

Gambar 4.162

Minus 5 di primary pressure 170 kPa.................................. 125 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 185 kPa..................................

Gambar 4.163


Gambar 4.164

128

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 185 kPa. ...................................

Gambar 4.175

128


Gambar 4.174

128


Gambar 4.173

127


Gambar 4.172

127

Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5. .........................................................................

Gambar 4.171

127

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa.............................................

Gambar 4.170

126

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 185 kPa. ............................................

Gambar 4.169

126


Gambar 4.168

126


Gambar 4.167

126


Gambar 4.166

125

Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0. .................................................................................

Gambar 4.165

125

128


xxxii

129


Gambar 4.176

Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi

Gambar 4.177

NXP Plus 10. ....................................................................... 130 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

Gambar 4.178

Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 155 kPa. .................................

Gambar 4.179

130


Gambar 4.181

130


Gambar 4.180

130

131


xxxiii

131


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Nilai input yang relevan untuk

[Versteeg dan

Malalasekera, 1995]............................................................. Tabel 3.1

39

Properties dari primary fliuid (nist.webbook.gov/ chemistry). ...........................................................................

60

Tabel 3.2

Properties dari secondary fluid. ...........................................

61

Tabel 3.3

Tipe yang digunakan pada setiap discretization. .................

62

xxxiv


DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG

Singkatan

Kepanjangan

Pemakaian pertama pada halaman

AC

Air Conditioning

9

CAD

Computer Aided Design

41

CERS

Conventional Ejector Refrigeration

18

System CFD

Computational Fluid Dynamics

7

CNG

Compressed Natural Gas

5

CNSE

Circle Nozzle Steam Ejector

10

CO

Carbonmonoksida

6

COP

Coefficient of Performance

7

DEN

Departemen Energi Nasional

2

DES

Detached Eddy Simulation

46

EDN

Energi Data Nasional

5

ESDM

Energi dan Sumber Daya Mineral

3

KEN

Kebijakan Energi Nasional

2

LES

Large Eddy Simulation

46

LNG

Liquid Natural Gas

5

LPG

Liquid Petroleum Gas

5

MBOE

Million Barrels of Oil Equivalent

5

MFG

Multi Function Generator

20

NXP

Nozzle Exit Position

10

PDE

Partial Differential Equation

40

PDB

Pertumbuhan Domestik Bruto

3

RNG

Renormalization-group

46

RSM

Reynold Stress Model

46

SNSE

Square Nozzle Steam Ejector

10

xxxv


Lambang

Arti

Satuan


Ar

Luas

m2

9

a

Kecepatan suara

m/s

29

cp

Kalor spesifik

J/kg.K

22

cv

Volume spesifik

J/kg.K

22

du dy

Gradien kecepatan

m/s

26

ER

Entrainment Ratio

Dimensionless

21

E

Energi

J

g

Percepatan Gravitasi

m/s2

24

h

Enthalpy

J/kg

22

k

Konduktifitas termal fluida

W/m.K

22

L

Panjang atau jarak

m

28

m s

Mass flow rate secondary

kg/s

21

m p

Mass flow rate primary

kg/s

21

Ma

Mach number

Dimensionless

29

P

Tekanan

Pa

22

p

Tegangan normal

Pa

32

q

Heat flux

W/m2

36

Re

Bilangan Reynolds

Dimensionless

28

R

Konstanta gas ideal

m2/s2.K

29

R

Konstanta gas Universal

kg.m2/kmol.s2.K

29

T

Temperatur

K

22

u

Kecepatan pada arah x

m/s

32

V

Kecepatan

m/s

28

v

Viskositas kinematik

m2/s

22

v

Kecepatan pada arah y

m/s

32

xxxvi


Lambang

Arti

Satuan


x

Koordinat kartesian

m

32

y

Koordinat kartesian

m

32

z

Koordinat kartesian

m

32

δ

Tebal boundary layer

m

32

ε

Disipasi

J

47

ρ

Densitas

kg/m3

22

µ

Viskositas dinamik

Pa.s

22

η

Tegangan viscous

Pa

31

yx

Tegangan geser

N/m2

26

Spesific Weights

m/s2

24

Ф

Nilai rata-rata

Dimensionless

38

θ

Converging angle

o

40

xxxvii


BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Di Indonesia, banyak energi yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan

rumah tangga maupun untuk kebutuhan industri. Beberapa energi yang sudah dimanfaatkan yaitu energi fosil, energi panas bumi, energi surya, dan energi air (hydropower). Pada skema arus distribusi energi di Indonesia (Gambar 1.1), energi fosil yang mendominasi pemanfaatan energi saat ini. Energi fosil diklasifikasikan menjadi crude oil, coal dan natural gas. Energi fosil digunakan untuk pembangkit listrik hingga untuk bahan bakar kendaraan bermotor. Energi panas bumi juga dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik. Walaupun di Indonesia mempunyai potensi energi panas bumi yang besar tetapi dalam pemanfaatannya belum dikelola secara baik. Namun dalam kurun waktu belakangan ini, mulai dibangun Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi di beberapa daerah. Energi surya juga dimanfaatkan masih dalam skala kecil di Indonesia, karena membutuhkan alat yang cukup mahal dalam pemanfaatannya menjadi sumber pembangkit listrik. Hydro power dalam pemanfaatannya kurang lebih sama dengan energi panas bumi belum dimanfaatkan secara baik. Berbagai sumber energi diatas dalam pemanfaatannya perlu didukung ilmu pengetahuan. Pemanfaatan energi dan ilmu pengetahuan harus berjalan beriringan, agar energi tersebut dapat dimanfaatkan. Pemanfaatan energi juga harus ditinjau efek negatif dampak bagi lingkungan. Kebijakan energi Indonesia ke depan tertuang dalam Peraturan Pemerintah (Perpres) 79/2014 tentang Kebijakan

Energi

Nasional (KEN) menggantikan Peraturan Presiden (Perpres) 05/2006 tentang Kebijakan Energi Nasional. Kebijakan pengelolaan energi didasarkan pada prinsip

keadilan, berkelanjutan, dan berwawasan lingkungan guna terciptanya

kemandirian energi dan ketahanan energi nasional [Dewan Energi Nasional, 2014]. Penggunaan energi berprinsip pada wawasan lingkungan sehingga energi ramah lingkungan yang diperlukan. Dalam pemanfaatnya energi memerlukan sebuah alat atau sistem supaya lebih efisien. 1



2

Efisiensi energi dapat didefinisikan sebagai semua metode, teknik, dan prinsip-prinsip yang memungkinkan untuk dapat menghasilkan penggunaan energi lebih efisien dan membantu penurunan permintaan energi global [Indoenergi, 2016]. Data Menteri ESDM (Energi dan Sumber Daya Mineral) menyebutkan ”Usaha untuk mencapai pemakaian energi yang efisien di Indonesia menghadapi tantangan yang cukup berat. Data Statistik Ekonomi Energi Kementerian ESDM menunjukkan elastisitas pertumbuhan konsumsi energi terhadap Pertumbuhan Domestik Bruto (PDB) rata-rata dalam rentang tahun 1991-2005 mencapai 2,02. Angka tersebut menunjukkan pertumbuhan PDB masih bergantung pada pertumbuhan konsumsi energi yang besar (elastisitas energi yang diharapkan kurang dari 1, yang menunjukkan tingkat efisiensi tinggi). Walaupun intensitas penggunaan energi relatif tinggi, namun konsumsi energi per kapita di Indonesia relatif rendah. Indeks intensitas energi Indonesia mencapai 470, sementara konsumsi energi per kapita adalah 0,467. Bandingkan dengan Jepang, intensitas energi 92,8 sementara konsumsi energi per kapita-nya adalah 4,14. Angka tersebut memperkuat gambaran bahwa penggunaan energi di Indonesia belum produktif dan belum merata. Untuk mengembangkan efisiensi energi, selain mendorong pertumbuhan ekonomi, Indonesia juga harus mengurangi pertumbuhan konsumsi energi. Pengurangan angka pemakaian energi adalah dengan melakukan langkah efisiensi, konservasi dan diversifikasi energi. Hal ini menuntut peran semua pihak secara luas, terutama sektor-sektor yang mengkonsumsi energi dalam skala besar”. Data tersebut penulis mengambil kesimpulan bahwa penggunaan energi perlu adanya efisiensi, karena tingkat konsumsi di Indonesia yang masih tinggi [ESDM, 2016]. Efisiensi energi dapat berjalan dengan peran serta ilmu pengetahuan dan teknologi. Peranan ilmu pengetahuan berpengaruh dalam menciptakan teknologi yang menggunakan konsumsi energi yang rendah pada suatu sistem ataupun alat. Teknologi akan mampu menjawab masalah yang sedang dihadapi masyarakat maupun industri. Teknologi yang menunjang industri dalam proses produksi maupun dalam efisiensi pekerjaan adalah salah satu cara untuk mencapai efisiensi


3

energi. Untuk mencapai hal tersebut, perlu adanya riset dan penelitian supaya dapat menjawab tantangan pemanfaatan energi yang efisien. Energi menjadi kebutuhan yang primer untuk proses produksi maupun yang menunjang proses produksi. Di Industri, energi digunakan untuk membuat pekerjaan menjadi lebih mudah, efisien waktu dan biaya. Karena adanya energi maka industri dapat beroperasi dan proses produksi dapat berlangsung. Setelah itu, produk hasil industri didistribusikan ke konsumen juga memerlukan energi yaitu energi fosil yang sudah diolah menjadi bahan bakar.

Gambar 1.1 Skema arus distribusi energi di Indonesia tahun (Compendium of The National Energy Management of Indonesia, 2012).

2011

Energi fosil adalah energi yang didapatkan dari hasil alam yang mengandung hidrokarbon seperti batu bara, minyak bumi dan gas alam. Energi fosil terjadi karena adanya timbunan mineral yang sangat lama sehingga energi fosil digolongkan menjadi energi tidak dapat diperbaharui. Energi fosil didapatkan dari fosil yang ada dibawah permukaan bumi maupun di bawah laut. Jumlah


4

pemanfaatan energi fosil luas, mulai dari rumah tangga hingga industri. Pemanfaatan energi fosil di alam seperti batubara, minyak bumi, natural gas diolah menjadi energi listrik, bahan bakar, LPG, LNG, CNG, dll. Presentase terbesar penggunaan energi fosil didominasi untuk pembangkit tenaga listrik dan bahan bakar. Pada tahun 2013 total konsumsi energi listrik domestik mencapai 188 TWh atau meningkat 40% dari tahun 2009. Konsumsi listrik diperkirakan akan terus meningkat hingga 287 TWh pada tahun 2018 dan 386 TWh pada tahun 2022, dengan rata-rata pertumbuhan ekonomi per tahun 8,3%. Pada Gambar 1.2, tahun 2011 di Indonesia penggunaan energi terbesar pada sektor industri yaitu 38,06% dan terbesar kedua di sektor transportasi dengan 33,45%. Energi fosil yang diolah menjadi bahan bakar digunakan di sektor transportasi dan pembangkit listrik. Bahan bakar dapat diklasifikasikan sesuai dengan kebutuhan. Karena keberagaman jenis bahan bakar yang digunakan untuk transportasi, maka perlu adanya pengolahan hingga menjadi produk jadi. Teknologi mampu memberikan solusi dari energi primer menjadi energi final [Purnomo, 2014]. Energi primer adalah energi yang diberikan oleh alam dan belum mengalami proses pengolahan lebih lanjut. Energi final adalah energi yang langsung dapat dikonsumsi oleh pengguna akhir. Teknologi pemanfaatan energi fosil sering dijumpai inefisiensi. Inefisiensi dapat ditemukan pada proses pembakaran. Proses pembakaran menghasilkan sebuah usaha. Pada proses pembakaran selain menghasilkan usaha juga menghasilkan panas yang cukup besar. Dalam kendaraan bermotor, panas yang dihasilkan tidak dimanfaatkan lagi untuk proses tertentu. Panas yang dihasilkan dari proses pembakaran dibuang begitu saja ke lingkungan. Untuk mengatasi inefisiensi tersebut, panas dapat dimanfaatkan untuk menyuplai panas (kalor) di sistem refrijerasi. Sistem refrigerasi adalah penyerapan kalor oleh suatu zat pendingin yang disebut refrigeran. Refrigeran adalah fluida yang mempunyai titik didih yang rendah dan mempunyai titik beku yang tinggi. Ketika temperatur refrijeran lebih rendah dengan lingkungan maka, refrijeran mudah menyerap kalor dari


5

lingkungan. Refrijeran bertemperatur lebih rendah dari temperatur lingkungan terjadi proses perpindahan kalor (heat transfer). Perbedaan temperatur tersebut, refrigeran akan menguap karena menyerap panas dari lingkungan, sehingga temperatur di lingkungan menjadi dingin. Ketika refrijeran diberi tekanan yang rendah akan mudah untuk membeku. Perbedaan temperatur yang tinggi dalam proses refrigerasi dapat menaikan efisiensi sistem refrigerasi tersebut. Panas sisa (waste heat) hasil proses pembakaran dapat digunakan untuk membantu proses refrijerasi agar lebih efisien. Dengan begitu selain menghasilkan usaha, panas hasil proses pembakaran dapat dimanfaatkan dan tidak merusak lingkungan.

Gambar 1.2 Sektor-sektor konsumsi energi di Indonesia [Compendium of The National Energy Management of Indonesia, 2012]. Panas yang dihasilkan dari industri dan kendaraan yang dibuang ke udara bebas dapat menyebabkan polusi udara dan menimbulkan efek pemanasan global. Pemanasan global terjadi karena gas CO yang dihasilkan dari proses pembakaran dapat merusak lapisan ozon. Lapisan ozon yang rusak menyebabkan radiasi ultraviolet dapat masuk ke permukaan bumi. Ultraviolet yang masuk ke bumi tidak dapat keluar lagi, sehingga membuat suhu bumi bertambah panas. Dalam menjaga lingkungan agar tetap baik walaupun banyak industri, perlu adanya penanganan terhadap waste heat. Waste heat dapat dimanfaatkan untuk keperluan


6

yang dapat menghemat energi yang diperlukan industri. Steam ejector dapat menjadi solusi dalam masalah yang sedang dihadapi. Steam ejector dapat mereduksi biaya dan dapat mengubah gas buang tersebut menjadi kompresi [Subramanian, 2014]. Steam ejector dapat bersaing dengan peralatan konvensional lain seperti kompresor. Meskipun kompresor dapat meningkatkan kompresi yang baik dan Coefficient of Performance (COP) yang tinggi, akan tetapi kompresor membutuhkan perawatan yang rutin dan suplai tenaga listrik yang besar. Kelebihan steam ejector dibandingkan kompresor yaitu tidak memerlukan tenaga listrik dan mudah dalam perawatannya. Pemanfaatan waste heat dari suatu sistem pada kendaraan dan industri diperlukan untuk menjaga lingkungan agar tetap baik. Selain itu, penggunaan bahan bakar yang efisien dapat menjaga kelestarian lingkungan serta mereduksi biaya produksi yang tinggi. Beberapa alat yang dapat membantu dalam proses efisiensi dan menjadi kelestarian lingkungan adalah venturi scrubber, converter, dan steam ejector. Alat-alat tersebut mempunyai kelebihan masing-masing dalam penggunaan tergantung masalah yang dihadapi. Dalam proses pemanfaatan waste heat, steam ejector mempunyai banyak kelebihan. Steam ejector mempunyai kelebihan yaitu tahan uji, mempunyai bentuk yang simpel, dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama, biaya yang murah, dapat digunakan di beberapa refrigeran, perawatannya mudah, dan dapat digunakan pada refrigeran air. Air adalah refrigeran yang mudah didapat dan ramah lingkungan. Steam ejector mempunyai sebutan lain yaitu injector, jet pump, thermo compressor. Ejector pada sistem refrijerasi terbagi menjadi 4 golongan yaitu: conventional ejector refrigeration systems, advanced ejector refrigeration systems, combined refrigeration systems dan ejector enhanced vapor compression systems. Masing masing golongan mempunyai fungsi dan kegunaan masing-masing tergantung masalah yang sedang dihadapi di lapangan (Chen, 2015). Steam ejector adalah alat yang dapat digunakan untuk memompa cairan, gas atau campuran cairan, gas dan padat [Shah, 2011]. Steam ejector cocok untuk menghisap dan memompa cairan yang beracun di industri. Steam ejector juga


7

digunakan sebagai alat untuk memenuhi kebutuhan air di lokomotif dan armada laut serta sebagai steam jet air ejector di pengisian gas pada kondensor turbin. Selain itu, steam ejector juga digunakan di industri minyak dan gas untuk meningkatkan produksi. Dalam kurun waktu beberapa tahun belakang ini, steam ejector menjadi pusat penelitian komputasi maupun eksperimen oleh banyak peneliti yaitu Aybar dan Beithou, 1999; Dumaz dkk, 2005; Garcia del Valle dkk, 2015, serta Yan dkk, 2005. Peneliti tersebut mencari performa dari steam ejector. Untuk kedepannya, steam ejector dapat digunakan untuk pendinginan pada keadaan darurat dan sistem pemasok pendinginan di reaktor nuklir. Kebutuhan masing-masing penggunaan, steam ejector tidak terlepas dari model. Model yang baik dapat membantu proses pencampuran fluida secara menyeluruh dan mengurangi back pressure. Geometri dari mixing chamber dan panjang dari throttle, serta sudut dan tinggi dari converging section sangat mempengaruhi performa dari steam ejector (Henzler, 1983). Penelitian Varga dkk tahun 2009 adalah jarak optimum dari keluaran primary nozzle hingga masuk dalam mixing chamber untuk pencampuran dua fluida. Pada penelitian Fahris, 2010 menyatakan kelemahan dari steam ejector pada refrigerasi adalah nilai COP dan kapasitas pendinginan yang rendah. Maka berbagai eksperimen dari steam ejector dikembangkan untuk meningkatkan nilai COP. Entrainment ratio berpengaruh langsung terhadap nilai COP pada suatu sistem. Entrainment ratio sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri steam ejector dan operating conditions. Refrigerasi steam ejector merupakan sistem refrigerasi dengan memanfaatkan waste heat sebagai sumber energi utamanya. Pada penelitian Mohammad Subri, 2013 menyatakan steam ejector berperan sebagai pengganti kompresor pada siklus kompresi uap. Refrigerasi steam ejector memiliki COP yang rendah, sehingga perlu dilakukan penelitian karakteristik dari steam ejector. Penelitian yang dilakukan adalah dengan membuat desain geometri steam ejector untuk mendapatkan hasil yang paling optimal. Kinerja steam ejector dapat dilihat dari besarnya nilai entrainment ratio. Entrainment ratio adalah perbandingan mass flow rate secondary dengan mass flow rate primary.


