Post on 05-Nov-2020
i
INVESTIGASI EKSPERIMENTAL PENGARUH
CONVERGENT LENGTH PADA MIXING CHAMBER
TERHADAP PERFORMA STEAM EJECTOR
SKRIPSI
Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh
Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma
Oleh :
DWI MEILIANTO
165214030
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2020
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ii
THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CONVERGENT
LENGTH EFFECT ON MIXING CHAMBER TO STEAM
EJECTOR PERFORMANCE
FINAL PROJECT
To Fulfill One of the Requirements to Obtain
Strata (S1) Bachelor Degree in the Department of Mechanical Engineering
Sanata Dharma University
DWI MEILIANTO
165214030
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2020
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ix
Filipi 4:13
Segala perkara dapat kutanggung di dalam Dia yang memberi
kekuatan kepadaku.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ................................................................................................ i
LEMBAR PERSETUJUAN .................................................................................. iii
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ................................................................. v
LEMBAR PENYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ................................... vi
KATA PENGANTAR .......................................................................................... vii
LEMBAR PERSEMBAHAN ................................................................................ ix
DAFTAR ISI ........................................................................................................... x
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xii
DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv
NOMENKULATUR ............................................................................................. xv
ABSTRAK ........................................................................................................... xvi
ABSTRACT ........................................................................................................ xvii
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang.......................................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah .................................................................................... 4
1.3 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 4
1.4 Batasan Masalah ....................................................................................... 4
1.5 Manfaat Penelitian .................................................................................... 5
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 6
2.1 Tinjauan Pustaka ...................................................................................... 6
2.2 Aplikasi Steam Ejector ............................................................................. 6
2.3 Komponen-komponen Steam Ejector....................................................... 7
2.3.1 Nozzle .................................................................................................... 8
2.3.2 Suction Chamber .................................................................................. 8
2.3.3 Mixing Chamber ................................................................................... 8
2.3.4 Diffuser ................................................................................................. 8
2.4 Prinsip Kerja Steam Ejector ..................................................................... 8
2.5 Kondisi Pengoperasian Steam Ejector...................................................... 9
2.5.1 Chocked Flow Region ......................................................................... 10
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xi
2.5.2 Unchocked Flow Region ..................................................................... 10
2.5.3 Reverse Flow Region .......................................................................... 10
2.6 Fenomena Aliran dalam Steam Ejector .................................................. 11
2.6.1 Compressible Flow ............................................................................. 11
2.6.1.1 Chocking ...................................................................................... 11
2.6.1.2 Shock Wave (Normal Shock Wave) ............................................. 12
2.7 Converging Nozzle.................................................................................. 13
2.8 Expansion Wave & Angle ....................................................................... 14
2.9 Velocity Countours Along Ejector .......................................................... 14
2.10 Parameter Performa Steam Ejector ........................................................ 15
BAB III METODE PENELITIAN ...................................................................... 17
3.1 Tahapan Penelitian ................................................................................. 17
3.2 Parameter Penelitian ............................................................................... 19
3.3 Rancangan Rangkaian Peralatan Penelitian ........................................... 19
3.4 Alat Penelitian ........................................................................................ 22
3.4.1 Steam Ejector ...................................................................................... 22
3.5 Prosedur Penelitian ................................................................................. 23
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 26
4.1 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Primary Mass Flow Rate .......... 26
4.2 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap
Entrainment Ratio ..................................................................................... 28
4.3 Pengaruh Variasi Convergent Length Terhadap Entrainment Ratio pada
Setiap Primary Pressure dan Secondary Pressure ................................... 31
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 35
5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 35
5.2 Saran ....................................................................................................... 35
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 36
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Steam Ejector Refrigeration System .................................................. 2
Gambar 1.2 Komponen Steam Ejector ................................................................. 2
Gambar 2.1 Pengaruh convergent angle terhadap entrainment ratio. .................. 7
Gambar 2.2 Komponen steam ejector. .................................................................. 8
Gambar 2.3 Grafik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap komponen steam
ejector ............................................................................................... 9
Gambar 2.4 Kondisi pengoperasian pada steam ejector ...................................... 11
Gambar 2.5 Hubungan area ratio dan karakteristik fluida versus Mach number
untuk aliran isentropik dari gas dengan k=1,4 ................................. 12
Gambar 2.6 Normal shock wave ......................................................................... 12
Gambar 2.7 Kondisi pengoperasian converging nozzle. ...................................... 13
Gambar 2.8 Expansion wave dan angle (a) kondisi primary pressure rendah
(b)kondisi primary pressure tinggi. ................................................. 15
Gambar 2.9 Velocity contours pada convergent length yang berbeda-beda
sepanjang ejector ............................................................................. 16
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian. .................................................................... 17
Gambar 3.2 Skematik sistem steam ejector. ........................................................ 20
Gambar 3.3 Detail geometri steam ejector. ......................................................... 20
Gambar 3.4 Detail geometri convergent length (a) 51 mm, (b) 69 mm,
(c) 75 mm ......................................................................................... 21
Gambar 3.5 Steam Ejector. .................................................................................. 22
Gambar 3.6 Skema prosedur penelitian. .............................................................. 25
Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
primary mass flow rate pada variasi convergent length 51 mm. ..... 26
Gambar 4.2 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
primary mass flow rate pada variasi convergent length 69 mm. ..... 27
Gambar 4.3 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
primary mass flow rate pada variasi convergent length 75 mm. ..... 27
Gambar 4.4 Grafik pengaruh primary pressure dan variasi convergent length
terhadap primary mass flow rate pada secondary pressure 95 psi. . 28
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiii
Gambar 4.5 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio pada variasi convergent length 51 mm. .............. 29
Gambar 4.6 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio pada variasi convergent length 69 mm. .............. 30
Gambar 4.7 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio pada variasi convergent length 75 mm. .............. 30
Gambar 4.8 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure 95 psi
terhadap entrainment ratio pada setiap variasi convergent length... 31
Gambar 4.9 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure 55 psi. ................. 32
Gambar 4.10 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure 65 psi................. 33
Gambar 4.11 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure 75 psi. ............... 33
Gambar 4.12 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure 85 psi. ............... 34
Gambar 4.13 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure 95 psi. ............... 34
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi steam ejector. ...................................................................... 23
Tabel 3.2 Tekanan dan temperatur kerja pada ejector. ......................................... 23
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xv
NOMENKULATUR
Lambang Nama Satuan Halaman
Sudut convergent ° 6
A Luas penampang saluran m2 12
∗ Luas penampang saluran kritis m2 12
k Specific heat ratio 12
L/d Rasio convergent length dengan
diameter throat nozzle
3
Ma Mach number 11
Mach Number saluran masuk 12
Mach Number saluran keluar 12
Primary mass flow rate kg/s 15
Secondary mass flow rate kg/s 15
Viskositas dinamik N.s/ m2 18
NXP Nozzle Exit Position mm 6
P Pressure Pa 13
P0 Stagnation pressure Pa 13
Pb Back pressure Pa 13
P* Critical pressure Pa 13
Pe Nozzle outlet pressure Pa 13
T Tempertature K 12
T0 Stagnation Temperature K 12
Density Kg/m3 12
V Kecepatan aliran m/s 18
Entrainment ratio 15
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvi
ABSTRAK
Performa ejector sangat dipengaruhi oleh kondisi pengoperasian dan
geometri ejector itu sendiri. Dalam hal ini, salah satu geometri yang berpengaruh
terhadap performa steam ejector adalah mixing chamber. Perubahan dari
convergent length pada mixing chamber mempunyai efek yang signifikan pada
performa steam ejector karena adanya fenomena double shock wave dan energy
losses.
Penelitian ini dilakukan dengan metode experimental. Tujuannya adalah
untuk mengetahui pengaruh convergent length terhadap nilai entrainment ratio.
Panjang convergent length yang digunakan dalam penelitian ini yaitu convergent
length 51 mm, 69 mm, dan 75 mm dengan variasi primary pressure dan secondary
pressure.
Hasil menunjukkan bahwa semakin panjang convergent length maka
entrainment ratio akan meningkat hingga nilai maksimum dan akan menurun pada
nilai convergent length yang lebih panjang. Nilai maksimum entrainment ratio akan
menurun seiring peningkatan primary pressure. Convergent length 69 mm
memiliki nilai entrainment ratio maksimum tertinggi pada setiap kondisi
pengoperasian.