8

Meningkatnya nilai entrainment ratio dapat meningkatkan nilai COP sistem refrigerasi. Penelitian ini, C.Li, Y.Z. Li, 2011, “Investigation of entrainment behavior and characteristics of gas-liquid ejector based on CFD simulation”. Mempelajari gas-liquid ejectors yang diaplikasikan pada natural circulation precooling of cryogenic propellant rocket engine system. Data yang hasil eksperimen digunakan untuk validasi pada simulasi dengan menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD). CFD digunakan untuk mengetahui secara detail pengaruh yang terjadi dengan memvariasikan bentuk geometri, spesifikasi fluida dan operating condition pada 2 fase fluida. Mass flow rate secondary menurun bersamaan dengan naiknya perbedaan tekanan pada ΔP (primary pressure dan secondary pressure). Ketika ΔP dan secondary pressure konstan menjadikan mass flow rate secondary secara berlahan meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure. Selain itu panjang pipa pencampuran (throttle) menjadi parameter yang penting dalam performa ejector. Maksimum panjang throttle pada gas–liquid ejectors adalah mempunyai rasio 1-2 kali dari diameter pipa pencampuran untuk mendapatkan entrainment ratio yang optimum. Untuk hasil optimum dari panjang throttle dibanding diameter throttle untuk satu fasa ejector adalah antara 5-7. Jianyong Chen, Sad Jarall dan Hans Havtun tahun 2015 dengan jurnal yang berjudul “A review on versatile ejector aprimary pressurelications in refrigeration system” menunjukkan performa dari sistem tergantung dari tipe dari refigeran, operating conditions dan geometri ejector tersebut. Area ratio (Ar) dan Nozzle Exit Position (NXP) adalah bagian dari parameter geometri ejector. Performa yang maksimum dari ejector tidak mudah didapatkan. Beberapa sistem refrigerasi ejector untuk mendapatkan hasil maksimum, yaitu: conventional ejector refrigeration systems, advanced ejector refrigeration systems, combined refrigeration systems dan ejector enhanced vapor compression systems. Pada conventional ejector refrigeration performance mempunyai beberapa hal yang istimewa, yaitu membutuhkan konsumsi listrik lebih rendah daripada vapor compression system. Advanced ejector refrigeration system digunakan untuk meningkatkan efisiensi, meningkatkan COP dan menghilangkan pompa dengan


9

memanfaatkan panas saja. Advanced ejector refrigeration system cocok digunakan pada Air Conditioning (AC) dan pembuatan es batu yang memanfaatkan panas matahari. Untuk combined refrigeration systems, refrigeration system digunakan dengan memanfaatkan waste heat untuk proses pendinginan. Ejector enhanced vapor compression system digunakan untuk sistem refrigerasi di supermarket, kulkas dan pompa kalor. Randheer L. Yadav dan Ashwin W.Patwardhan, 2008, ”Design aspects of ejectors: effects of suction chamber geometry”. Ruang pencampur (suction chamber) adalah tempat dua aliran yaitu primary fluid dan secondary fluid bertemu. Suction chamber menjadi bagian yang penting dari ejector untuk mengoptimalisasikan performa ejector. Pada penelitian tersebut, peneliti menyelidiki tentang (i) perbandingan (LTN/DT), LTN jarak dari ujung nozzle ke bagian throat dan DT adalah diameter throat, (ii) Diameter dari suction chamber (Ds), dan (iii) sudut dari converging section (θ). Hasil penelitian menyimpulkan bahwa diameter dari suction chamber lebih besar mempengaruhi kapasitas entrained fluid yang masuk ke mixing chamber. Sudut dari converging section (θ) yang optimum berada pada rentang 5⁰-15⁰, serta nilai optimum entrainment ratio yang dihasilkan pada area ratio (Ar) 6,6. Dalam

simulasi

steam

ejector,

peneliti

menggunakan

simulasi

Computational Fluid Dinamics (CFD) ANSYS Fluent 14. CFD digunakan untuk mengurangi biaya dan efisiensi waktu dalam membuat prototype pada sebuah rancangan. Penggunaan CFD dapat memprediksi kontur tekanan, temperatur dan kecepatan yang terjadi pada sistem, dengan memberikan boundary condition pada prototype [Bartosiewicz, 2005]. CFD dapat menganalisa permasalahan aliran yang komplex, seperti entrainment ratio dan proses pencampuran di dalam ejector. CFD juga dapat mengetahui kontur arah aliran. Pada sistem yang sulit untuk dibuat prototype maupun dalam pengujian, CFD memberikan pemahaman mendalam mengenai efek yang akan terjadi.


10

1.2

Perumusan Masalah Masalah yang akan dibahas oleh peneliti pada penelitian ini antara lain: 1. Bagaimana pengaruh variasi primary pressure terhadap nilai entrainment ratio di dalam steam ejector? 2. Bagaimana pengaruh variasi Nozzle Exit Position (NXP) terhadap nilai entrainment ratio di dalam steam ejector? 3. Pengaruh model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE) terhadap nilai entrainment ratio di dalam steam ejector.

1.3

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

tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui nilai entrainment ratio dari variasi primary pressure. 2. Mengetahui nilai entrainment ratio dari variasi Nozzle Exit Position (NXP). 3. Mengetahui dan menganalisa nilai entrainment ratio dari variasi model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE) .

1.4

Batasan Masalah Batasan-batasan yang ditentukan dalam simulasi steam ejector pada

penelitian ini adalah: 1. Simulasi di lakukan pada aliran steady dan 3 dimensi. 2. Menggunakan steam untuk primary fluid dan udara untuk secondary fluid. 3. Primary fluid disimulasikan pada tekanan 140 kPa, 155kPa, 170 kPa. 185 kPa dan 200 kPa. 4. Model nozzle yang digunakan Circle Nozzle dan Square Nozzle. 5. Menggunakan variasi Nozzle Exit Position (NXP). 6. Menggunakan geometri steam ejector yang sudah ditentukan. 7. Tidak memperhitungkan rugi-rugi gesekan dengan dinding (inviscid).


11

8. Tidak terjadi perpindahan panas dengan lingkungan (adiabatic). 9. Menggunakan model turbulen realizable k-ε.

1.5

Manfaat Penelitian Melalui penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai

berikut: 1. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menambah ilmu pengetahuan tentang pemanfaatan gas buang terhadap efisiensi energi dalam pengembangan ilmu pengetahuan. 2. Menambah kajian ilmu yang mempelajari tentang pemanfaatan waste heat. 3. Mengetahui nilai efisiensi penggunaan steam ejector yang baik dengan model steam ejector yang sudah ditentukan oleh peneliti. 4. Penelitian ini dapat memperluas wawasan mengenai pemanfaatan waste heat terhadap efisiensi penggunakan energi untuk menjaga kelestarian lingkungan sekitar. 5. Supaya peneliti dapat memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin.


BAB II DASAR TEORI

2.1

Steam Ejector Steam ejector pertama kali ditemukan oleh Le Blance dan Charles Parsons

tahun 1900. Pada tahun 1930, steam ejector mulai dikenal dan digunakan pada AC untuk gedung-gedung. Steam ejector bekerja dengan memanfaatkan waste heat dari sistem pembangkit daya, ruang pembakaran dan pada mesin industri untuk menghasilkan proses refrigerasi. Pada Gambar 2.2, steam jet ejector secara umum terdiri lima bagian yaitu: nozzle, suction chamber, mixing chamber, throttle dan diffuser (diverging section) [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Keuntungan menggunakan steam ejector yaitu tidak ada part yang bergerak, tidak membutuhkan

pelumasan

dalam

proses

kerjanya,

relatif

murah

dalam

pembuatannya, dalam pengoperasiannya juga simpel, tangguh dan mempunyai biaya perawatan sangat rendah dibanding kompresor.

Gambar 2.1 Liquid ejector (http://www.equirepsa.com).

(kiri),

steam

jet

liquid

ejector

(kanan)

Suction chamber

Gambar 2.2 Skema ejector (Chunnanond dan Aphornaratana, 2004).

12


13

Gambar 2.3 dapat dilihat proses yang terjadi di dalam steam ejector. Uap bertekanan rendah dan bertemperatur tinggi dari boiler masuk ke primary nozzle dan keluar menuju daerah mixing chamber dengan kecepatan supersonic sehingga akan menghisap secondary fluid yang bertekanan tinggi dan temperatur lebih rendah dari suction chamber. Ketika primary fluid dan secondary fluid mengalami pencampuran pada mixing chamber, kecepatan fluida menjadi aliran subsonik. Setelah fluida melewati throttle dan menuju ke diverging section tekanan fluida meningkat karena adanya perluasan penampang pada diverging section. Peranan steam jet ejector adalah sebagai pengganti kompresor pada siklus kompresi uap yaitu menaikkan tekanan aliran dari evaporator melalui suction chamber (Fahris, 2010).

Gambar 2.3 Karakteristik tekanan dan kecepatan aliran di dalam steam ejector [Chunnanond dan Aphornaratana, 2004]. 2.2

Bagian-bagian Steam Ejector Penelitian ini menggunakan steam ejector. Bagian steam ejector terdiri

dari nozzle, suction chamber, mixing chamber, throttle dan diverging section.


14

a. Nozzle Nozzle terbagi menjadi 2 bagian yaitu converging nozzle dan diverging nozzle. Aliran fluida yang mengalir melalui nozzle disebut primary flow. Penampang nozzle yang menyempit bertujuan agar aliran yang masuk ke dalam nozzle mengalami peningkatan kecepatan menjadi subsonic maupun supersonik. b. Suction chamber Suction chamber mempunyai penampang yang luasannya konstan dan berbentuk tabung. Bagian ini terjadi pencampuran primary fluid dan secondary fluid pada variasi Nozzle Exit Position (NXP) Minus. Bagian ini didominasi oleh secondary fluid, karena secondary fluid mengalir di bagian ini sebelum bercampur dengan primary fluid. c. Mixing chamber Mixing chamber terdapat di daerah converging section, dimana dua fluida bertemu secara langsung pada variasi Nozzle Exit Position (NXP) Plus. Mixing chamber dapat disebut sebagai jantung/pusat dari ejector. Hal tersebut dikarenakan terjadi proses termodinamika, proses hisap, proses pencampuran kedua fluida, perpindahan massa, momentum, dan transfer energi. Secondary flow mengalami perubahan kecepatannya menjadi sonic karena

momentum

yang

dihasilkan

oleh

primary

flow.

Karena

terkondensasi oleh steam primary fluid, fluida hasil akhir adalah subcooled water mempunyai tekanan yang relatif tinggi. d. Throttle Bagian throttle adalah bagian yang mempunyai diameter dan luasan penampang yang konstan. Di bagian ini kedua fluida mengalami pencampuran secara terus menerus. Pada beberapa penelitian yang ada, throttle menjadi bagian yang sangat mempengaruhi nilai entrainment ratio. e. Diffuser Diffuser merupakan bagian diverging section yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan. Fluida yang mengalir di bagian ini adalah aliran


15

campuran dari energi kinetik diubah menjadi tekanan, sehingga membuat kecepatan dari aliran berkurang dan tekanan akan bertambah.

2.3

Aplikasi Steam Ejector Di dalam proses refrijerasi (Gambar 2.4), steam ejector digunakan

meningkatkan efisiensi untuk membuat efek pendinginan dengan memanfaatkan waste heat dari proses di industri dan maupun otomotif.

Gambar 2.4 Siklus refrigerasi (http://globaldensoproducts.com).

Gambar 2.5 Diagram eksperimen chiller steam ejector dengan memanfaatkan panas matahari [Pollerberg, 2008].


16

Steam ejector digunakan dalam pendinginan dan mengeringkan makanan sebelum disajikan atau pada waktu proses pengiriman. Pengaplikasian steam ejector juga dapat menggunakan kalor dari energi terbarukan, contohnya panas matahari (Gambar 2.5).

Gambar 2.6 Ejector pada pressure vessel di pembangkit listrik tenaga panas bumi (http://www.shailvac.com/).

Gambar 2.7 Skema oil production (https://en.wikipedia.org). Selain itu steam ejector juga digunakan untuk proses kompresi uap yang membutuhkan performa sistem yang baik serta mempunyai efisiensi energi yang tinggi. Steam ejector dapat digunakan di pressure vessel pada pembangkit listrik


17

tenaga panas bumi (Gambar 2.6). Ejector pada pressure vessel berfungsi untuk meningkatkan tekanan sehingga aliran fluida yang masuk untuk memutar turbin/generator dapat lebih maksimal. Namun kekurangan yang dimiliki steam ejector adalah mempunyai efisiensi yang relatif kecil dan sulit dalam menentukan desain yang cocok. Oleh karena itu, steam ejector masih menjadi topik yang banyak diteliti untuk mengetahui karakteristik, cara kerja serta cara untuk meningkatkan performanya. Steam ejector digunakan dalam industri perminyakan (Gambar 2.7). Pada proses pengambilan minyak mentah, ejector digunakan supaya kerja dari pompa penghisap tidak berat. Pada proses ini, ejector mengalirkan steam/nitrogen ke bawah permukaan bumi hingga di daerah lapisan minyak mentah. Volume steam yang dimasukan akan memenuhi lapisan minyak mentah. Tekanan di lapisan minyak mentah meningkat karena tekanan steam, maka minyak mentah akan bergerak menuju saluran oil production (Gambar 2.7). Selain itu, ejector juga digunakan pada proses farmasi, contohnya untuk mencampur senyawa/fluida. Ejector cocok untuk proses pencampuran membutuhkan kondisi vakum (Gambar 2.8). Ejector juga digunakan dalam dunia otomotif untuk proses pencampuran bahan bakar. Dari berbagai contoh tersebut, ejector menjadi alat yang sangat diperlukan di berbagai bidang.

Gambar 2.8 Proses pencampuran bahan kimia dalam kondisi vakum (http://www.openpr.com). Tingkat kevakuman yang dapat dicapai oleh steam ejector bervariasi antara 0,13 bar untuk single stage sampai dengan 0,03 bar untuk two stage steam jet


18

ejector. Kebutuhan uap untuk motive steam tergantung dari jumlah aliran gas yang akan diekstraksi. Kondisi motive steam harus uap kering dan jenuh. Jika terdapat moisture dalam steam, separator dan steam trap dapat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas steam. Minimum dryness steam yang dianjurkan adalah 99.5%. Kualitas uap yang buruk tidak akan membahayakan sistem, tetapi dapat menyebabkan erosi di steam nozzle dan diffuser [Chen dkk, 2015].

2.4

Tipe-tipe Steam Ejector Refrigeration System Penggolongan tipe-tipe ejector system oleh Jianyong Chen dkk, 2015 yang

menyebutkan 3 tipe dibawah ini :

2.4.1

Conventional Ejector Refrigeration System (CERS)

Gambar 2.9 (a) Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) dan (b) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. Dalam Gambar 2.9 menunjukkan sistem refrijerasi konvensional dan diagram P-h dengan dua model ejector yang digunakan dalam teknologi refrijerasi. Dua model ejector adalah model konstan area pencampuran dan model konstan tekanan pencampuran. Secara umum sistem tersebut mempunyai penggunaan energi yang kecil (Qg) yang disalurkan di generator untuk penguapan. Tekanan tinggi yang dihasilkan oleh generator (primary flow) dan tekanan rendah dari evaporator (secondary flow) masuk ke ejector. Selanjutnya, pencampuran dari kedua fluida tersebut masuk menuju ke condensor untuk proses pelepasan


19

panas ke lingkungan (Qc). Fluida yang mencair akan dipompakan ke generator dan sisa uap akan masuk ke katub ekspansi lalu disalurkan ke evaporator. Yang mempengaruhi efek dari performa sistem adalah temperatur dari generator (Tg), temperatur condensor (Tc), temperatur evaporator (Te), perbedaan temperatur yang ada di primary flow (ΔTp) dan secondary flow (ΔTs), geometri ejector, Area ratio (Ar), Nozzle Exit Position (NXP), converging angle (θ) dari mixing chamber, dan panjang throttle. Nilai COP dan entrainment ratio yang baik berpengaruh pada fluida kerja, kondisi pengoperasian, dimensi ejector dan semua parameter, sehingga untuk mendapatkan kondisi yang benar-benar bagus bukan hal yang mudah. Area ratio dan NXP adalah yang paling berpengaruh terhadap entrainment ratio. Untuk divergent-convergent angle dan diffuser hanya sedikit mempengaruhi entrainment ratio [Chen dkk, 2015]. Conventional ejector refrigeration system (CERS) diteliti selama kurun waktu 100 tahun terakhir dan masih menjadi topik menarik untuk penelitian. Penelitian yang dapat menjawab fenomena aliran di ejector. Selain fenomena aliran, desain geometri sangat mempengaruhi performa ejector. Karena memang banyak faktor yang mempengaruhi performa dari ejector, yaitu fluida kerja, dimensi ejector, operating condition terutama temperatur. Meskipun CERS sangat sedikit

dalam

konsumsi

listrik,

CERS

mempunyai

kekurangan

ketika

dibandingkan dengan absorption refrigeration system. Absorption refrigeration system mempunyai COP rendah dan sulit untuk digunakan pada operating condition yang berbeda [Chen dkk, 2015].

2.4.2

Advanced Ejector Refrigeration System Dalam menyikapi CERS yang mempunyai nilai COP yang rendah maka,

peneliti mencoba untuk mencari Advanced Ejector Refrigeration System yang mempunyai nilai COP yang tinggi. Penelitian dilakukan dengan simulasi dan eksperimen. Cara untuk memperoleh nilai COP yang tinggi dengan mengubah konfigurasi/struktur dari ejector. Konfiguasi ejector dengan menggunakan multistage ejector dan tidak menggunakan pompa mekanik dalam pengoperasian


20

sistem. Konfiguasi juga dapat menggunakan regenerasi dan/atau pre-cooler [Chen, 2015].

Gambar 2. 10 Dua tingkat sistem refrigerasi (a) Konfigurasi ejector; (b) Skema sistem; (c) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. Pengoperasian conventional refrigeration system menggunakan pompa istrik. Selain itu, masalah yang sering ditemui dalam penggunaannya adalah terdapat rongga di dalam sistem, kebocoran refrigeran, getaran dan malfunction. Untuk menyikapi hal itu diperlukan solusi dari masalah yang terjadi. Nguyen tahun 2001 menggunakan ejector yang memanfaatkan grafitasi bumi dalam pengoperasiannya. Huang tahun 2006 menggunakan Multi Function Generator (MFG) untuk memompa panas pengganti pompa mekanik.

2.4.3

Combined Steam Ejector Refrigerator System Ejector dapat dikombinasikan dengan tipe sistem refrijerasi yang lain

contohnya: vapor compression refrigeration system, absorption system

dan


21

adsorbtion system, heat pipe and power generation system. Combined steam ejector refrigeration system digunakan khusus pada kondisi lingkungan tertentu agar tercapai efisiensi yang baik [Chen, 2015].

Gambar 2.11 Combined Steam Ejector Refrigeration System [Chen dkk, 2015].

2.4

Evaluation Parameter Steam Ejector Dalam melakukan analisa performa dari steam ejector diperlukan

parameter yang merepresentasikan karakteristik. Analisa aliran fluida pada steam ejector dilakukan menggunakan entrainment ratio. Berikut ini persamaannya:

entrainment ratio

 s m p m

(2.1)

dimana,

2.5

m s

= mass flow rate secondary (kg/s)

m p

= mass flow rate primary (kg/s)

Definisi Fluida Fluida terbagi menjadi 3 jenis yaitu benda padat, cair dan gas. Jika suatu

benda padat dimasukkan kedalam suatu wadah (container) tertutup yang lebih besar maka, bentuk benda padat tersebut tidak akan berubah bentuk menyesuaikan wadah. Namun jika zat cair dimasukkan ke dalam wadah, maka zat cair tersebut akan berubah bentuk dan akan menyesuaikan bentuk dengan wadah. Dan jika gas


22

yang dimasukkan ke dalam wadah maka, akan memenuhi wadah secara keseluruhan [Fox, 2011]. Kata “fluida” digunakan untuk merepresentasikan baik benda cair ataupun gas. Fluida didefinisikan sebagai zat yang dapat terdeformasi secara terus menerus jika diberikan tegangan geser, walaupun gaya geser yang diberikan tersebut relatif kecil seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.12(b). Deformasi benda padat (solid) akan terjadi jika dikenai geseran, tetapi deformasi pada benda padat tidak berlangsung secara terus menerus seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.12(a).

Gambar 2.12 Efek dari (a) benda padat (solid) dan (b) fluida (fluid), jika diberikan gaya geser yang konstan [Fox, 2011]. Ketika berbicara tentang kecepatan fluida (V), hal-hal yang perlu diketahui adalah data properti termodinamika dari fluida tersebut. Ada 3 hal yang paling penting yang dipunyai fluida ketika berbicara vektor kecepatan fluida yaitu tekanan, densitas dan temperatur. Selain itu,yang dapat mempengaruhi sifat dari fluida adalah viskositas kinematik (v), viskositas dinamik (

), entalpi (h),

kondutifitas termal (k), kalor spesifik (Cp), volume spesifik (Cv) dll.

(P,T )

h

(P,T )

h(P,T )

a. Densitas Densitas dilambangkan dengan simbol Yunani massa

fluida

per

mengkarakteristikan

satuan

volume.

massa sebuah

Densitas sistem

(rho), didefinisikan sebagai biasanya

fluida.

digunakan

Untuk

untuk

satuan British

menggunakan satuan slugs/ft, dalam satuan SI menggunakan kg/m 3. Nilai


23

kerapatan dapat bervariasi cukup besar diantara fluida yang berbeda. Zat cair pada variasi tekanan dan temperatur umumnya hanya memberikan pengaruh kecil terhadap nilai rho. Tidak seperti gas, kerapatan sebuah gas sangat dipengaruhi oleh tekanan dan temperaturnya. Fluida yang mempunyai densitas paling tinggi adalah Mercury dengan 13580 kg/m3, yang mempunyai densitas terendah adalah Hydrogen dengan 0,0838 kg/m3.

b. Viskositas Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas suatu fluida, maka semakin sulit fluida mengalir dan semakin sulit benda bergerak dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair viskositas dihasilkan dari gaya kohesi antar molekul zat cair. Di dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas.

c. Entalpi Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi suatu sistem termodinamika. Entalpi terdiri dari energi dalam sistem, termasuk satu dari lima potensial termodinamika dan fungsi keadaan, juga volume dan tekanannya. Dalam satuan SI, entalpi mempunyai satuan Joule. Total entalpi (h) tidak bisa diukur secara langsung. Sama seperti pada mekanika klasik, hanya perubahannya dapat dinilai. Entalpi merupakan potensial termodinamika, maka untuk mengukur entalpi suatu sistem, harus menentukan titik referensi terlebih dahulu, sehingga dapat diukur perubahan entalpinya. Untuk proses dengan tekanan konstan, perubahan entalpi sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah kerja yang dilakukan sistem pada lingkungan. Perubahan entalpi pada kondisi ini adalah panas yang diserap atau dilepas melalui reaksi kimia atau perpindahan panas eksternal.

d. Entropi Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tidak dapat digunakan untuk melakukan


24

usaha. Manifestasi yang paling umum dari entropi adalah ketika entropi dalam sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari temperatur lebih tinggi ke temperatur lebih rendah. Pada suatu sistem entropi berjalan searah (bukan reversible/bolak-balik). Pada proses termodinamika, entropi suatu sistem diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha. Pada termodinamika klasik, konsep entropi didefinisikan pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan entropi juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses. Satuan entropi adalah Joule/Kelvin.

e. Spesific Weight ( ) Spesific weight mempunyai simbol yaitu lowercase Greek gamma. Spesifik weight adalah berat per unit volume. Rumus untuk menentukan spesific weight adalah:

g

(2.2)

Satuan dari spesific weight adalah berat per satuan volume yaitu lbf/ft3 atau N/m3. Standar percepatan gravitasi di bumi adalah 32,174 ft/s2 atau 9,807 m/s2. Spesific weight banyak digunakan dalam aplikasi tekanan hydrostatic.

2.6

Klasifikasi Aliran Fluida Computational Fluid Dynamic (CFD) fluida dapat diklasifikasikan dalam

berbagai bentuk. Masalah klasifikasi aliran sering ditemukan di industri dari yang simpel hingga komplek. Dalam analisa aliran fluida, densitas merupakan poin yang terpenting untuk diperhitungkan dan fluida diasumsikan sebagai partikel yang terus bergerak terhadap ruang dan waktu. Dengan begitu fluida dapat dikatakan sebagai continuum, yaitu asumsi bahwa terdapat jarak antar molekul yang sangat jauh jika dibandingkan dengan ukuran molekulnya tetapi tidak akan mempengaruhi sifat molekulnya secara signifikan [Atkins, 2013]. Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai berikut:


25

Gambar 2.13 Flowchart klasifikasi aliran di Computaional Fluid Dynamics [Jiyuan, 2008]. 2.6.1

Aliran Viscous dan Non-viscous Pengindikasian utama fluida pada jenis aliran viscous dan inviscid. Aliran

dimana efek viskositas diabaikan disebut aliran inviscid. Pada aliran inviscid, viskositas fluida (µ) dianggap nol (µ = 0). Pada kenyataannya fluida dengan viskositas nol tidak ada. Banyak permasalahan yang mengabaikan viskositas untuk penyederhanaan dalam menganalisa dan untuk memperoleh hasil

Gambar 2. 14 Pembagian daerah aliran viskos pada plat rata [Holman, 1998].


26

yang lebih berguna. Aliran viskos adalah aliran dimana efek viskositas sangat penting. Daerah aliran viskos merupakan daerah yang dipengaruhi oleh tegangan geser. Pada Gambar 2.14, plat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos (viscous force) makin meningkat. Hubungan viskositas dengan tegangan geser (shear stress) pada aliran viskos satu-dimensi adalah sebagai berikut :

YX

du dy

v dimana:

2.6.2

yx

(2.3)

(2.4) = tegangan geser (N/m2)

du dy

= gradien kecepatan (m/s)

μ

= viskositas dinamik (Pa.s)

v

= viskositas kinematis (m2/s)

ρ

= densitas (kg/m3)

Aliran Laminar dan Turbulen Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan menjadi aliran

laminar dan aliran turbulen. Untuk aliran laminar mempunyai kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah. Jika kita mengambil kecepatan rata-rata terhadap waktu, maka kecepatan sesaat dapat dihitung dengan menambahkan kecepatan rata-rata dengan kecepatan fluktuasi.


27

Gambar 2. 15 Tipe profil kecepatan di dalam pipa (a) Aliran laminar (b) Aliran turbulen [White, 2011].

(a)

(b)

Gambar 2. 16 (a) High-viscosity, low Reynolds number, laminar flow (b) Lowviscosity, high Reynolds number, turbulent flow [White, 2011]. Bilangan Reynolds merupakan parameter tak-berdimensi yang sangat terkenal dalam ilmu mekanika fluida. Nama ini diberikan sebagai penghargaan bagi Osborne Reynolds (1842-1912), insinyur dari Inggris yang pertama kali mendemonstrasikan kombinasi dari variabel-variabel dapat digunakan sebagai suatu patokan untuk membedakan aliran laminar dengan aliran turbulen. Pada persoalan aliran fluida, akan kita dapati panjang karakteristik dan kecepatan, demikian juga kerapatan fluida dan viskositas, merupakan variabel-variabel yang


28

relevan dalam sebuah persoalan. Dengan variabel tersebut, Bilangan Reynolds (Re) adalah: 0 < Re <

1 :

Laminar yang sangat tinggi

1 < Re < 100 :

Laminar, tergantung Reynold number

100 < Re < 103 :

Laminar, menggunakan teori kondisi batas

103< Re < 104

:

Transisi ke turbulen

104< Re < 106

:

Turbulen, yang tidak terlalu extrem

106< Re < ∞

:

Turbulen, sedikit sekali tergantung Reynold number

Re dimana:

VL

ρ

: densitas fluida (kg/m3)

V

: kecepatan rata-rata fluida (m/s)

L

: diameter pipa (m)

μ

: viskositas fluida (kg/m.s)

(2.5)

Secara alamiah muncul dari suatu analisa dimensional bahwa bilangan Reynold adalah ukuran rasio gaya inersia pada suatu elemen fluida terhadap gaya viskositas elemen [Fox, 2011].

2.6.3

Aliran Kompresibel dan Inkompresibel Aliran dimana variasi atau perubahan densitas (ρ) fluida diabaikan maka

aliran disebut aliran inkompresibel dan berlaku untuk sebaliknya jika variasi densitas tidak diabaikan maka aliran itu disebut aliran kompresibel. Contoh yang paling umum aliran kompresibel adalah aliran gas, sementara itu aliran fluida diperlakukan sebagai aliran inkompresibel. Aliran gas yang mengabaikan perpindahan panas bisa juga dianggap sebagai aliran inkompresibel dengan persyaratan kecepatan aliran relatif lebih kecil bila dibandingkan dengan kecepatan suara. Perbandingan kecepatan aliran (V) terhadap kecepatan lokal suara (a) pada gas didefinisikan sebagai Bilangan Mach (Ma).


29

V a

Ma dimana:

(2.6)

V = kecepatan aliran (m/s) a = kecepatan suara (m/s)

Sedangkan kecepatan suara (a) merupakan fungsi dari temperatur dan didefinisikan: a

dimana:

R

kRT

(2.7)

R Ma

(2.8)

a

= kecepatan suara (m/s)

k

= rasio spesifik panas ( k

T

= Temperatur (K)

R

= konstanta gas universal (8314 kg.m2/kmol.s2.K)

R

= konstanta gas ideal (m2/s2.k )

cp cv

)

Mach number menjadi parameter yang dominan dipakai di dalam analisa aliran kompresibel, dengan efek perbedaan besarannya. Mach number dapat di klasifikasikan sebagai berikut [White, 2012]: Ma < 0,3:

Aliran inkompresible, dimana pengaruh dari densitas (density) dihiraukan.

0,3 < Ma <0,8:

Aliran subsonik, dimana pengaruh dari densitas menjadi penting tetapi tidak terjadi shock waves.

0,8 < Ma < 1,2:

Aliran transonik, dimana saat pertama kali shock waves terjadi, memisahkan daerah subsonik dan supersonik di dalam aliran.

Mengontrol penerbangan

pada daerah

transonik sangatlah sulit karena bentuk dari aliran yang rumit.


30

1,2 < Ma < 3,0:

Aliran supersonik, dimana pada saat terjadi shock waves tetapi tidak ada daerah subsonik.

3,0 < Ma:

Aliran hipersonik, dimana shock waves dan aliran lainnya berubah menjadi lebih kuat.

2.6.4

Aliran Ekternal dan Internal

Gambar 2.17 Kondisi batas pada permasalahan aliran internal [Jiyuan, 2008].

Gambar 2.18 Kondisi batas pada permasalahan aliran eksternal [Jiyuan, 2008].


31

Aliran fluida yang terjadi di lingkungan sekitar kita menunjukkan kondisi batas dari masalah tentang aliran fluida. Ketika menggunakan CFD pendefinisian fluida harus pada kondisi nyata. Pada aliran fluida yang komplek, Computational Fluid Dynamic dapat menghitungnya dengan kondisi batas yang ada. Gambar 2.16 diharapkan dapat memproyeksikan kondisi batas yang akan dimasukan dalam proses simulasi. Gambar 2.16 dan Gambar 2.17 terdapat dua jenis aliran yang disebutkan yaitu aliran internal dan aliran eksternal. Aliran internal adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan benda atau cassing. Oleh karena itu lapisan batas tidak dapat berkembang tanpa dibatasi oleh permukaan. Eksternal flow adalah aliran fluida yang tidak dibatasi oleh permukaan benda, namun seakan-akan permukaan bendalah yang dibatasi oleh aliran fluida tersebut.

2.7

Persamaan Dasar Aliran Fluida dan Perpindahan Kalor Persamaan aliran fluida merepresentasikan pernyataan matematika dari

hukum kesetimbangan. Massa fluida adalah tetap, besarnya perubahan momentum sama dengan jumlah total gaya pada partikel fluida (Hukum Newton ke II), dan perubahan energi sama dengan jumlah total kalor yang ditambahkan dan kerja

Gambar 2.19 Skema satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995].

yang dilakukan oleh partikel fluida (Hukum I Termodinamika). Fluida akan dianggap sebagai satu kesatuan atau satu rangkaian. Pada analisa aliran fluida secara makroskopis (≥ 1 µm), struktur molekul fluida dapat diabaikan [Versteeg


32

dan Malalasekera, 1995]. Karakteristik fluida secara makroskopis dapat ditentukan melalui kecepatan, tekanan, densitas dan temperatur, serta turunan ruang dan waktu. Suatu elemen fluida dapat digambarkan sebagai berikut : Karena ukuran elemen fluida sangat kecil maka karakteristik fluida pada permukaannya dapat diperhitungkan dengan cukup akurat. Misalnya saja tekanan pada permukaan E dan W, yang jaraknya 1/2δx dari pusat elemen dapat dituliskan sebagai berikut p

2.7.1

p1 x dan p x2

p1 x x2

Persamaan Kekekalan Massa Persamaan

kesetimbangan

massa

adalah

dengan

menuliskan

kesetimbangan massa fluida, yaitu meningkatnya massa elemen fluida sama dengan neto aliran massa ke elemen fluida. Besarnya peningkatan massa elemen fluida adalah : t

(

x y z)

t

x y z

(2.9)

Secara singkat persamaan kekekalan massa dapat dituliskan sebagai berikut:

u x

v y

w z

0

(2.10)

Gambar 2.20 Skema aliran massa yang keluar dan masuk pada satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995].


33

2.7.2

Persamaan Kekekalan Momentum Tiga Dimensi Hukum Newton yang ke dua menyatakan besarnya perubahan momentum

dari satu partikel fluida sama dengan jumlah total gaya yang diterima partikel tersebut. Besarnya peningkatan momentum x, y, dan z per satuan volume dituliskan sebagai berikut

Du , Dt

Dv dan Dt

Dw . Gaya pada partikel fluida Dt

dapat dibedakan menjadi dua tipe: 1. Gaya-gaya permukaan

a. Gaya tekan b. Gaya viscous

2. Body Force

a. Gaya gravitasi b. Gaya sentrifugal c. Gaya Coriolis d. Gaya elektromagnetik

Pada Gambar 2.20, tegangan yang dialami elemen fluida didefinisikan sebagai tekanan dan sembilan komponen tegangan viscous. Tekanan adalah tegangan normal yang dinotasikan dengan p dan tegangan viscous dinotasikan dengan η. Notasi ηxy digunakan untuk mengindikasikan arah dari tegangan viscous. Akhiran x dan y pada ηxy mengindikasikan komponen tegangan tersebut bekerja dengan arah y dan tegak lurus dengan arah x.

Gambar 2.21 Skema komponen tegangan yang terdapat pada setiap permukaan dari satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera, 1995]


34

Gambar 2.22 Komponen tegangan pada arah x [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. Komponen x dari persamaan momentum adalah besarnya perubahan momentum x partikel fluida sama dengan total gaya arah x pada elemen berdasarkan gaya permukaan ditambah besarnya peningkatan momentum x berdasarkan sumbernya:

p

Du Dt

yx

xx

x

zx

y

z

S

Mx

(2.11a)

Komponen y dari persamaan momentum dapat dituliskan

Dv Dt

p

xy

yy

x

zy

S

y

z

My

(2.11b)

Mz

(2.11c)

Komponen z dari persamaan momentum adalah

Dw Dt

xz

yz

x

y

p

zz

z

S


35

Tanda disesuaikan dengan keadaan tekanan yang arahnya berkebalikan dari arah tegangan viscous normal. Hal tersebut dikarenakan tanda yang biasanya digunakan untuk tegangan tarik adalah tegangan normal positif, jadi tekanan yang didefinisikan sebagai tegangan normal tekan memiliki tanda negatif [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. Pengaruh tegangan permukaan dihitung secara eksplisit. Nilai (SMx), (SMy) dan (SMz) pada persamaan (2.11a-c) dihitung berdasarkan gaya bidang saja. Sebagai

contoh,

gaya

bidang

berdasarkan

menggunakan nilai S Mx 0 , S My 0 dan S Mz

2.7.3

gravitasi

dapat

dimodelkan

g.

Persamaan Kekekalan Energi Tiga Dimensi Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika yang

menyatakan besarnya perubahan energi dari partikel fluida sama dengan besarnya kalor yang ditambahkan ke partikel fluida ditambah dengan besarnya kerja yang dilakukan pada partikel.

Gambar 2.23 Pembacaan persamaan energi [Versteeg dan Malalasekera, 1995].