Kata kunci : steam ejector, entrainment ratio, convergent length, double shock
wave.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvii
ABSTRACT
Ejector’s performance is depends on the operating condition and
geometric. In this case, one of the geometric which has an effect in ejector
performance is mixing chamber. The changes from convergent length at mixing
chamber has a significant effect to ejector’s performance because of a energy loss
and double shock wave phenomenon.
This research was conducted with the experimental method. The purpose
is to find out the effect of convergent length to the entrainment ratio. Convergent
length that used in this research is convergent length 51 mm, 69 mm, and 75 mm
with the variation of primary pressure and secondary pressure.
The results show that the increasing convergent length will increase
entrainment ratio to the maximum value and will decrease at the longer convergent
length. The maximum entrainment ratio will decrease with increasing primary
pressure. Convergent length 69 mm has the highest maximum entrainment ratio
value for each operating condition.
Keywords : steam ejector, entrainment ratio, convergent length, double shock
wave.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Steam ejector refrigeration system (SERS) dikenal sebagai teknologi hemat
energi yang secara luas digunakan di industri nuklir (Reddick, Sorin, Sapoundjiev,
& Aidoun, 2018). SERS adalah sistem refrigerasi yang digunakan dengan
memanfaatkan waste heat sebagai fluida kerja. SERS pertama kali ditemukan oleh
Charles Peterson pada awal tahun 1901 dan digunakan untuk membuang udara
panas dari kondensor mesin uap (Dong et al., 2017). Komponen-komponen dalam
steam ejector refrigeration system terdiri dari generator, kondensor, evaporator,
ejector, pompa dan katup ekspansi seperti pada Gambar 1.1 (Chandra & Ahmed,
2014). Steam ejector refrigeration system bekerja secara siklus dengan
mencampurkan fluida dari generator dan evaporator untuk mendinginkan
kondensor yang nantinya fluida tersebut akan kembali menuju generator oleh
pompa dan menuju evaporator melalui katup ekspansi (F. Li, Li, Li, & Tian, 2018).
Aplikasi SERS banyak dipakai dibidang industri, power plant, maupun kimia. Pada
sistem power plant, waste heat dari berbagai macam proses industri dimanfaatkan
untuk mendinginkan uap panas bertemperatur tinggi yang menyebabkan beban
kerja kondesor berkurang.
Ejector merupakan bagian dari steam ejector refrigeration system. Oleh
karena itu, optimalisasi performa ejector merupakan hal yang penting. Ejector
dapat bekerja sebagai pompa aliran tanpa komponen penggerak yang terdiri dari
beberapa komponen antara lain; nozzle, suction chamber, mixing chamber, dan
diffuser seperti pada Gambar 1.2.
SERS adalah sistem refrigerasi yang ramah lingkungan yakni menggunakan
fluida refrigeran pada umumnya, konstruksinya simple, biayanya rendah (baik
produksi maupun perawatan), tidak membutuhkan listrik untuk mengoperasikannya
karena memanfaatkan waste heat sebagai sumber utama (Tang, Liu, Li, Shi, & Wu,
2017).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2
Gambar 1.1 Steam Ejector Refrigeration System. (Ma, Zhang, Omer, & Riffat, 2010)
Gambar 1.2 Komponen Steam Ejector (Ma et al., 2010)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3
SERS memanfaatkan fluida dari kompresor atau boiler atau generator
bertekanan dan bertemperature tinggi (primary fluid). Primary fluid melewati
nozzle sehingga bertekanan rendah dan berkecepatan tinggi (supersonic velocity)
(J. Chen et al., 2018). Ketika melewati suction chamber, secondary fluid terhisap
akibat adaya perbedaan tekanan dan temperature yang lebih tinggi dari kondisi
primary fluid saat melewati ujung nozzle. Kemudian secondary fluid bercampur
dengan primary fluid pada mixing chamber ejector menghasilkan tekanan konstan.
Campuran fluida tersebut berekspansi melewati diffuser sehingga bertekanan tinggi
dan berkecepatan rendah (subsonic velocity). Nozzle memegang kunci dalam
kecepatan primary flow dan entrainment dari secondary flow, serta mendominasi
performa dari ejector (J. Chen et al., 2018).
Salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui performa SERS
adalah nilai entrainment ratio. Entrainment ratio merupakan rasio pencampuran
kedua fluida yang dinyatakan dalam perbandingan laju aliran massa secondary fluid
terhadap primary fluid (Lu & Chen, 2018). Dalam hal ini, salah satu aspek yang
mempengaruhi peningkatan nilai entraiment ratio adalah desain dari ejector.