Total kerja yang dilakukan per satuan volume pada partikel fluida oleh semua gaya permukaan adalah jumlah total dari gaya-gaya permukaan dibagi dengan volume

x y z . Tekanan dapat diperhitungkan bersama dengan

persamaan gaya-gaya permukaan (x, y dan z) dan dapat dituliskan dalam bentuk vektor yang sederhana:

up x

vp y

wp z

div pu

(2.12)


36

Persamaan di atas turut mempengaruhi total kerja yang dilakukan pada partikel fluida oleh gaya-gaya permukaan:

u

div pu

xx

u yx y

x

vyy

v

zy

y

u

xz

z

v

xy

zx

z

w

yz

x

x

w

zz

y

w z

Energy Flux Berdasarkan Konduksi Elemen Fluida Total besarnya kalor yang masuk pada partikel fluida per satuan volume berdasarkan aliran fluida yang melewatinya adalah jumlah total dari neto besarnya perpindahan kalor berdasarkan arah aliran fluida (x, y, dan z) dibagi volume

x y z menjadi:

qy

qx x

y

qz z

div q

(2.13)

Dapat dituliskan dalam bentuk vektor menjadi:

q

k grad T

Heat flux vektor q memiliki tiga komponen q x , q y dan q z

(2.14)


37

Gambar 2.24 Komponen dari vektor heat flux [Versteeg dan Malalasekera, 1995]. Persamaan Energi Kesetimbangan energi partikel fluida diperhitungkan dari besarnya perubahan energi partikel fluida untuk menjumlahkan neto besarnya kerja yang dilakukan pada partikel fluida, neto besarnya kalor yang ditambahkan ke fluida dan besarnya peningkatan energi berdasarkan sumbernya. Persamaan energi dapat dituliskan :

DE Dt

div pu u

zy

u

xx

u

x u

z

xz

x

yx

u

y u

yz

u

zx

y

u

yy

x

z u

xy

y (2.15)

zz

z

div k grad T

SE

Untuk aliran compressible, persamaan (2.15) dapat dirombak kembali untuk memperhitungkan entalpi. Entalpi spesifik h dan total entalpi spesifik h0 dari fluida didefinisikan sebagai berikut h i p

dan h0 h

1 2 2 u v w2 2

Dengan menyatukan dua definisi di atas dan energi spesifik E , maka didapatkan:

h0

i p

1 2 2 u v w2 2

E p

(2.16)


38

Persamaan entalpi total: h0 t

div h0 u

v

v

xy

x

u

xx

x v

yy

y

u

yx

y

zx

z

zy

(2.17)

z

w

wxz x

2.7.4

u

p t

div k grad T

yz

w

zz

z

y

S

h

Perubahan Partikel Fluida pada Elemen Fluida Hukum kekekalan momentum dan energi berhubungan dengan perubahan

karakteristik partikel fluida. Karakteristik suatu partikel fluida dinyatakan dengan fungsi posisi (x, y, z) dan waktu t dari partikel itu sendiri. Nilai karakteristik per satuan massa dinotasikan sebagai . Turunan

terhadap waktu pada satu partikel

fluida dituliskan sebagai berikut :

D Dt

dx x t

t

dy y t

dz z t

(2.18)

untuk mengilustrasikan hubungan persamaan 2.18 dengan turunan nilai substantif dari

maka dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut:

(2.19)

D t

div

u

Hasil dari perhitungan

t

u grad

t

t

div

u

div

u

Dt

sama dengan nol dikarenakan

kekekalan massa. Dapat dituliskan bahwa relasi (2.19) menyatakan :

Gambar 2.25 Ilustrasi pembacaan relasi (2.20) [Versteeg dan Malalasekera, 1995].


39

Untuk membangun tiga komponen persamaan momentum dan energi, nilai input yang relevan untuk

dan besarnya perubahan per satuan volume yang

dituliskan pada Tabel 2.1. Seluruh bentuk konservatif dan non-konservatif dari besarnya

perubahan

yang

terjadi

dapat

digunakan

untuk

menyatakan

kesetimbangan kuantitas secara fisis.

Tabel 2.1 Nilai input yang relevan untuk

[Versteeg dan Malalasekera, 1995].

x-momentum

U

Du Dt

u t

div uu

y-momentum

V

Dv Dt

v t

div

z-momentum

W

Dw Dt

w t

div wu

Energy

E

DE Dt

E t

div Eu

2.8

vu

Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics adalah ilmu yang mempelajari tentang

analisa aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena yang berkaitan dengan reaksi kimia dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika dengan bantuan simulasi komputer, misalnya: fenomena meteorologi (angin, hujan dan badai), zat-zat berbahaya bagi lingkungan, aliran kompleks pada pertukaran panas dan reaktor kimia. Persamaan-persamaan aliran fluida dapat dideskripsikan dengan persamaan differensial parsial yang tidak dapat dipecahkan secara analitis kecuali dengan kasus yang spesial. Sehingga kita membutuhkan suatu metode pendekatan untuk menentukan suatu hasil. CFD mampu menganalisis dan memprediksi dengan cepat dan akurat. Computational artinya segala secuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi, sedangkan fluid dynamic artinya dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah diatas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan peneliti untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.


40

Pada dasarnya, persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferential parsial (PDE = Partial Differential Equation) yang mempresentasikan [Tuakia, 2008].: 1. Hukum konservasi massa (persamaan kontinuitas), 2. Hukum II Newton (persamaan momentum), 3. Hukum Kekekalan Energi (persamaan energi). Sebuah

perangkat

lunak

CFD

memberikan

peneliti

kekuatan

mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, bendabenda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur, dan sistem akustik dengan memodelkan di komputer. Dengan menggunakan software ni peneliti dapat membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin peneliti analisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Software CFD akan memberikan peneliti data-data, gambar-gambar, atau kurvakurva yang menunjukan prediksi dari performansi keandalan sistem yang peneliti desain. Hasil CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang di-input). CFD memungkinkan peneliti untuk melakukan ”percobaan numerik” di dalam “laboratorium virtual”. Manfaat CFD adalah insight (pemahaman mendalam), foresight (prediksi menyeluruh), dan efficiency (efisiensi waktu dan biaya). CFD memiliki pengaplikasian yang luas baik dibidang industri maupun non industri, misalnya: a. Aerodinamika pada kendaraan: drag and lift. b. Pembakaran pada internal combustion engine. c. Pendinginan pada sirkuit elektrik. d. Arsitek dalam mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. e. Desainer kendaraan dalam meningkatkan karakter aerodinamiknya. f. Insinyur petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. g. Dokter

atau

ahli

bedah

untuk

mengobati

penyakit

arterial

(computational hemodynamics). h. Ahli safety dalam mengurangi risiko kesehatan akibat radiasi dan zat berbahaya.


41

i. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimassi seberapa besar kerusakan yang diakibatkan. j. Aliran darah yang melewati pembuluh arteri dan vena. Engineering (Fluid dynamics)

Computational Fluid Dynamics (CFD) Matematics

Computer Science

Gambar 2.26 Tiga elemen utama yang ada di dalam Computational Fluid Dynamic [Jiyuan, 2008]. Sebenarnya Computational Fluid Dynamics dapat menjadi satu cabang baru tidak hanya di bidang matematika tetapi juga ditambah pengetahuan tentang komputer (Gambar 2.25). Dalam mengerjakan persamaan matematika, sudah diubah ke komputerisasi dengan perangkat komputer yang mempunyai spek tinggi. CFD banyak sekali digunakan dalam dunia industri. Konsep CFD dapat melakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya dan waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen. Dalam proses design engineering tahapan yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah. Pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi . Perangkat CFD berisikan algoritma numerik sehingga dapat mengatasi masalah aliran fluida. Untuk memudahkan dalam pengoperasian paket CFD dalam proses input data dan pemeriksaan hasil, maka paket CFD terdiri dari tiga bagian yaitu : pre-processor, solver, dan post-processor (ANSYS, 2009).


42

Dalam membuat sebuah objek yang ingin dijadikan model untuk diteliti pertama-tama peneliti harus membuat geometri dan mesh di ANSYS Worksbench.

k. Pre-Processor l. Membuat geometri m. Meshing n.Material Properties o.Boundary Condition

Post-Processor X-Y graphs Contour Velocity vectors Others

Govering equations solve on a mesh Transport Equation Massa Momentum Energi Other transport variables Equation of state Primary pressure physical model

Physical Model Turbulensi Pembakaran Radiasi Proses lainnya

Solver Settings Initialization Solusi kontrol Monitoring Solution Convergence Criteria

Gambar 2.27 Tiga elemen utama yang ada di dalam CFD (Jiyuan, 2008).

Alternatif lain adalah dengan menggunakan Computer Aided Design (CAD) software seperti Fluent, Unigraphics, ProE, SolidWorks dan lainnya. Setelah geometri, geometri tersebut dibuat meshing yang disediakan oleh software Gambit, ICEM, maupun Fluent. Sedikit perbedaan dari modeling dan analisis aliran adalah tergantung dari turbulence modeling, k-ε, dan Y+. Turbulence modeling dipakai untuk memodelkan aliran turbulen. Aliran turbulen mempunyai ciri khas yaitu mempunyai fluktuasi yang acak terhadap kecepatan dan tekanan di dalam suatu ruang dan waktu. Fluktuasi ini terjadi karena ketidakstabilan karena terpengaruh


43

oleh temperatur yang mempengaruhi viskositas fluida. Tingkat turbulen suatu aliran tergantung dari nilai Reynolds Number. Untuk mengetahui persamaan aliran untuk aliran turbulen adalah dengan 2 bagian, direct numerical simulation dan k-ε [Cornell

University, Introduction to CFD Basics]. Direct numerical

simulation dapat dihitung dengan persamaan Navier-Strokes. k-ε, Reynolds Number untuk turbulence parameter. Turbulen parameter adalah turbulence kinetic (k) dan turbulence dissipation rate ( ).

k

u' x

v

w' x

2

1 2 (u' 2

u' y

2

w' y

v' 2

2

u' z

2

w' z

w' 2 ) 2

(2.20) v' x

2

v' y

2

v' z

2

(2.21)

2

CFD menjadi alat yang cocok untuk mendapatkan solusi di dalam permasalahan yang komplek di aliran fluida, hasil yang didapatkan dari CFD juga harus ada validasi secara teori maupun jurnal lain supaya data yang dihasilkan menjadi akurat. Contohnya, masalah yang adalah aliran laminar mengalir di dalam pipa, hasil dari kecepatan fluida di validasi dengan teori data. Untuk steady state (aliran yang tidak berubah karena waktu) aliran laminar di pipa berpenampang lingkaran dapat menggunakan teori Navier-Stokes untuk menyelesaikannya. Untuk inkompresible, persamaan Navier-Stokes di koordinat Cartesian adalah: x-direction: u t

u

u x

v

u y

w

u z

p x

gx

v t

u

v x

v

v y

w

v z

p y

gy

2

u

2

x

2

y

2

z2

2

v

2

v

2

x

2

y

2

z2

2

u

u

(2.22)

y-direction v

(2.23)


44

z-direction w t

2.11

u

w x

v

w y

w

w z

p z

gz

2

w

x

2

2

w

2

y

2

z2

w

(2.24)

Skema Numerik Secara umum ada 2 metode numerik yang dipakai dalam Computational

Fluid Dynamic (CFD), yaitu solver pressure based dan solver density based. CFD memecahkan persamaan integral umum untuk kekekalan massa, momentum, energi serta besaran skalar lain seperti turbulensi. Kedua metode ini menggunakan teknik berbasis volume kendali yang terdiri dari: a. Pembagian daerah asal (domain) ke dalam volume kendali diskrit dengan menggunakan grid komputasi. b. Integrasi persamaan umum pada volume kendali untuk membangun persamaan aljabar variabel tak bebas yang tidak diketahui seperti kecepatan, tekanan, temperatur, dan sebagainya. c. Linearisasi persamaan terdiskritisasi dan solusi sistem persamaan linear resultan untuk menghasilkan nilai-nilai taksiran variabel tak-bebas. Dua metode numerik di atas menggunakan proses diskritisasi yang sama yaitu volume hingga (finite volume). Perbedaannya hanyalah terletak pada pendekatan yang digunakan untuk melinearisasikan dan memecahkan persaman terdiskritisasi.

2.11.1 Metode Solusi Pressure-based Metode solusi pressure-based menyelesaikan persamaan umum secara terpisah satu sama lain. Pendekatan yang digunakan adalah memecahkan suatu medan variabel tunggal dengan mempertimbangkan seluruh sel pada waktu yang sama. Selanjutnya memecahkan medan variabel berikutnya dengan tetap mempertimbangkan seluruh sel pada waktu yang sama, dan begitu seterusnya. Karena persamaan diferensial umum adalah non-linear, beberapa iterasi harus dilakukan sebelum solusi yang konvergen diperoleh. Untuk iterasi terdiri dari tahapan-tahapan seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 2.28 :


45

Meng-update sifat-sifat fluida Memecahkan persamaan momentum Memecahkan persamaan koreksi tekanan (kontinuitas). Mengupdate tekanan dan laju aliran massa Memecahkan persamaan energi, turbulensi, dan persamaan skalar lain

Konvergen?

Stop

Gambar 2.28 Skema metode solusi pressure-based [ANSYS, Inc., 2013].

a.

Sifat-sifat fluida diperbarui berdasarkan solusi yang ada. Untuk perhitungan awal, sifat-sifat ini diperbarui berdasarkan solusi awal (initialized solution).

b.

Persamaan momentum u, v dan w dipecahkan dengan menggunakan nilai-nilai tekanan dan fluks massa sisi.

c.

Karena kecepatan yang diperoleh dalam tahap yang pertama tidak mungkin memenuhi persamaan kontinuitas secara lokal, persamaan “Poisson type” untuk koreksi tekanan diturunkan dari persamaan kontinuitas dan persamaan momentum linear. Persamaan koreksi tekanan ini kemudian dipecahkan untuk memperoleh koreksi yang dibutuhkan untuk medan tekanan dan kecepatan serta fluks massa sampai kontinuitas dipenuhi.

d.

Menyelesaikan persamaan-persamaan untuk besaran skalar seperti turbulensi, energi, radiasi dengan menggunakan nilai-nilai variabel lain yang di-update.

e.

Cek konvergensi persamaan


46

Tahapan-tahapan ini dilanjutkan sampai kriteria konvergensi tercapai.

2.12

Model Turbulen (Turbulence Modeling) Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan

yang

berfluktuasi. Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi, dan konsentrasi partikel yang ikut berfluktuasi. Fluktuasi tersebut dapat terjadi pada skala kecil dan mempunyai frekuensi yang tinggi sehingga terlalu rumit dan berat untuk dihitung secara langsung pada perhitungan rekayasa praktis meskipun dengan menggunakan komputer yang canggih sekalipun. Oleh karena itu, persamaan yang berhubungan dapat dirata-ratakan atau dimanipulasi untuk menghilangkan fluktuasi skala kecil. Dengan demikian persamaan-persamaan tersebut dapat lebih mudah untuk dipecahkan. Namun, pada persamaan yang telah dimodifikasi tersebut terdapat tambahan variabel yang tidak diketahui sehingga dibutuhkan model turbulensi untuk menentukan variablevariabel tersebut. ANSYS Fluent menyediakan beberapa model pilihan model turbulensi, yaitu : a. Model Spalart-allmaras b. Model k-epsilon (k-ε) 1. Standard 2. Renormalization-group (RNG) 3. Realizable c. Model k-ω 1. Standard 2. Shear-Stress Transport (SST) d. Model v2-f (addon) e. Model Reynold Stress (RSM) f. Model Detached Eddy Simulation (DES) g. Model Large Eddy Simulation (LES)


47

2.13.1 Model turbulen k-ε Model ini merupakan model semi empiris yang dikembangkan oleh Launder & Spalding. Model k-epsilon merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan turbulen (turbulen velocity) dan skala panjang (length scales) ditentukan secara independen. Kestabilan, ekonomis (dari sisi komputasi), dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis aliran turbulen membuat model k-epsilon sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Untuk meningkatkan keandalan model k-epsilon telah terdapat beberapa varian dari model ini, dua diantaranya terdapat pada FLUENT, yaitu: model k-ε standard, model RNG k-epsilon dan model realizable k-epsilon. Model k-ε standard merupakan model turbulensi semi empiris yang lengkap. Walaupun masih sederhana, memungkinkan untuk dua persamaan yaitu kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scale) ditentukan secara bebas (independent). Model ini dikembangkan oleh Jones dan Launder. Model k-ε standard merupakan model semi empiris berdasarkan persamaan transport untuk energi kinetik (k) dan laju disipasi (ε). Model persamaan transport untuk energi kinetik turbulen k adalah turunan dari persamaan eksak, sedangkan persamaan transport untuk disipasi ε diperoleh dengan alasan fisis dan mempunyai kemiripan dengan penyelesaian matematis eksak. Dalam penurunan model k-ε diasumsikan bahwa aliran turbulen penuh (fully develop) dan pengaruh viskositas molekular diabaikan. Model ini hanya cocok untuk aliran turbulen penuh. Energi kinetic turbulen, (k) dan laju disipasi (ε) diperoleh dari persamaan transport berikut:

t

k

xi

kui

t

xj

k xj

Gk

Gb

ym

(2.26)

sk

2

t

xi

ui

t

xj

xj

C1

k

(Gk

G3 Gb ) C 2

k

s k (2.27)


48

Dalam persamaan ini, Gk menunjukkan generasi energi kinetik turbulen karena adanya gradien kecepatan rata-rata. Gb menunjukkan generasi energi kinetik turbulen karena adanya gaya apung. Sedangkan Ym menunjukkan kontribusi dilatasi yang berfluktuasi dalam turbulensi kompresibel ke laju disipasi. C1ε, C2ε keseluruhan adalah konstanta, yang besarnya berturut-turut adalah 1,44 dan 1,92. Sedangkan ζk dan ζε adalah bilangan Prandtl yang masing-masing besarnya adalah 1,0 dan 1,3. Viskositas turbulen, µε dihitung dengan mengkombinasikan k dan ε sebagai berikut:

t

k2

C

(2.28)

C adalah konstanta yang besarnya adalah 0,09 Energi sesaat k(t) aliran turbulen merupakan jumlah rata-rata energi kinetik

K

1 (U 2 2

V2

W2)

dan energi kinetik turbulen k

1 (u' 2 2

v' 2

w' 2 ) .

Hubungan antara energi kinetik turbulen k dan intensitas turbulensi dinyatakan pada persamaan berikut: k

2 (u a vg l ) 2 3

(2.29)

Hubungan antara skala panjang l dan epsilon ε dinyatakan pada persamaan berikut: C

3

4

k

3

l

2

(2.30)

Model k-ε standard merupakan model turbulen paling banyak digunakan dan diaplikasikan dalam sebuah simulasi numerik aliran turbulen. Model ini memiliki beberapa keunggulan yaitu model turbulen yang paling simpel dimana hanya kondisi batas maupun awal saja yang perlu dimasukkan, memiliki performa yang sangat baik pada simulasi aliran yang digunakan industri-industri, dan merupakan model turbulen yang telah teruji dan divalidasikan secara luas.


49

Kekurangan

dari model

k-ε standard

antara lain

lebih

mahal

untuk

diimplementasikan. Model k-ε standard dengan model mixing length, memiliki performa yang kurang baik untuk kasus seperti beberapa aliran terbatas, aliran dengan regangan yang besar, aliran berputar, dan aliran berkembang penuh untuk saluran non-cicular [Beithou dan Aybar, 2000]. Model RNG k-epsilon diturunkan dengan menggunakan metode statistik yang diteliti (teori renormalisasi kelompok). Bentuk persamaan yang digunakan sama dengan model k-epsilon standard tetapi melibatkan beberapa perbaikan: a. Model RNG mempunyai besaran tambahan pada persamaan laju disipasi, epsilon, yang dapat meningkatkan akurasi untuk aliran yang terhalang secara tiba-tiba. b. Efek putaran pada turbulensi juga terdapat pada model RNG sehingga meningkatkan akurasi untuk aliran yang berputar (swirl flow). c.

Model RNG menyediakan formula analitis untuk bilangan Prandtl turbulen, sementara model k-epsilon standar menggunakan nilai bilangan Prandtl yang konstan (ditentukan oleh pengguna).

d. Model k-epsilon standar merupakan model untuk kasus dengan bilangan Reynolds tinggi, sedangkan model RNG menyediakan formula untuk bilangan Reynolds rendah. Model realizable k-epsilon merupakan pengembangan model yang relatif baru dan berbeda dengan k-epsilon dalam dua hal, yaitu: a. Pada model realizable k-epsilon terdapat formulasi baru untuk memodelkan viskositas turbulen. b. Sebuah persamaan untuk epsilon telah diturunkan dari persamaan untuk menghitung fluktuasi vortisitas rata-rata. Istilah realizable mempunyai arti bahwa model tersebut memenuhi beberapa batasan matematis pada bilangan Reynolds, konsistensi dengan bentuk fisik aliran turbulen. Kelebihan dari model realizable k-epsilon adalah lebih akurat untuk memprediksi laju penyebaran fluida dari pancaran jet/nosel. Model ini juga memberikan performa yang bagus untuk aliran yang melibatkan putaran, lapisan batas yang mempunyai gradien tekanan yang besar, separasi, dan resirkulasi.


50

Model persamaan transport realizable k-epsilon :

K

t

K ui

xi

t

xj

k

k xj

Gk

(2.31)

YM 2

ui

t

CS

C

C G

C

3 1

t

xi

xj

2

xj

1

K

v

b

(2.32)

K

Dimana: C

max 0.43

1

SK

(2.33)

5

Salah satu keterbatasan model realizable k-epsilon ialah terbentuknya viskositas turbulen non-fisik pada kasus dimana domain perhitungan mengandung zona fluida yang diam dan berputar (multiple reference frame, sliding mesh). Oleh karena itu, penggunaan model ini pada kasus multiple reference dan sliding frame harus lebih hati-hati.

2.14

Metode Numerik pada ANSYS Fluent ANSYS Fluent mempunyai 2 solver yaitu pressure-based solver dan

density-based couple solver (DBCS). Pressure-based solver menyediakan dua pilihan metode numerik, yaitu: a. Solver segregated. b. Solver coupled. ANSYS Fluent memecahkan persamaan integral untuk kekekalan massa, momentum dan energi (governing integral equation) serta besaran skalar lainnya seperti turbulensi. Kedua metode ini menggunakan teknik berbasis volume kendali (control volume) yang terdiri dari: a. Pembagian daerah asal (domain) kedalam volume kendali diskrit dengan menggunakan grid komputasi.


51

b. Integrasi persamaan umum pada volume kendali untuk membangun persamaan aljabar variabel tak bebas yang tidak diketahui seperti kecepatan, tekanan, suhu dan sebagainya. c. Linearisasi persamaan terdiskritisasi dan solusi sistem persamaan linear resultan untuk menghasilkan nilai-nilai taksiran variabel tak bebas. Pada dasarnya solver segregated dan coupled memiliki persamaan dalam proses diskritisasi yaitu volume berhingga (finite volume), tetapi memiliki perbedaan pada cara pendekatan yang digunakan untuk melinearisasi dan memecahkan permasalahan. [ANSYS, 2009]

2.14.1 Solver Coupled Pendekatan yang dilakukan oleh metode coupled adalah dengan memecahkan persamaan kekekalan massa, momentum dan energi secara bersamaan (simultaneously). Karena persamaan tersebut merupakan persamaan non-linear, maka proses iterasi harus dilakukan sebelum solusi yang konvergen diperoleh. a. Sifat-sifat fluida di-update, berdasarkan solusi yang ada. Untuk perhitungan awal, sifat-sifat ini di-update berdasarkan solusi awal b. Persamaan kontinuitas, momentum, dan energi jika ada serta besaranbesaran tertentu lainnya dipecahkan secara serempak. c. Jika ada persamaan-persamaan skalar seperti turbulensi dan radiasi maka akan dipecahkan dengan menggunakan nilai yang di-update sebelumnya berdasarkan variabel-variabel lain. d. Mengecek konvergensi persamaan. Tahapan-tahapan ini dilanjutkan sampai kriteria konvergen tercapai.


52

Meng-update sifat-sifat fluida Memecahkan persamaan kontinuitas, momentum dan energi secara serempak koreksi tekanan (kontinuitas) Meng-update fluks massa Memecahkan turbulensi dan skalar lainnya

Tidak

Konvergen ?

Ya Stop

Gambar 2.29 Skema metode solver coupled (ANSYS, Inc., 2013).


53

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1

Diagram Alir Penelitian Pada penelitian ini, langkah-langkah penelitian mengacu

pada Gambar 3.1 berikut: START Studi pustaka dan perencanaan kasus simulasi

Konsultasi kasus simulasi kepada pembimbing

Disetujui

No

Yes

Melakukan pemodelan menggunakan Solidworks dan simulasi menggunakan ANSYS Fluent Pengambilan data hasil simulasi sekaligus mengolahnya menjadi grafik, visualisasi kontur tekanan, kecepatan dan temperatur

Analisa dan pembahasan Kesimpulan

Selesai

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.

diagram alir


54

3.2

Diagram Alir Prosedur Simulasi Pada penelitian ini menggunakan langkah-langkah penelitian seperti di

gambarkan dalam diagram alir simulasi berikut ini:

Mulai

Studi literatur: data geometri, sifat material dan boundary condition dari kasus yang disimulasikan

Pembuatan geometri dengan Solidworks dan pada Desain Modeler di ANSYS

Pendefinisian boundary condition dan Penggenerasian meshing dengan ANSYS Meshing pada geometri steam ejector

Pengecekan mesh

Mesh baik?

Tidak

Ya Check: Densitas Viskositas StandardEntalpi Under relaxation

Penentuan operating condition di primary, secondary dan outlet ejector

Proses Numerik

Ya

Iterasi eror ? Tidak

Plot grafik dengan Origin dan plot kontur distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan

Gambar 3.2 Diagram alir prosedur simulasi.

Selesai


55

1. Studi literatur Sebelum menentukan geometri steam ejector, terlebih dahulu mencari referensi untuk data properti fluida, boundary condition, model geometri. Studi literatur dilakukan untuk mencari materi dan teori yang berhubungan dengan penelitian ini dan memudahkan dalam menentukan proses yang akan dilakukan selama penelitian. Studi literatur didapat dari jurnal maupun buku-buku. 2. Pembuatan Geometri. Geometri dari steam ejector diambil dari studi literatur jurnal peneliti sebelumnya untuk memudahkan proses validasi. Software Solidworks digunakan untuk menggambar bentuk steam ejector geometri 3D. Hasil desain ditransfer ke Desain Modeler ANSYS 14. 3. Penggenerasian Mesh dan pemasukan boundary condition . Langkah ini dilakukan supaya geometri dari steam ejector yang sebelumnya mempunyai jumlah cell tak terhingga menjadi cell hingga, sehingga dapat dikerjakan pada penghitungan matematis. Boundary condition (kondisi batas) dimasukan dengan variabel yang sudah di tentukan oleh peneliti. Variabel tersebut didapatkan dari studi literatur berupa tekanan dan temperatur. 4. Pengecekan mesh Langkah ini menentukan keberhasilkan proses iterasi. Ketika meshing mempunyai kualitas yang kurang baik maka, proses simulasi lama dan menghasilkan data yang tidak akurat. 5. Operating condition Bagian ini mendefinisikan boundary condition dengan data properti fluida dan pemilihan model turbulensi. 6. Proses Numerik Melakukan simulasi pada ANSYS Fluent dengan penggabungan metode pendekatan Eulerian. 7. Konvergensi kriteria Eulerian


56

Kriteria konvergensi untuk Eulerian yang digunakan adalah apabila nilai residual absolute yaitu sudah mencapai 0,001 untuk semua persamaan. 8. Plot kontur temperatur, tekanan dan kecepatan Dilakukan pengeplotan kontur temperatur, tekanan dan kecepatan sepanjang steam ejector untuk mengetahui fenomena yang terjadi di dalam steam ejector.

3.3

Skematik Steam Ejector Steam ejector digunakan di banyak bidang, salah satunya digunakan dalam

sistem refrigerasi. Berikut adalah bagan penggunaan steam ejector:

Gambar 3.3 Skematik penggunaan steam ejector pada sistem refrijerasi.


57

3.3.1 Steam Ejector Pada penelitian kali ini menggunakan desain steam ejector sebagai berikut:

Gambar 3.4 Skema steam ejector (Ajmah, 2011).

3.3.2

Geometri Ejector Gambar 3.5 menunjukkan ukuran geometri yang ada di steam ejector.

Berikut ini adalah detail ukuran steam ejector dalam satuan mm pada penelitian ini:

Gambar 3.5 Ukuran geometri steam ejector (Ajmah, 2011).

3.3.3

Model dan Geometri Nozzle Pada penelitian kali ini menggunakan 2 model nozzle yaitu Circle Nozzle

Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). CNSE adalah model nozzle yang menggunakan penampang pada ujung nozzle berbentuk


58

lingkaran. Sedangkan SNSE mempunyai penampang persegi. Di bawah ini adalah detail ukuran dalam satuan mm dari kedua model nozzle (Yang,2012):

Gambar 3.6 Ukuran geometri model Circle Nozzle Steam Ejector.

Gambar 3.7 Ukuran geometri model Square Nozzle Steam Ejector.

3.4

Nozzle Exit Position Penelitian ini memvariasikan Nozzle Exit Position (NXP). Pada Gambar

3.8 ditampilkan posisi nozzle pada variasi NXP bergeser dengan satuan mm yaitu:

Gambar 3.8 Variasi penempatan NXP.


59

3.5

Boundary Condition Boundary condition adalah penamaan pada masing-masing bagian steam

ejector untuk mendukung proses simulasi. Berikut ini penamaan masing-masing bagian:

Gambar 3.9 Boundary condition pada steam ejector. 3.6

Meshing Pada penelitian ini peneliti menggunakan program meshing yang ada

software ANSYS 14. Setelah setting boundary condition lalu langkah berikutnya adalah penggenerasian mesh pada steam ejector. Meshing yang baik adalah tidak terdapat skewness yang tinggi. Skewness adalah bentuk meshing yang tidak wajar/tidak beraturan. Skewness menyebabkan penghitungan dari cell ke cell tidak dapat berjalan dengan baik. Untuk penelitian kali ini meshing menggunakan bentuk meshing tetrahedral atau tetrahedron. Pada variasi Nozzle Exit Position (NXP) akan menghasilkan jumlah cell yang berbeda. Berikut adalah tampilan meshing yang digunakan:


60

Gambar 3.10 Tampilan meshing steam ejector.

Gambar 3.11 Tampilan bentuk meshing tetrahedral.

3.7

Spesifikasi Working Fluid Dalam penelitian kali ini peneliti menggunakan fluida water vapor (uap

air) dan air (udara). Spesifikasi primary fluid dan secondary fluid pada variasi tekanan terukur dan temperatur terukur adalah: Tabel 3.1 Properties dari primary fluid (nist.webbook.gov/chemisry). Fluida :

Uap Air (watervapor)

Tekanan (kPa)

140

155

170

185

200

Temperatur (K)

382,44

385,49

388,30

390,91

393,36


61

Sifat uap air (watervapor) yang didapatkan dari database ANSYS 14 adalah : 1. Densitas

: 0,5542 kg/m3

2. Konduktifitas Termal

: 0,0261 W/m.K

3. Viskositas

: 1,34e-05 kg/m.s

4. Berat molekular

: 18,01534 kg/kmol

Untuk secondary fluid yaitu udara dianggap gas ideal mempunyai sifat fluida: Tabel 3.2 Properties dari secondary fluid. Fluida : Udara

Temperatur: 283 K

Tekanan absolut (kPa) Mach Number

0,2

Densitas (kg/m3)

1,225

Konduktivitas Termal (W/m.K)

0,0242

Viskositas (kg/m.s) Berat molekular (kg/kmol)

3.8

99,392

1,7894e-05 28,966

Variabel Penelitian Dalam penelitian ini peneliti memilih variabel bebas dan variabel terikat

sesuai dengan referensi penelitian-penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Variabel bebas dan variabel terikat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Variabel Bebas : a.

Primary pressure 140 kPa, 165 kPa, 170 kPa, 185 kPa, dan 200 kPa.

b. Secondary pressure 99,392 kPa pada temperatur 283 K. c.

Model nozzle : Circle Nozzle dan Square Nozzle.

d. NXP Minus 10, NXP Minus 5, NXP 0, NXP Plus 5, dan NXP Plus 10 (pengertian Minus 10 adalah -10 mm). Variabel terikat : a.

Nilai entrainment ratio.

b. Mass flow rate primary. c.

Mass flow rate secondary.


62

d. Kontur distribusi tekanan.

3.9

e.

Kontur distribusi temperatur.

f.

Kontur distribusi kecepatan.

Prosedur Simulasi Peralatan yang dibutuhkan dalam penelitian kali ini adalah : a. Komputer dengan spesifikasi Windows 8.1 Intel (R) core (TM) i7-4790 CPU@ 3.60GHz, RAM 16.0 GB dan Nvidia GeForce GTX 750, Memory 4019 MB. b. Perangkat lunak ANSYS 14.0; FLUENT, Microsoft Office Word 2013, Microsoft Office Excel 2013, Origin, Solidworks 2014.

Pada dasarnya ANSYS Fluent menggunakan metode control volume untuk mengubah general scalar transport equation menjadi sebuah persamaan tersendiri atau discrete yang dapat diselesaikan secara numerik.

Tabel 3.3 Tipe yang digunakan pada setiap discretization. Discretization

Type

Pressure-Velocity Coupling

Phase coupled SIMPLE

Gradient

Least squares cell based

Volume fraction

First Order Upwind

Momentum

Second Order Upwind

Turbulent Kinetic Energy

Second Order Upwind

Turbulent Dissipation Rate

Second Order Upwind

Energy

Second Order Upwind

Pada Pressure-Velocity Coupling dipilih tipe SIMPLE algorithm karena pada algoritma tersebut digunakan relasi antara kecepatan dan koreksi tekanan pada persamaan kesetimbangan massa untuk mendapatkan fenomena tekanan


63

yang terjadi pada kasus yang diteliti. Volume Fraction digunakan tipe First Order Upwind karena persamaan ordo satu dapat memenuhi kebutuhan perhitungan yang dilakukan pada bagian tersebut. Untuk Momentum, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation Rate Momentum dan Energy dipilih tipe Second Order Upwind karena dibutuhkan hasil data yang lebih akurat. Perhitungan momentum dan energi yang berupa hasil data fenomena kecepatan aliran dan distribusi temperatur.

3.10

Convergence Criteria Setiap persamaan yang dijalankan dalam simulasi memiliki residual yang

terus berubah dan semakin menurun nilainya. Semakin kecil residual yang didapatkan maka menghasilkan perhitungan yang lebih akurat. Tetapi pada pengaplikasiannya, angka residual akan terus ada dan terus mengalami fluktuasi. Oleh karena itu perlu diputuskan saat yang tepat untuk menyelesaikan perhitungan dengan menentukan convergence criteria pada setiap residual dari persamaanpersamaan yang dijalankan. Pada simulasi ini, convergence criteria yang digunakan pada setiap residual adalah sebesar 1e-3. Nilai–nilai tersebut adalah nilai yang tepat karena dapat menghasilkan data yang valid.


BAB IV ANALISA HASIL SIMULASI

Penelitian ini membahas hasil simulasi pengaruh dari model primary nozzle, Nozzle Exit Position (NXP) dan primary pressure. Simulasi dilakukan pada pressure secondary dan pressure outlet dalam keadaan konstan. Pressure secondary 99.392 kPa dengan temperatur 283 K dan pressure outlet 87 kPa. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan data mass flow rate dan kontur aliran. Data mass flow rate meliputi mass flow rate primary dan mass flow rate secondary yang akan ditampilkan pada variasi primary pressure dan NXP. Primary pressure yang digunakan yaitu 140 kPa, 155 kPa, 170 kPa, 185 kPa dan 200 kPa. NXP yang digunakan yaitui NXP Minus 10, NXP Minus 5, NXP 0, NXP Plus 5 dan NXP Plus 10. Kemudian akan dibahas investigasi kontur aliran untuk mengetahui fenomena aliran yang terjadi di dalam steam ejector. Kontur yang akan ditampilkan adalah kontur tekanan, kontur temperatur dan kontur kecepatan.

4.1

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Variasi Nozzle Exit Position Nilai entrainment ratio digunakan untuk merepresentasikan performa dari

steam ejector. Nilai entrainment ratio berkaitan erat dengan mass flow rate primary dan mass flow rate secondary [Chen dan Chong, 2013]. Mass flow rate primary dan mass flow rate secondary dipengaruhi oleh densitas fluida, kecepatan fluida dan luas penampang. Densitas fluida dipengaruhi oleh temperatur fluida, sedangkan kecepatan fluida dipengaruhi oleh pressure. Karena penelitian ini menggunakan variasi primary pressure maka akan mempengaruhi mass flow rate primary dan mass flow rate secondary. Selain primary pressure, penelitian ini mengunakan model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). Model nozzle yang mempunyai bentuk penampang berbeda, akan membentuk aliran berbeda yang keluar dari nozzle [Yang dkk, 2012]. Variasi primary pressure dan model nozzle disimulasikan pada variasi 64


65

Nozzle Exit Position (NXP). Variasi NXP digunakan untuk mengetahui performa optimum ejector.