Desain tersebut dapat berupa convergent angle, jarak nozzle terhadap mixing
chamber, diameter mixing chamber, dan panjang dari mixing chamber. Wu et al,
2014 mensimulasi geometri mixing chamber pada ejector. Hubungan antara
entrainment ratio dan convergent length untuk variasi primary pressure yang
berbeda menunjukkan bahwa meningkatnya rasio L/d akan mengakibatkan
entrainment ratio meningkat. Akan tetapi pada rasio L/d tertentu nilai entrainment
ratio akan menurun drastis setelah melewati titik optimumnya. Hubungan antara
entrainment ratio dan convergent angle untuk variasi rasio L/d yang berbeda
menunjukkan bahwa entrainment ratio meningkat dengan nilai tanθ untuk
convergent angle yang kecil. Semakin meningkatnya convergent angle
mengakibatkan diameter inlet mixing chamber meningkat (Wu, Liu, Han, & Li,
2014a).
Dari kajian pustaka yang telah diteliti, convergent length menjadi menarik
untuk diteliti, hal ini dikarenakan besarnya convergent length akan mempengaruhi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4
fenomena double shock wave pada area mixing chamber. Semakin panjang
convergent length akan meningkatkan nilai energy loss. Pada penelitian ini akan
diteliti mengenai convergent length dengan menggunakan fluida kerja berupa
refrigerant untuk mengetahui performa dari steam ejector. Masih sedikitnya
penelitian terkait pengaruh geometri convergent length pada steam ejector dan
belum terdapat penelitian convergent length dalam metode experimental.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh primary pressure terhadap primary mass flow rate?
2. Bagaimana pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio?
3. Bagaimana pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
1.3 Tujuan Penelitian
Sesuai dengan rumusan masalah yang ditujukan, maka tujuan dari penelitian
ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh primary pressure terhadap primary mass flow rate.
2. Mengetahui pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio.
3. Mengetahui pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure.
1.4 Batasan Masalah
Batasan-batasan yang ditentukan dalam melakukan eksperimen steam
ejector adalah:
1. Primary fluid dikondisikan pada tekanan [psi] 100, 125, 150, 175, 200.
2. Secondary fluid dikondisikan pada tekanan [psi] 55, 65, 75, 85, 95.
3. Temperatur kerja primary fluid dan secondary fluid dikondisikan pada
temperatur 70⁰C dan 32°C.
4. Variasi convergent length pada mixing chamber menggunakan panjang 51
mm, 69 mm, dan 75 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5
5. Tidak memperhitungkan rugi-rugi gesekan pada dinding.
6. Tidak memperhitungkan pressure losses pada sambungan dan belokan.
7. Pengambilan data dan analisis menggunakan kondisi isothermal.
1.5 Manfaat Penelitian
Beberapa manfaat yang diperoleh setelah melakukan penelitian ini antara
lain:
1. Menambah ilmu dan wawasan tentang pemanfaatan waste heat yang dapat
digunakan untuk melakukan efisiensi energi sehingga dapat menjaga
kelestarian lingkungan.
2. Mengetahui performa kerja steam ejector terhadap variasi yang dilakukan
pada primary pressure dan secondary pressure untuk setiap convergent
length.
3. Dapat digunakan sebagai referensi untuk melakukan penelitian tentang
selanjutnya steam ejector.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Ejector merupakan komponen statik tanpa komponen pengerak. Performa
ejector dipengaruhi oleh kondisi pengoperasian dan bentuk geometrinya. Terdapat
tiga parameter pada kondisi pengoperasiannya, yaitu tekanan boiler, tekanan
evaporator dan tekanan kondensor. Sedangkan bentuk geometri ejector seperti NXP
(Nozzle Exit Position), area ratio (perbandingan area mixing chamber dan primary
nozzle throat), suction chamber, mixing chamber length, convergent angle, diffuser
angle, dan area ratio primary nozzle.
Mixing chamber merupakan salah satu bagian dari steam ejector dimana
terjadi pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid. Berdasarkan
penelitian terdahulu bahwa ejector memiliki variasi bentuk geomtri yang
mempengaruhi performa steam ejector.