4.1.1

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 10 1,2

CNSE NXP Minus 10 SNSE NXP Minus 10

Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.1 Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Minus 10. Gambar 4.1 menunjukkan nilai entrainment ratio menurun seiring dengan meningkatnya primary pressure. Jika primary pressure meningkat menyebabkan temperatur fluida meningkat. Karena di primary nozzle terjadi penyempitan penampang maka terjadi penurunan tekanan yang drastis, sehingga temperatur fluida tinggi tetapi densitas fluida meningkat. Selain itu, peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Pada luas penampang yang sama ketika kecepatan fluida meningkat dan densitas meningkat menyebabkan mass flow rate primary meningkat [Subramanian, 2014, Mazzelli, 2015, Shah, 2011]. Pada Nozzle Exit Position (NXP) Minus 10, model nozzle menyebabkan perbedaan nilai entrainment ratio yang signifikan. Nilai entrainment ratio pada


66

model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) lebih besar dibandingkan model Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). Nilai entrainment ratio optimum untuk model CNSE pada primary pressure 140 kPa adalah 0.956, sedangkan model SNSE adalah 0.324 pada primary pressure 140 kPa. Nilai entrainment ratio pada primary pressure 155 kPa untuk model CNSE adalah 0.626, sedangkan model SNSE adalah 0.093. Secara berurutan nilai entrainment ratio pada variasi primary pressure 170 kPa, 185 kPa dan 200 kPa adalah 0.435, 0.312 dan 0.225 untuk model CNSE, sedangkan model SNSE adalah -0.036, -0.118 dan -0.171. Pada Gambar 4.1, nilai entrainment ratio pada model CNSE lebih besar dibandingkan entrainment ratio pada model SNSE karena, bentuk penampang nozzle yang berupa lingkaran membuat rugi-rugi aliran menjadi kecil [Yang, 2012].

4.1.2 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 5 Gambar 4.2 menunjukkan penurunan nilai entrainment ratio pada peningkatan primary pressure. Primary pressure mempengaruhi temperatur fluida. Jika primary pressure meningkat menyebabkan temperatur fluida meningkat. Peningkatan temperatur fluida akan menyebabkan densitas fluida menurun. Selain itu, peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Pada luas penampang yang sama ketika kecepatan fluida meningkat menyebabkan mass flow rate primary meningkat. nilai entrainment ratio semakin menurun ketika peningkatan primary pressure [Subramanian, 2014, Mazzelli, 2015, Shah, 2011]. Pada Gambar 4.2 menunjukkan perbedaan nilai entrainment ratio yang signifikan yang terjadi pada model CNSE dan SNSE di Nozzle Exit Position (NXP) Minus 5. Model CNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0.702 pada tekanan 155 kPa. Model SNSE mempunyai nilai entrainment optimum 0.443 pada tekanan 140 kPa. Pada model CNSE, nilai entrainment ratio terendah 0.089 terjadi pada primary pressure 185 kPa. Pada model SNSE, nilai entrainment ratio terendah 0.038 pada primary pressure 170 kPa. Secara berurutan nilai entrainment ratio model CNSE untuk variasi primary pressure 140


67

1,2


Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.2 Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Minus 5. kPa hingga 200 kPa yaitu 1.048, 0.702, 0.5, 0.363 dan 0.268. Nilai entrainment ratio model SNSE adalah 0.443, 0.191, 0.034, -0.068 dan -0.146. Pada Gambar 4.2, nilai entrainment ratio pada model CNSE lebih besar daripada model SNSE karena bentuk penampang nozzle yang berupa lingkaran membuat rugi-rugi aliran menjadi kecil [Yang, 2012].

4.1.3 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Nol Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) mempunyai nilai entrainment ratio yang lebih tinggi daripada Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). Hal tersebut dikarenakan CNSE mempunyai penampang nozzle berbentuk lingkaran yang men yebabkan rugi -rugi aliran menjadi kecil [Yang, 2012]. Gambar 4.3 menunjukkan nilai entrainment ratio pada model CNSE dan SNSE mempunyai perbedaan yang tidak signifikan dibandingkan Gambar 4.1 dan pada variasi NXP Minus 10 dan Gambar 4.2 pada variasi NXP Minus 5. Hal tersebut dikarenakan


68

1,2

CNSE NXP 0 SNSE NXP 0

Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.3 Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP 0. mass flow rate primary pada model CNSE tinggi, sehingga mempengaruhi entrainment ratio menurun cukup signifikan. Pada tekanan 140 kPa pada model CNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0,710 sedangkan model SNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0,565. Untuk nilai entrainment ratio terendah model CNSE pada primary pressure 185 kPa yaitu 0,090 dan SNSE pada primary pressure 185 kPa dengan nilai 0,002. Secara berurutan nilai entrainment ratio untuk variasi primary pressure 140 kPa hingga 200 kPa pada model CNSE adalah 0.710, 0.397, 0.215, 0.090 dan -0.002, sedangkan model SNSE adalah 0.565, 0.291, 0.119, 0.002 dan -0.086. Gambar 4.3 menunjukkan nilai entrainment ratio menurun pada peningkatan primary pressure. Primary pressure mempengaruhi temperatur fluida. Jika primary pressure meningkat menyebabkan temperatur fluida meningkat. Peningkatan temperatur fluida akan menyebabkan densitas fluida menurun. Selain itu, peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Pada luas penampang yang sama ketika kecepatan fluida meningkat menyebabkan mass


69

flow rate primary meningkat. Karena mass flow rate secondary konstan maka, nilai entrainment ratio semakin menurun ketika peningkatan primary pressure [Subramanian, 2014, Mazzelli, 2015, Shah, 2011]

4.1.4

Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 5 1,2

CNSE NXP Plus 5 SNSE NXP Plus 5

Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary pressure (kPa) Gambar 4.4 Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 5. Gambar 4.4 menunjukkan tendensi penurunan nilai entrainment ratio pada peningkatan primary pressure. Primary pressure mempengaruhi temperatur fluida. Jika primary pressure meningkat menyebabkan temperatur fluida meningkat. Peningkatan temperatur fluida akan menyebabkan densitas fluida menurun. Selain itu, peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Pada luas penampang yang sama ketika kecepatan fluida meningkat menyebabkan mass flow rate primary meningkat. Karena mass flow rate secondary konstan maka, nilai entrainment ratio semakin menurun ketika peningkatan primary pressure [Subramanian, 2014, Mazzelli, 2015, Shah, 2011].


70

Pada Gambar 4.4, nilai entrainment ratio pada model CNSE lebih besar dibandingkan entrainment ratio pada model SNSE, karena bentuk penampang nozzle yang berupa lingkaran membuat rugi-rugi aliran menjadi kecil [Yang, 2012]. Pada Gambar 4.4 juga menunjukkan perbedaan nilai entrainment ratio yang signifikan dari model CNSE dan SNSE. Model CNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0.827 pada primary pressure 155 kPa. Model SNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0.624 pada primary pressure 140 kPa. Model CNSE mempunyai nilai entrainment ratio terendah 0.36 pada primary pressure 200 kPa. Model SNSE mempunyai nilai entrainment ratio terendah 0.038 pada primary pressure 185 kPa. Secara berurutan nilai entrainment ratio pada primary pressure 140 kPa hingga 200 kPa di model CNSE adalah 1.188, 0.828, 0.606, 0.460 dan 0.361, sedangkan model SNSE adalah 0.625, 0.340, 0.160, 0.034 dan -0.015.

4.1.5 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 10 Pada Gambar 4.5, nilai entrainment ratio mempunyai perbedaan yang signifikan dari perbandingan model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE). Primary pressure mempengaruhi temperatur fluida. Jika primary pressure meningkat menyebabkan temperatur fluida meningkat. Peningkatan temperatur fluida akan menyebabkan densitas fluida menurun. Selain itu, peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Pada luas penampang yang sama ketika kecepatan fluida meningkat menyebabkan mass flow rate primary meningkat. Karena mass flow rate secondary konstan maka, nilai entrainment ratio semakin menurun ketika peningkatan primary pressure [Subramanian, 2014, Mazzelli, 2015, Shah, 2011]. Untuk model CNSE pada variasi primary pressure yang sama memiliki nilai entrainment ratio lebih tinggi dibandingkan model SNSE, karena bentuk penampang nozzle yang berupa lingkaran membuat rugi-rugi menjadi kecil [Yang, 2012]. Model CNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0.837 pada


71

primary pressure 155 kPa, sedangkan model SNSE mempunyai nilai entrainment ratio optimum 0.697 pada primary pressure 140 kPa. Nilai entrainment ratio

1,2


Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.5 Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 10. terendah pada model CNSE yaitu 0.379 di primary pressure 200 kPa, sedangkan model SNSE 0.085 pada primary pressure 185 kPa. Secara berurutan nilai entrainment ratio pada variasi primary pressure 140 kPa hingga 200 kPa adalah 1.191, 0.837, 0.618, 0.478 dan 0.379 pada model CNSE, sedangkan model SNSE adalah 0.697, 0.398, 0.210, 0.085 dan -0.011.

4.2

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio pada Variasi Primary Pressure Menggunakan Variasi Model Nozzle Untuk mengetahui performa dari steam ejector dapat dilihat dari nilai

entrainment ratio. Nilai entrainment ratio sangat berhubungan erat dengan mass flow rate primary maupun mass flow rate secondary. Nilai mass flow rate tergantung pada primary pressure maupun pressure secondary. Nilai primary pressure maupun pressure secondary akan menghasilkan mass flow rate yang


72

beragam. Selain itu, Nozzle Exit Position (NXP) juga menjadi salah satu yang berpengaruh signifikan dalam efisiensi kerja steam ejector. Variasi NXP dapat mengetahui kerja optimum dari ejector. Di bawah ini akan dibahas pengaruh dari variasi NXP dan variasi primary pressure untuk model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) dan Square Nozzle Steam Ejector (SNSE).

4.2.1

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio pada Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector 1,2

CNSE NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.6 Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada model CNSE. Pada Gambar 4.6, variasi NXP menyebabkan perbedaan nilai entrainment ratio pada model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE). Pada NXP Plus 10 dan NXP Plus 5 mempunyai nilai entrainment ratio hampir sama dan cenderung lebih tinggi daripada NXP yang lain. Hal ini menunjukkan nozzle yang

digeser ke

daerah mixing chamber akan meningkatkan nilai entrainment ratio pada model CNSE [Yapici, 2008]. Gambar 4.6 menunjukkan model CNSE mengalami penurunan nilai entrainment ratio yang signifikan pada NXP 0. Penurunan nilai


73

entrainment ratio tersebut dikarenakan di diverging nozzle mempunyai kecepatan yang tinggi. Kecepatan yang tinggi menyebabkan mass flow rate primary meningkat. Karena mass flow rate primary tinggi menyebabkan nilai entrainment ratio menurun. Ketika nozzle digeser ke daerah suction chamber, nilai entrainment ratio lebih rendah daripada nozzle digeser ke daerah mixing chamber.

4.2.2 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio pada Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Square Nozzle Steam Ejector Gambar 4.7 menunjukkan perbedaan NXP menyebabkan perubahan nilai entrainment ratio. Pada NXP Minus 10 menunjukkan nilai entrainment ratio terendah dibandingkan variasi NXP yang lain untuk semua variasi primary pressure. Nilai entrainment ratio tertinggi terdapat pada variasi NXP Plus 10 untuk semua variasi primary pressure. Secara bertahap nilai entrainment ratio akan meningkat ketika nozzle digeser ke daerah mixing chamber. Hal tersebut

1,2

SNSE NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

Entrainment Ratio

0,9 0,6 0,3 0,0 -0,3 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.7 Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio dengan variasi primary pressure pada model SNSE.


74

karena di mixing chamber yang mempunyai penampang menyempit. Penampang yang menyempit menyebabkan temperatur meningkat karena proses kompresi. Peningkatan temperatur menyebabkan densitas fluida menurun. Penyempitan penampang juga menyebabkan kecepatan fluida menurun. Karena densitas dan kecepatan menurun menyebabkan mass flow rate primary menurun. Menurunnya mass flow rate primary menyebabkan nilai entrainment ratio meningkat. Ketika nozzle digeser ke daerah suction chamber menyebabkan nilai entrainment ratio menurun. Hal tersebut dikarenakan daerah diverging nozzle berpenampang kecil mempunyai tekanan yang kecil. Penampang kecil menyebabkan kecepatan tinggi. Selain itu temperatur yang rendah keluar nozzle menyebabkan densitas meningkat. Kecepatan yang tinggi dan densitas meningkat menyebabkan mass flow rate primary meningkat. Karena mass flow rate primary tinggi menyebabkan nilai entrainement ratio rendah. Hasil tersebut mengindikasi dalam mendesain steam ejector, Nozzle Exit Position sangat berpengaruh untuk mendapatkan performa steam ejector yang optimum [Zhu, 2009].

4.3

Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass flow Rate Primary dan Secondary Menggunakan Variasi Primary Pressure pada Variasi Model Nozzle Nozzle Exit Position (NXP) divariasikan untuk mengetahui performa

optimum steam ejector. Variasi NXP berpengaruh pada mass flow rate primary maupun mass flow rate secondary. Mass flow rate primary dan mass flow rate secondary mempengaruhi nilai entrainment ratio.

4.3.1 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass Flow Rate Primary Menggunakan Variasi Primary Pressure pada Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector Gambar 4.8 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan mass flow rate primary meningkat. Model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) mempunyai mass flow rate primary optimum terjadi pada NXP 0. Ketika NXP Minus 5 dan NXP Minus 10 mempunyai mass flow rate primary lebih tinggi


75

dibandingkan NXP Plus 5 dan NXP Plus 10. Hal ini menunjukkan, ketika nozzle digeser ke daerah mixing chamber maka, mass flow rate primary akan mempunyai nilai lebih kecil. Nozzle digeser ke daerah suction chamber mempunyai mass flow rate primary lebih besar.

Mass flow rate primary (kg/s)

0,0105

0,0090

CNSE NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

0,0075

0,0060

0,0045 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary pressure (kPa) Gambar 4.8 Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary pada variasi primary pressure di model CNSE. Pada Gambar 4.9 menunjukkan grafik yang sedikit berbeda dengan grafik dari Gambar 4.8. Model Square Nozzle Steam Ejector (SNSE) memiliki mass flow rate primary optimum pada NXP Minus 10. Mass flow rate primary terendah didapat pada variasi NXP Plus 10. Pada NXP Plus 10, mass flow rate primary yang dihasilkan lebih rendah daripada NXP Minus 10. Hasil yang sama juga dialami model CNSE pada Gambar 4.8, mass flow rate primary pada NXP Plus 10 mempunyai nilai yang rendah daripada variasi NXP lain. Pada NXP 0 untuk model CNSE dan SNSE yang mempunyai perbedaan signifikan. Mass flow rate primary pada NXP 0 untuk model CNSE mempunyai nilai tertinggi daripada variasi NXP lain. Sedangkan mass flow rate primary tertinggi untuk model SNSE


76

pada NXP Minus 10. Mass flow rate primary pada model SNSE lebih tinggi pada NXP 0. Nozzle digeser ke daerah mixing chamber maka, nilai mass flow rate SNSE

Mass flow rate primary (kg/s)

0,0105

NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

0,0090

0,0075

0,0060

0,0045 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary pressure (kPa) Gambar 4.9 Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary pada variasi primary pressure di model SNSE. daripada mass flow rate primary pada model CNSE. Untuk mendapatkan mass flow rate primary yang tinggi pada model CNSE adalah dengan menggeser nozzle primary akan menurun. Jika nozzle digeser ke daerah suction chamber maka, nilai mass flow rate primary akan meningkat. Variasi NXP digunakan untuk mencari performa

optimum

dari

ejector

pada

operating

condition

yang

sama

[Aphornratana dan Eames, 1997].

4.3.2 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass Flow Rate Secondary Menggunakan Variasi Primary Pressure pada Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejector Pada Gambar 4.10, peningkatan primary pressure menyebabkan tendensi nilai mass flow rate secondary semakin menurun untuk semua variasi Nozzle Exit Position (NXP). Pada model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE), mass flow rate secondary tertinggi pada NXP Plus 5 dan NXP Plus 10. Sedangkan mass flow


77

rate secondary terendah pada variasi NXP 0. Pada NXP 0 terjadi penurunan nilai mass flow rate secondary yang signifikan karena mass flow rate primary yang

Mass flow rate secondary (kg/s)

0,0060 0,0045 0,0030 CNSE NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

0,0015 0,0000 -0,0015 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.10 Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary pada variasi primary pressure di model CNSE. tinggi. Jika nozzle digeser ke daerah mixing chamber maka, mass flow rate secondary akan meningkat. Jika nozzle digeser ke daerah suction chamber maka, mass flow rate secondary menurun. Hal tersebut dikarenakan primary pressure yang tinggi menyebabkan kecepatan meningkat di diverging nozzle (Gambar 4.123 sampai dengan Gambar 4.151). Pada Gambar 4.11 menunjukkan perbedaan nilai entrainment ratio pada variasi Nozzle Exit Position (NXP). Mass flow rate secondary terendah berada pada variasi NXP Minus 10. Mass flow rate secondary tertinggi berada pada variasi NXP Plus 10. Hal ini menunjukkan nozzle digeser ke daerah mixing chamber meningkatakan nilai entrainment ratio.. Jika nozzle digeser ke daerah suction chamber maka, nilai mass flow rate secondary akan menurun. Perbedaan yang signifikan antara model CNSE dan SNSE adalah pada variasi NXP 0. Pada model SNSE pada NXP 0 tidak menunjukkan penurunan nilai yang signifikan


78

untuk mass flow rate secondary. Secara keseluruhan mass flow rate secondary yang dihasilkan model CNSE lebih tinggi daripada model SNSE pada variasi primary pressure dan variasi NXP yang sama.

Mass flow rate secondary (kg/s)

0,0060

SNSE NXP Minus 10 NXP Minus 5 NXP 0 NXP Plus 5 NXP Plus 10

0,0045 0,0030 0,0015 0,0000 -0,0015 0

140

150

160

170

180

190

200

Primary Pressure (kPa) Gambar 4.11 Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary pada variasi primary pressure di model SNSE. 4.4

Analisis Kontur Tekanan, Temperatur dan Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector dan Square Nozzle Steam Ejectoor pada Variasi Nozzle Exit Position Pada bagian ini akan ditampilkan kontur tekanan, temperatur dan

kecepatan pada variasi model nozzle, variasi primary pressure dan variasi Nozzle Exit Position (NXP). Pembahasan akan diawali untuk model Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) lalu model Square Nozzle Steam Ejector (SNSE) pada setiap kontur tekanan, temperatur dan kecepatan. Kontur yang ditampilkan untuk mengetahui bentuk aliran yang berada di dalam steam ejector. Kontur juga mendukung hasil grafik. Kontur akan ditampilkan pada NXP yang sama dengan


79

variasi primary pressure. Pada variasi primary pressure akan diketahui perbedaan kontur yang terjadi, sehingga dapat diambil kesimpulan untuk tiap variasi NXP.