Penelitian yang dilakukan oleh Wu (2014) mengenai “Numerical
investigation of the influences of mixing chamber geometries on steam ejector
performance” menunjukkan efek geometri mixing chamber pada performa steam
ejector untuk multi-effect distillation systems. Hasil penelitian menunjukkan bahwa
penting untuk mendesain ejector yang sesuai dengan bentuk geometri. Hasil
penelitian menunjukkan hubungan antara convergent angle dengan nilai
entrainment ratio. Terkait dengan geometri, ditemukan bahwa convergent angle,
nilai entrainment ratio meningkat secara drastis untuk tan yang kecil, ketika
mencapai nilai maximum pada tan = 0.04-0.05, entrainment ratio menurun secara
perlahan untuk nilai tan berikutnya seperti pada Gambar 2.1 (Wu et al., 2014a)
2.2 Aplikasi Steam Ejector
Steam ejector pertama kali ditemukan oleh Le Blanc dan Charles Peterson
pada tahun 1901 digunakan untuk membuang udara dari kondensor mesin uap
(Dong et al., 2017). Ejector menjadi populer pada tahun 1930 digunakan sebagai
system pendigin udara pada gedung-gedung besar (Chunnanond & Aphornratana,
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
2004). Ejector secara luas digunakan dalam industry kimia untuk menghisap dan
memompa cairan korosif, yang susah dikendalikan (Yadav & Patwardhan, 2008).
Dalam industry nuklir ejector digunakan untuk menghapuskan gas yang tidak
terkondensasi dari reactor air panas (off-gas system) (Reddick et al., 2018). Ejector
digunakan untuk proses pendinginan pada liquid rocket engine. Dalam bidang
destilasi, ejector digunakan dalam multi-effect distillation (MED) untuk
mendinginkan sistem pemanas dan aliran massa dari cairan pendingin pada destilasi
air laut. Ejector digunakan juga pada proton exchange membrane fuel cell
(PEMFC) untuk meningkatkan efisiensi energi dan menurunkan tingkat emisi dari
anode/ hydrogen recirculation (Tang et al., 2017) (C Li & Li, 2011) (Cui Li, Li, &
Wang, 2012).
Gambar 2.1 Pengaruh convergent angle terhadap entrainment ratio (Wu et al., 2014a).
2.3 Komponen-komponen Steam Ejector
Ejector terdiri atas beberapa komponen yaitu, nozzle; suction chamber;
mixing chamber; dan diffuser (Cui Li et al., 2012) (J. Chen, Jarall, Havtun, & Palm,
2015) seperti pada Gambar 2.2.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8
2.3.1 Nozzle
Nozzle merupakan bagian petrtama dari ejector yang berfungsi
mengkonversi aliran berkecepatan rendah dan bertekanan tinggi (primary flow)
menjadi aliran yang kecepatan tinggi (supersonic) dan bertekanan rendah (J. Chen
et al., 2018).
2.3.2 Suction Chamber
Pada bagian suction Chamber, secondary flow masuk ke dalam ejector
karena aksi dari primary flow menyebabkan kedua aliran bertemu. Masuknya
secondary flow disebabkan karena adanya perbedaan tekanan antara primary flow
dan secondary flow (J. Chen et al., 2015).
2.3.3 Mixing Chamber
Bagian ini dikenal dengan constant-area, disini terjadi pencampuran antara
primary fluid dan secondary fluid yang bertekanan konstan dan berkecepatan sonic.
Pada bagian ini terjadi shock wave yang menyebabkan kecepatan primary flow
turun drastis ketika bercampur dengan secondary flow (J. Chen et al., 2015).
2.3.4 Diffuser
Diffuser merupakan bagian outlet yang berfungsi mengkonversi energi
kinetik menjadi energi tekanan. Hasilnya campuran fluida bertekanan tinggi dan
berkecepatan rendah (sonic).
Gambar 2.2 Komponen steam ejector (J. Chen et al., 2018).