4.4.1 Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus 10 Pada Gambar 4.12 sampai dengan Gambar 4.16, daerah converging nozzle memiliki tekanan yang lebih tinggi dibandingkan diverging nozzle. Hal tersebut dikarenakan diverging nozzle memiliki penampang yang kecil. Pada Gambar 4.12, diverging nozzle mempunyai tekanan yang sama dengan daerah suction chamber. Pada Gambar 4.13 sampai dengan Gambar 4.16, diverging nozzle cenderung memiliki tekanan yang lebih tinggi daripada suction chamber. Hal tersebut dikarenakan primary pressure yang tinggi menyebabkan daerah diverging nozzle mempunyai tekanan lebih tinggi daripada suction chamber. Fenomena yang terjadi pada Gambar 4.13 sampai dengan Gambar 4.16 yaitu tekanan keluar nozzle primary terjadi penurunan cukup signifikan. Hal tersebut dikarenakan tekanan diverging nozzle lebih tinggi bergerak ke tekanan yang lebih rendah di suction chamber [Bartosiewicz, 2005] [Rusly, 2005]. Peningkatan primary pressure pada variasi NXP Minus 10 untuk model CNSE menggeser letak perubahan kontur yang terjadi di dalam steam ejector. Pada Gambar 4.13, perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle. Pada Gambar 4.14, perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle yang mendekati diverging section. Pada Gambar 4.15, perubahan kontur tekanan terjadi di diverging section. Gambar 4.16 menunjukkan perubahan kontur terjadi di diverging section.

Gambar 4.12 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.


80






81

4.4.2

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5



Gambar 4.19 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 170 kPa. Gambar 4.17 sampai dengan Gambar 4.21 menunjukkan primary pressure menyebabkan daerah converging nozzle memiliki tekanan yang tinggi. Setelah melewati converging nozzle, fluida mengalami penurunan tekanan ketika di diverging nozzle. Hal tersebut karena nozzle mengalami penyempitan penampang di daerah diverging nozzle. Pada penampang yang kecil menyebabkan tekanan menurun. Pada Gambar 4.17, diverging nozzle mempunyai tekanan sama dengan


82

daerah suction chamber. Pada Gambar 4.18 dan Gambar 4.19, diverging nozzle mempunyai tekanan yang lebih besar daripada daerah suction chamber. Hal tersebut karena primary pressure 155 kPa dan 170 kPa menyebabkan tekanan di daerah nozzle lebih tinggi walaupun sudah melewati penyempitan penampang. Pada Gambar 4.20 dan Gambar 4.21, daerah diverging section mempunyai tekanan yang sama dengan daerah suction chamber. Hal tersebut dikarenakan, tekanan di daerah suction chamber meningkat. Peningkatan primary pressure pada variasi NXP Minus 5 untuk model CNSE dapat menggeser perubahan kontur tekanan yang terjadi di dalam steam ejector.


Gambar 4.21 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa. 4.4.3

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Nol Gambar 4.22 sampai dengan Gambar 4.26 menunjukkan perbedaan kontur

tekanan yang signifikan dari variasi primary pressure. Gambar 4.22 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah mixing chamber. Gambar 4.23 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle. Gambar 4.24


83

menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section. Gambar 4.25 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section yang berdekatan dengan daerah outlet ejector. Gambar 4.26 menunjukkan perubahan tekanan terjadi di daerah mixing chamber tetapi mempunyai nilai tekanan yang lebih tinggi. Pada Gambar 4.22 daerah diverging nozzle terjadi fenomena yang menarik pada variasi NXP Nol ini, karena pada primary pressure yang sama di daerah diverging nozzle mengalami penurunan tekanan yang drastis. Peningkatan tekanan dapat mempengaruhi distribusi aliran di dalam steam ejector.

Gambar 4.22 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.




84


Gambar 4.26 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. 4.4.4

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5 Peningkatan primary pressure menyebabkan keberagaman kontur tekanan

di dalam steam ejector. Gambar 4.27 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah mixing chamber dan daerah diverging nozzle mempunyai tekanan yang sama dengan daerah suction chamber. Gambar 4.28 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle. Gambar 4.29 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle yang mendekati daerah diverging section.

Gambar 4.27 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa.


85






86

Gambar 4.30 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section. Gambar 4.28 sampai dengan Gambar 4.30 di daerah diverging nozzle mempunyai tekanan yang sama dengan daerah suction chamber. Gambar 4.31 menunjukkan tekanan di daerah diverging nozzle lebih kecil daripada daerah suction chamber.

4.4.5

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10





87


Gambar 4.36 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.32 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah mixing chamber dan di diverging nozzle mempunyai tekanan yang sama dengan daerah suction chamber. Gambar 4.33 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle dan terdapat perbedaan kontur tekanan di mixing chamber. Hal tersebut dikarenakan peningkatan primary pressure menyebabkan tekanan di daerah mixing chamber meningkat. Gambar 4.34 daerah diverging section mempunyai tekanan yang berbeda dengan suction chamber. Gambar 4.35 dan Gambar 4.36 menunjukkan peningkatan primary pressure mengakibatkan tekanan di suction chamber dan mixing chamber dapat meningkat.

4.4.6 Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model Square Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus 10 Peningkatan variasi primary pressure menyebabkan keberagaman kontur di dalam steam ejector. Pada Gambar 4.37 hingga Gambar 4.41, variasi primary


88

pressure menyebabkan perubahan kontur tekanan mendekati outlet ejector. Pada Gambar 4.37 menunjukkan perubahan kontur tekan terjadi di daerah mixing chamber dan diverging section. Gambar 4.38 pada peningkatkan primary pressure menyebabkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle. Pada Gambar 4.39 perubahan kontur tekanan terjadi di throttle yang mendekati daerah diverging section. Gambar 4.40 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section. Gambar 4.41 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section yang mendekati outlet ejector.

Gambar 4.37 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.




89


Gambar 4.41 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa. 4.4.7

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 5 Peningkatan primary pressure menyebabkan keberagaman kontur tekanan

pada setiap variasi. Gambar 4.42 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah diverging section dan daerah mixing chamber semakin meningkat. Gambar 4.43 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah mixing chamber. Gambar 4.44 hingga 4.46 menunjukkan perubahan kontur tekanan terjadi di daerah throttle.



90






91

4.4.8

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Nol Gambar 4.47 sampai dengan Gambar 4.51 menunjukkan peningkatan

primary pressure menyebabkan daerah mixing chamber memiliki tekanan lebih tinggi daripada di diverging section. Tekanan pada mixing chamber lebih tinggi adalah karena outlet pressure yang konstan menyebabkan daerah tersebut yang mengalami perubahan tekanan. Gambar 4.47 menunjukkan kontur perubahan

Gambar 4.47 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.




92


Gambar 4.51 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. tekanan terjadi di daerah throttle. Gambar 4.48 menunjukkan kontur perubahan tekanan terjadi di daerah diverging section dan di daerah converging section mulai mengalami peningkatan tekanan. Gambar 4.49 peningkatan tekanan pada mixing chamber mengalami perluasan kontur tekanan. Pada Gambar 4.50, peningkatan tekanan pada mixing chamber menunjukkan pengaruh peningkatan variasi tekanan primary. Gambar 4.51 menunjukkan daerah suction chamber dan mixing chamber mengalami peningkatan tekanan karena primary pressure tinggi.

4.4.9

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5 Gambar 4.52 menunjukkan kontur perubahan tekanan terjadi di daerah

throttle, tetapi di daerah mixing chamber tidak terjadi peningkatan tekanan. Pada Gambar 4.53, kontur perubahan tekanan terjadi di diverging section dan di mixing chamber. Gambar 4.54 sampai dengan Gambar 4.56 menunjukkan perluasan kontur perubahan tekanan pada mixing chamber pada peningkatan primary pressure.


93

Gambar 4.52 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa.





95

Gambar 4.56 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa. 4.4.10 Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 Peningkatan variasi tekanan primary menyebabkan daerah diverging nozzle mempunyai nilai tekanan yang semakin menurun. Peningkatan variasi primary pressure mengakibatkan kontur perubahan kontur tekanan terjadi mendekati outlet ejector. Gambar 4.58 menunjukkan kontur perubahan tekanan terjadi di daerah converging section. Gambar 4.59 menunjukkan kontur perubahan tekanan terjadi di daerah throttle. Gambar 4.60 menunjukkan kontur perubahan




94



Gambar 4.61 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. tekanan terjadi di diverging section. Pada Gambar 4.61, kontur perubahan tekanan tidak terjadi, karena kontur tekanan yang terjadi di sepanjang daerah converging section hingga throttle mempunyai nilai yang sama.

4.4.11 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 10 Daerah mixing chamber terjadi penurunan temperatur disebabkan oleh interaksi fluida primary dengan fluida secondary yang mempunyai temperatur


96

lebih rendah. Gambar 4.64 menunjukkan perubahan temperatur mulai terjadi di daerah suction chamber. Hal tersebut dikarenakan peningkatan primary pressure menyebabkan primary temperatur meningkat. Peningkatan primary temperatur juga menyebabkan outlet temparatur meningkat. Gambar 4.65 menunjukkan perluasan perubahan temperatur di daerah suction chamber. Pada Gambar 4.66 dan Gambar 4.67 meningkatnya tekanan menyebabkan kontur temperatur di

Gambar 4.62 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10.

Gambar 4.63 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.




97


Gambar 4.67 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa. converging section meningkat dan perluasan daerah perubahan kontur temperatur di suction chamber. Hal tersebut dikarenakan primary pressure yang tinggi menyebabkan temperatur meningkat. Temperatur yang meningkat menyebabkan perpindahan temperatur di daerah suction chamber.

4.4.12 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5

Gambar 4.68 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5.



98




Gambar 4.73 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa. Pada Gambar 4.69 menunjukkan perubahan temperatur terfokus di daerah mixing chamber. Pada Gambar 4.69 terjadi perubahan temperatur yang baik antara kedua fluida. Perubahan temperatur yang baik adalah terjadi transfer temperatur di daerah mixing chamber. Gambar 4.70 menunjukkan perubahan kontur temperatur


99

yang terjadi merata tetapi temperatur yang keluar outlet ejector cukup tinggi. Gambar 4.71 menunjukkan perubahan kontur temperatur yang terjadi di dalam steam ejector tidak merata. Hal tersebut dikarenakan primary pressure yang meningkat menyebabkan peningkatan temperatur. Gambar 4.71 menunjukkan perubahan temperatur di daerah suction chamber. Gambar 4.72 menunjukkan perubahan temperatur yang cukup merata tetapi, outlet temperature masih tinggi. Gambar 4.73 menunjukkan perubahan temperatur yang terjadi tidak baik. Pada bagian mixing chamber hingga outlet ejector masih mempunyai temperatur yang tinggi. Hal tersebut dikarenakan, primary pressure tinggi mengakibatkan primary temperatur meningkat.

4.4.13 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Nol Pada Gambar 4.75 hingga Gambar 4.79 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan Tp di nozzle meningkat. Gambar 4.75 menunjukkan kontur perubahan temperatur yang baik. Bagian nozzle yang mempunyai temperatur tinggi setelah keluar nozzle mengalami perubahan temperatur yang signifikan. Perubahan temperatur yang signifikan ditandai dengan warna yang ada. Hal tersebut juga dikarenakan kedua fluida pencampurannya terfokus di daerah mixing chamber. Gambar 4.76 menunjukkan peningkatan temperatur di daerah mixing chamber. Outlet temperature masih cukup tinggi disebabkan primary temperature meningkat. Gambar 4.77 menunjukkan kontur perubahan temperatur yang kurang baik. Daerah suction chamber mulai mengalami perubahan temperatur karena primary temperature cukup tinggi. Gambar 4.78 menunjukkan outlet temperature masih tinggi. Outlet temperature yang masih tinggi menyebabkan kerja steam ejector tidak maksimal. Pada kontur daerah suction chamber mengalami perubahan ketika mengalami peningkatan variasi primary pressure. Gambar 4.79 menunjukkan semakin luas daerah suction chamber yang mengalami perubahan temperatur. Hal tersebut mengindikasi fluida secondary sebelum sebelum masuk ke mixing chamber sudah mengalami kenaikan temperatur.


100

Gambar 4.74 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Nol.

Gambar 4.75 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.





101

Gambar 4.79 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. 4.4.14 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5 Gambar 4.81 menunjukkan kontur perubahan temperatur yang signifikan terjadi di daerah mixing chamber. Hal tersebut dikarenakan, fluida secondary dapat menurunkan temperatur fluida primary yang mempunyai temperatur yang tidak terlalu tinggi. Gambar 4.82 hingga Gambar 4.85 menunjukkan kontur perubahan temperatur yang terjadi cukup baik. Walaupun primary temperature meningkat namun perubahan temperatur masih cukup baik. Hal tersebut dikarenakan perubahan temperatur terfokus di daerah mixing chamber dan daerah suction chamber tidak mengalami perubahan temperatur sehingga proses termodinamika terfokus di mixing chamber. Pada Gambar 4.85, daerah ujung diverging section mengalami peningkatan temperatur karena daerah tersebut mengalami perluasan penampang yang menyebabkan tekanan meningkat.

Gambar 4.80 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5.

Gambar 4.81 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa.


102




Gambar 4.85 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa. 4.4.15 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10 Pada Gambar 4.87 hingga 4.91 menunjukkan peningkatan tekanan primary menyebabkan perubahan temperatur fluida di dalam steam ejector. Pada NXP Plus 10, primary temperature tidak mempengaruhi secondary temperatur di


103

daerah suction chamber. Pada semua kontur menunjukkan perubahan temperatur terfokus di daerah mixing chamber. Gambar 4.87 menunjukkan penurunan temperatur primary yang signifikan. Pada Gambar 4.88 menunjukkan peningkatan temperatur primary menyebabkan temperatur outlet ejector lebih tinggi dibandingkan kontur pada Gambar 4.87. Gambar 4.89 menunjukkan daerah mixing chamber mengalami sedikit peningkatan temperatur tetapi, pada daerah outlet ejector memiliki temperatur yang sama dengan Gambar 4.88. Gambar 4.90 menunjukkan temperatur di daerah mixing chamber hingga outlet ejector meningkat karena peningkatan Primary pressure. Gambar 4.91 menunjukkan meningkatnya primary pressure menyebabkan temperatur di daerah converging section masih cukup tinggi.

Gambar 4.86 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10.




105



Gambar 4.91 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. 4.4.16 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 10 Pada Gambar 4.93 hingga Gambar 4.97, variasi primary pressure menyebabkan distribusi temperatur yang terjadi di dalam steam ejector bervariasi. Gambar 4.93 menunjukkan kontur perubahan temperatur yang baik tetapi, daerah suction chamber sudah mengalami perubahan temperatur. Gambar 4.94 menunjukkan daerah mixing chamber

mengalami kenaikan temperatur. Hal

tersebut dikarenakan, primary pressure tinggi menyebabkan primary temperatur meningkat. Gambar 4.95 menunjukkan kenaikan temperatur pada mixing chamber dan menyebabkan temperatur outlet ejector masih mempunyai temperatur yang cukup tinggi. Gambar 4.96 dan Gambar 4.97 menunjukkan kenaikan primary


104

pressure

menyebabkan

daerah

suction

chamber

mempunyai

perubahan

temperatur.

Gambar 4.92 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10.

Gambar 4.93 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.




106


Gambar 4.97 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa. 4.4.17 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 5 Gambar 4.99 menunjukkan perubahan temperatur yang signifikan terjadi di mixing chamber. Hal tersebut menunjukkan terjadi perubahan temperatur antara primary fluid dengan secondary fluid di mixing chamber. Outlet temperature mengalami peningkatan karena terjadi peluasan penampang pada diverging section. Gambar 4.100 menunjukkan perubahan temperatur di daerah mixing chamber lebih tinggi daripada Gambar 4.99. Hal tersebut dikarenakan peningkatan primary pressure

yang menyebabkan primary temperature

meningkat. Gambar 4.100 menunjukkan di suction chamber

mengalami

perubahan kontur temperatur. Gambar 4.101 menunjukkan kontur temperatur yang keluar nozzle tidak mengalami perubahan temperatur yang signifikan. Hal tersebut dikarenakan temperatur di nozzle tinggi. Gambar 4.102 dan Gambar 4.103 menunjukkan daerah suction chamber mengalami perubahan kontur tekanan, sehingga di mixing chamber tidak mengalami perubahan temperatur yang signifikan. Peningkatan primary pressure menyebabkan perluasan kontur temperatur di daerah suction chamber.


107

Gambar 4.98 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5.






108

Gambar 4.103 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa. 4.4.18 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Nol

Gambar 4.104 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Nol.

Gambar 4.105 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.



109



Gambar 4.109 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.105 dan Gambar 4.106 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan perbedaan perubahan kontur temperatur di dalam steam ejector. Gambar 4.105 terjadi penurunan tekanan di daerah mixing chamber. Pada Gambar 4.106 terjadi perubahan kontur temperatur yang lebih luas. Pada Gambar 4.107 hingga Gambar 4.109 menunjukkan di daerah suction chamber mengalami perubahan kontur temperatur. Hal tersebut dikarenakan, peningkatan primary pressure menyebabkan peningkatan primary temperature. Ketika di suction chamber

mengalami

temperature meningkat.

perubahan

kontur

temperatur

menyebabkan

outlet


110

4.4.19 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5

Gambar 4.110 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5.

Gambar 4.111 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa.




111


Gambar 4.115 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa. Pada Gambar 4.111 dan Gambar 4.112 menunjukkan perubahan kontur temperatur hanya terjadi di daerah mixing chamber. Pada Gambar 4.113 hingga Gambar 4.115 menunjukkan daerah suction chamber mengalami perubahan kontur temperatur karena peningkatan primary pressure menyebabkan primary temperatur meningkat. Daerah suction chamber yang mengalami perubahan kontur temperatur dapat mengurangi performa dari steam ejector. Peningkatan primary pressure menyebabkan outlet temperatur meningkat.

4.4.20 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 Gambar 4.117 hingga Gambar 4.119 menunjukkan perubahan kontur temperatur terfokus di mixing chamber. Gambar 4.117 menunjukkan primary temperatur menurun signifikan di mixing chamber. Penurunan signifikan dikarenakan terjadi proses perpindahan panas yang baik dari temperatur primary fluid ke temperatur secondary fluid. Perpindahan panas di mixing chamber mengakibatkan outlet temperature rendah. Gambar 4.118 menunjukkan perbedaan kontur temperatur yang terjadi di daerah mixing chamber. Gambar 4.119


112

menunjukkan temperatur nozzle mempunyai nilai yang sama hingga daerah outlet ejector. Gambar 4.20 menunjukkan penurunan kontur temperatur yang tidak signifikan terjadi di mixing chamber. Gambar 4.121 primary pressure meningkat menyebabkan perluasan perubahan kontur temperatur yang terjadi di suction chamber. Gambar 4.119 hingga Gambar 4.121 menunjukkan temperatur nozzle mempunyai nilai yang sama dengan outlet ejector.

Gambar 4.116 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10.





113


Gambar 4.121 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. 4.4.21 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 10 Peningkatan primary pressure mempengaruhi primary velocity yang terjadi di dalam steam ejector. Pada Gambar 4.123, diverging nozzle mempunyai kecepatan yang lebih tinggi daripada daerah steam ejector lain. Di daerah throttle yang mempunyai penampang kecil menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Daerah throttle untuk Gambar 4.123 mempunyai kecepatan cukup rendah dikarenakan primary pressure rendah. Fluida primary di converging nozzle yang mempunyai tekanan tinggi. Diverging nozzle yang mempunyai penampang kecil menyebabkan kecepatan fluida meningkat. Setelah fluida primary melewati diverging nozzle, maka terjadi shock yang menyebabkan kecepatan fluida menurun. Shock terjadi karena diverging nozzle yang mempunyai tekanan tinggi berinteraksi dengan daerah suction chamber yang mempunyai tekanan lebih rendah. Primary fluid terhisap ke daerah yang mempunyai tekanan lebih kecil. Pada Gambar 4.124, di throttle belum mengalami peningkatan kecepatan seperti terlihat pada Gambar 4.125 hingga Gambar 4.127. Pada Gambar 4.125 hingga


114

Gambar 4.127 dapat dibandingkan peningkatan primary pressure menyebabkan daerah nozzle dan throttle mempunyai peluasan kontur kecepatan yang signifikan.

Gambar 4.122 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10.

Gambar 4.123 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.




115


Gambar 4.127 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa. 4.4.22 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5 Kontur kecepatan pada Gambar 4.133 menunjukkan kecepatan di dalam ejector yang mempunyai penampang lebih besar memiliki kecepatan fluida yang rendah. Kecepatan di throttle meningkat yang ditandai dengan perubahan kontur kecepatan. Perubahan kontur kecepatan tersebut dapat dilihat di Gambar 4.131 hingga Gambar 4.133. Pada Gambar 4.131 dan Gambar 4.132, peningkatan primary pressure mempengaruhi luas kontur kecepatan dan perubahan warna kontur di dalam nozzle. Gambar 4.132 kontur di nozzle mengindikasi kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan Gambar 4.131. Gambar 4.133 peningkatan primary pressure menyebabkan perluasan kontur kecepatan di nozzle maupun throttle.

Gambar 4.128 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5.


116






118

Gambar 4.133 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa. 4.4.23 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Nol

Gambar 4.134 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP 0.

Gambar 4.135 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.



117



Gambar 4.139 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. Peningkatan primary pressure mempengaruhi kontur kecepatan fluida di dalam steam ejector. Gambar 4.135 menunjukkan kontur kecepatan terendah yang berada di dalam nozzle. Pada Gambar 4.135 menunjukkan di mixing chamber terjadi mengalami penurunan kontur kecepatan karena primary pressure yang rendah. Daerah throttle karena ada penyempitan penampang menunjukkan kontur kecepatan meningkat. Gambar 4.136 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan kontur kecepatan di dalam nozzle lebih tinggi daripada Gambar 4.135. Pada Gambar 4.137 hingga Gambar 4.139, di throttle mulai mengalami peningkatan kecepatan. Selain itu, pada peningkatan primary pressure di daerah nozzle mengalami perluasan kontur kecepatan tinggi.


119

4.4.24 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 5

Gambar 4.140 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5.

Gambar 4.141 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di

primary pressure 140 kPa.

Gambar 4.142 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 155 kPa.



120


Gambar 4.145 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.141 menunjukkan daerah nozzle mempunyai kecepatan yang rendah daripada variasi primary pressure yang lain. Gambar 4.141 menunjukkan daerah mixing chamber mengalami penurunan kontur kecepatan karena primary pressure yang rendah. Pada Gambar 4.142, kontur kecepatan di dalam nozzle mengalami peningkatan dan di daerah mixing chamber tidak mengalami penurunan kecepatan yang signifikan. Gambar 4.143 menunjukkan di daerah throttle mengalami peningkatan kecepatan. Pada Gambar 4.144 dan Gambar 4.145, di nozzle maupun di throttle mengalami peningkatan kontur kecepatan karena peningkatan primary pressure.

4.4.25 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Plus 10

Gambar 4.146 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10.


121






122

Gambar 4.151 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.147 menunjukkan perubahan kontur yang terjadi di mixing chamber. Pada Gambar 4.147 hingga Gambar 4.151 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan perubahan kontur di daerah nozzle dan throttle. Di throttle terjadi perubahan kontur kecepatan pada fluida yang berdekatan dengan dinding. Hal tersebut dikarenakan, tekanan outlet ejector yang cukup tinggi mengakibatkan tekanan di tengah ejector tinggi. Tekanan di tengah ejector tinggi menyebabkan kecepatan juga tinggi.

4.4.26 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 10

Gambar 4.152 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10.

Gambar 4.153 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 140 kPa.


123




Gambar 4.157 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.153 menunjukkan kecepatan di daerah diverging nozzle lebih tinggi daripada model CNSE. Walaupun daerah diverging nozzle memiliki kecepatan yang tinggi tetapi, daerah mixing chamber mengalami penurun kecepatan yang signifikan. Pada Gambar 4.153, daerah throttle tidak mengalami


124 124

perubahan kontur kecepatan. Gambar 4.154 menunjukkan perubahan kontur kecepatan di mixing chamber. Gambar 4.154 menunjukkan di diverging nozzle mengalami

peningkatan

kontur

kecepatan

lebih

tinggi.

Gambar

4.155

menunjukkan perluasan kontur kecepatan tinggi pada diverging nozzle maupun throttle. Gambar 4.156 dan Gambar 4.157 menunjukkan perluasan kontur kecepatan pada daerah throttle karena peningkatan primary pressure.

4.4.27 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Minus 5

Gambar 4.158 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5.




125



Gambar 4.163 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di primary pressure 200 kPa. Pada Gambar 4.159, mixing chamber mengalami perubahan kecepatan yang signifikan. Hal tersebut dikarenakan Primary pressure yang rendah menghasilkan kecepatan yang rendah. Walaupun di diverging nozzle mempunyai kecepatan tinggi ketika berinteraksi dengan fluida secondary di mixing chamber mengalami penurunan kecepatan. Gambar 4.160 peningkatan Primary pressure menyebabkan luas kontur kecepatan di diverging nozzle meningkat dan perubahan kontur kecepatan mulai terjadi di daerah throttle. Pada Gambar 4.161 hingga Gambar 4.163 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan kecepatan di diverging nozzle meningkat dan perluasan kontur kecepatan di daerah throttle


126 126

4.4.28 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Nol

Gambar 4.164 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0.

Gambar 4.165 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 140 kPa.




127


Gambar 4.169 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.165 menunjukkan kontur kecepatan di dalam nozzle lebih rendah daripada Gambar 4.166 hingga Gambar 4.169. Peningkatan primary pressure menyebabkan kontur kecepatan di diverging nozzle meningkat. Gambar 4.166 menunjukkan perubahan kontur kecepatan meningkat di daerah throttle. Gambar 4.167 hingga Gambar 4.169 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan perubahan kontur kecepatan di diverging nozzle dan di daerah throttle.

4.4.29 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 5

Gambar 4.170 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5.


128 128

Gambar 4.171 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 140 kPa.





129

Gambar 4.175 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa. Gambar 4.171 menunjukkan perubahan kontur kecepatan yang dihasilkan rendah. Gambar 4.172 menunjukkan peningkatan kontur kecepatan di diverging nozzle karena peningkatan primary pressure. Gambar 4.173 menunjukkan perluasan kontur kecepatan di dalam nozzle serta di daerah throttle mulai mengalami perubahan kontur kecepatan. Gambar 4.174 dan Gambar 4.175 menunjukkan perubahan kontur kecepatan di throttle semakin luas. Hal tersebut menunjukkan pengaruh yang signifikan yang diberikan variasi primary pressure. primary pressure yang diberikan ke sistem mempengaruhi performa dari steam ejector.

4.4.30 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure Menggunakan Model SNSE pada Variasi NXP Plus 10 Gambar 4.177 menunjukkan pengaruh primary pressure terhadap kontur kecepatan di diverging nozzle yang rendah. Gambar 4.177 menunjukkan tidak terjadi penurunan kontur kecepatan di mixing chamber. Hal tersebut menunjukkan nozzle yang digeser ke mixing chamber dapat mengurangi penurunan kecepatan di mixing

chamber.

Pada

Gambar

4.178,

peningkatan

primary

pressure

menyebabkan kontur kecepatan di nozzle meningkat. Gambar 4.179 hingga Gambar 4.181 menunjukkan peningkatan primary pressure menyebabkan kontur kecepatan di nozzle dan throttle meningkat.


130 130

Gambar 4.176 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10.





131




BAB V PENUTUP 5.1

Kesimpulan Pada penelitian ini telah dilakukan simulasi dalam steam ejector sehingga

didapatkan adanya pengaruh variasi primary pressure, variasi Nozzle Exit Position (NXP) dan model nozzle terhadap performa steam ejector. Dari pengaruh tersebut, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, diantaranya: 1. Pada model nozzle CNSE maupun SNSE, peningkatan primary pressure menyebabkan menurunnya nilai entrainment ratio pada semua variasi Nozzle Exit Position (NXP). Nilai optimum entrainment ratio pada model CNSE untuk NXP Minus 10 yaitu 0,96, NXP Minus 5 yaitu 0,70, NXP 0 yaitu 0,71, NXP Plus 5 yaitu 0,83 dan NXP Plus 10 yaitu 0,84. Sedangkan pada model SNSE untuk NXP Minus 10 yaitu 0,32, NXP Minus 5 yaitu 0,44, NXP 0 yaitu 0,56, NXP Plus 5 yaitu 0,62 dan NXP Plus 10 yaitu 0,69. 2. Pada model Circle Nozzle Steam Ejector maupun Square Nozzle Steam Ejector (SNSE), performa paling tinggi didapatkan ketika nozzle digeser ke daerah mixing chamber atau pada NXP Plus 5 dan NXP Plus 10. Hal tersebut dikarenakan proses termodinamika terfokus di daerah mixing chamber. Pada primary pressure 140 kPa untuk model nozzle CNSE, NXP Plus 10 mempunyai nilai entrainment ratio sebesar 1,19 sedangkan NXP Minus 10 mempunyai nilai entrainment ratio hanya sebesar 0,96. 3. Pada variasi model nozzle, Circle Nozzle Steam Ejector (CNSE) mempunyai performa lebih tinggi daripada Square Nozzle Steam Ejector (SNSE) pada seluruh variasi NXP. Hal tersebut disebabkan oleh rugi-rugi tekanan pada model SNSE lebih tinggi daripada model CNSE.

132


133

5.2

Saran Penelitian yang telah dilakukan masih banyak kekurangan yang harus

diperbaiki. Beberapa saran untuk penelitan berikutnya, yaitu: 1. Geometri nozzle pada daerah throttle nozzle perlu diberi diameter yang lebih kecil untuk mendapatkan kecepatan yang keluar nozzle lebih tinggi dan menghasilkan tekanan yang kecil supaya secondary fluid dapat terhisap dan meningkatkan mass flow rate secondary. 2. Pilihlah geometri yang cocok untuk fluida kerja yang akan dikerjakan. Meningkatkan baca referensi jurnal supaya menambah pengetahuan lebih mendalam tentang ejector. 3. Perbanyak baca referensi jurnal pada simulasi multi phase yang lebih rumit dari pada single phase.


134

DAFTAR PUSTAKA ANSYS Inc., 2013, “ANSYS Fluent Theory Guide”, United States of America, ANSYS Inc. Aphornratana S., Eames I.W., 1997, “A small capacity steam-ejector refrigerator: experimental investigation of a system using ejector with movable primary nozzle”, Int.J. Refrigeration 20, No. 5, pp 352-358. Bartosiewicz Y., Aidoun Z., Desevaux P., Mercadier Y., 2005, “Numerical and experimental investigations on supersonik ejector”, International Journal of Fluid Flow, 26, 56-70. Beithou N., Aybar H.S., 2000, “A matematika model for steam-driven jet pump”, Int.J. of Multiphase flow, 26, 1609-1619. Chen J., Jarall S., Havtun H., Palm. Bjorn., 2015, “A review on versatile ejector applications in refrigerator systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 49, 67-90. Chunnanond K., Aphornratana S., 2004, “Ejector: applications in refrigeration Technology”, Renewable and Sustainable Energy reviews, 8, 129-155. Compendium of The National Energy Management of Indonesia, 2012, The National Energy Council Dumaz P., Geffraye G., Kalitvianski, Verlo E., Valisi M., Meloni P., Achilli A., Schilling R., Malacka M., Trela M., 2005, “The DEEPSSI Prospect, design, testing and modeling of steam ejector”, Nuclear Engineering and Design, 235, 233-251. Fahris M., 2010, “Analisa pengaruh variasi panjang throat section terhadap entrainment ratio pada steam ejector dengan menggunakan CFD”, Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi, A-6. Ferzinger J.H., Peric M., 2002, “Computational Methods for Fluid Dynamics”, 3rd edition, Germany, Springer.


135

Fox W.Robert., McDonald

T.

Alan

and

Pritchard

J.

Philip.,

2011,

“Introduction to Fluid Mechanics,” 8th edition, John Willey & Sons Inc, pp 5. Garcia del Valle J., Sierra-Pallares J., Garcia Carrascal P., Castro Ruiz F., 2015, “An eksperimental da computational study of The flow pattern Ni a refrigerant ejector. Validation of turbulence model and real-gas effect”, Applied Thermal Engineering, 89, 795-811. Henzler 1983, geometri dari mixing chamber mempengaruhi performa http://www.equirepsa.com/en/products/ejectors/ejector-thermocompressor/ diakses pada 09-04-2016 12:40 WIB. http://globaldensoproducts.com/wp-content/uploads/ejector_cycle/ diakses pada 09-04-2016 13:40 WIB. http://www.shailvac.com/vacuum_systems_photo_gallery/ diakses pada 09-042016 13:50 WIB. https://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_oil_recovery/

diakses pada 09-04-2016

14:40 WIB. http://www.openpr.com/news/316037/Taking-Account-of-the-Trend-towardsIndividual-Vacuum-Solutions/ diakses pada 09-04-2016 15:30 WIB. http://www.esdm.go.id/berita/37-umum. diakses pada 09-02-2016 15:25 WIB. http://www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-efisiensi-energi.html diakses pada 09-02-2016 15;17 WIB. https://confluence.cornell.edu/download/attachments/90736159/intro.pdf?version =1&modificationDate=1222889778000 diakses pada 09-05-2016 18:10 WIB. Holman, J.P., 1988, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta, p33193 Huang B.J., Hu S.S., Lee S.H., 2006, “Development of na ejector cooling system with termal pumping effect”, Int.J. of Refrigeration 29, 476-484. Jiyuan Tu dkk, ”Computational Fluid Dynamics Apractical Approach”, 2008


136

Lin C., Cai W., Li Y., Yan J., Hu Y., 2012, “Pressure recovery ratio Ni a variabel cooling loads ejector-based Multi-evaporator refrigerator system”, Energy, 44, 649-656. Li C., Li Y.Z., 2011, “Investigation of entrainment behavior and characteristics of gas-liquid ejectors based on CFD simulation”, Chemical Engineering Science, 66, 405-416. Mazelli F., Little A.B., Garimella S., Bartosiewicz Y., 2015, “Computational and experimental analysis of supersonic air ejector: Turbulence modeling and assessment of 3D effects”, Int.J. of Heat and Fluid Flow 56, 305-316. Nguyen V.M., Riffat S.B., Doherty P.S., 2001, “Development of a solar-power passive ejector cooling system”, Applied Thermal Eng. 21, 157-168. Pollerberg C., Ali A.H.H., Dotch C., 2008, “Experimental study on The performance of a solar Drive steam ejector chiller”, Energy Conversion and Management, 49, 3318-3325. Purnomo, H., 2014, Ketahanan Energi Indonesia 2014, Dewan Energi Nasional, Jakarta. Rusly E., Aye L., Charters W.W.S., Ooi A., 2005, “CFD analysis of ejector in a combined ejector cooling system”, Int.J. of Refrigeration 28, 1092-1101. Shah A., Chughtai I.R., Inayat M.H., 2011, “Experimental and numerical analysis of steam jet pump”, International Journal of Multiphase Flow, 37, 13051324. Subramanian, G., Natarajan, A., Natarajan, S.K., Adhimoulame, K., 2014, “Comparison of numerical and experimental investigations of jet ejector with blower”, International Jounal of Thermal Sciences, 84, 134-142. Subri M., Utomo T.S, Fajar TK.B., 2013, “Kaji eksperimental pengaruh bentuk geometri sudut converging duct dan panjang constant-area section pada performa sistem refrigerasi steam ejectro”, Prosiding SNST ke-4, c.10.


137

Tuakia F., 2008, “Dasar-dasar menggunakan CFD FLuent”, Informatika, Bandung, Pp 146 Varga S., Olivera A.C, Diaconu B., 2009, “Numerical assessment of steam ejector efficiencies pusing CFD”, Int.J. of Refrigeration, 32, 1203-1211. Versteeg, H.K., and Malalasakera, W., 1995, “An Introduction do Computational Fluid Dynamic”, Longman Scientific & Technical, England, 11-25. White F. M., 2011, “Fluid Mechanics”, 4th edition, New York, United States of America, McGraw-Hill. Yan J., Shao S., Liu J., Zhang Z., 2005, “Experimental and analysis on performance of steam-driven jet injektor for district-heating system”, Applied Thermal Engineering 25, 1153-1167. Yadav R.L., Patwardhan A.W., 2008, “Design aspect of ejector: Effects of suction chamber geometry”, Chemical Engineering Science, 63, 3886-3897. Yang X., Long X., Yao X., 2012, “Numerical investigation on The mixing process in a steam ejector with different nozzle structures”, International Journal of Thermal Sciences, 56, 95-106. Zhu Y., Cai W., Wen C., Li Y., 2009, “Numerical investigation of geometry parameter for design of high performance ejectors”, Applied Thermal Engineering 29, 898-905.

SKRIPSI. Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin Pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

Recommend Documents