2.4 Prinsip Kerja Steam Ejector
Steam ejector bekerja seperti pompa atau kompresor tanpa komponen
penggerak (J. Chen et al., 2018). Steam ejector bekerja dengan memanfaatkan waste
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
heat untuk menghasilkan uap bertekanan dalam boiler (primary fluid). Primary
fluid tersebut berekspansi melewati nozzle sehingga bertekanan sangat rendah dan
berkecepatan sangat tinggi (supersonic velocity). Perbedaan tekanan antara ujung
nozzle dan evaporator menyebabkan fluida dalam evaporator yang bertemperatur
rendah (sencondary fluid) terhisap ke dalam suction chamber. Kemudian
Secondary fluid bercampur dengan primary fluid di dalam mixing chamber ejector
pada tekanan konstan. Karena momentum yang tinggi dari primary fluid, campuran
fluida tetap berkecepatan supersonic. Campuran fluida berekspansi melewati
diffuser dan terjadi shock wave sehingga bertekanan tinggi dan berkecepatan rendah
(subsonic velocity). Profil tekanan dan kecepatan dalam steam ejector ditunjukan
pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Grafik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap komponen steam ejector (Ruangtrakoon & Aphornratana, 2019; Sriveerakul, Aphornratana, &
Chunnanond, 2007b)
2.5 Kondisi Pengoperasian Steam Ejector
Berdaasarkan penelitian yang dilakukan oleh Ruangtrakoon et al, 2011 dan
Ma et al, 2011 bahwa kondisi pengoperasian steam ejector dapat dikelompokkan
menjadi 3 yaitu chocked flow region, unchocked flow region, dan reverse flow
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
region seperti pada Gambar 2.4 (Ruangtrakoon & Aphornratana, 2019;
Ruangtrakoon, Aphornratana, & Sriveerakul, 2011; Sriveerakul, Aphornratana, &
Chunnanond, 2007a; Sriveerakul et al., 2007b).
2.5.1 Chocked Flow Region
Pada chocked flow region, ejector beroperasi dengan tekanan dibawah
tekanan kritis (critical back pressure). Ejector menghisap sejumlah secondary fluid
dan menujukkan bahwa entrainment ratio bernilai konstan. Ini menunjukkan bahwa
terjadi choked pada area mixing chamber. Pada area ini, transverse shock
menyebabkan efek kompresi, yang diketahui muncul pada area mixing chamber
throat. Lokasi shock tergantung pada back pressure. Ketika back pressure
meningkat, shock akan berjalan menuju primary nozzle tanpa mengganggu proses
pencampuran.
2.5.2 Unchocked Flow Region
Pada unchocked flow region, back pressure lebih besar dari critical back
pressure. Kenaikan nilai back pressure menurunkan nilai dari entrainment ratio
secara drastis. Tidak ditemukan adanya chocked pada area mixing chamber.
Transverse shock menuju upstream memasuki mixing chamber (coverging duct
section) dan menggangu proses pencampuran antara primary fluid dan secondary
fluid.
2.5.3 Reverse Flow Region
Pada reverse flow region, back pressure lebih besar dari break down back
pressure. Pada area ini campuran fluida akan mengalir balik menuju secondary flow
inlet atau evaporator yang menyebabkan ejector mengalami malfungsi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
Gambar 2.4 Kondisi pengoperasian pada steam ejector (Ruangtrakoon & Aphornratana, 2019; Ruangtrakoon et al., 2011)
2.6 Fenomena Aliran dalam Steam Ejector
2.6.1 Compressible Flow
Ketika fluida bergerak pada kecepatan yang mendekati kecepatan suara,
density akan berubah secara signifikan dan aliran tersebut dinamakan Compressible
flow. Tetapi compressible flow sulit untuk dicapai pada fluida berwujud cair, karena
dibutuhkan tekanan tinggi sebesar 1000 atm untuk membangkitkan kecepatan aliran
sonic. Pada fluida berwujud gas, untuk mencapai aliran sonic hanya dibutuhkan
perbandingan tekanan 2:1 (White, 2011).
Terdapat dua efek penting dalam compressible flow antara lain:
a. Shock wave, parameter yang selalu berubah pada aliran supersonic.
b. Chocking, dimana laju aliran saluran terbatas pada kondisi aliran
supersonic.
2.6.1.1 Chocking
Hubungan antara area ratio dan Mach number. Area ratio meningkat dari
nol pada Ma = 0 menjadi Ma =1 dan kembali nol pada Ma yang semakin besar yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5. Kondisi ini dinamakan dengan stagnation condition,
dimana kemungkinan maksimum laju aliran massa yang mengalir sepanjang
saluran throat berada pada kondisi kritis (sonic condition). Chocking terjadi ketika
saluran tidak dapat membawa laju aliran massa yang lebih banyak kecuali dengan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
memperbesar luas area throat. Jika dimensi throat ditetapkan, maka laju aliran
massa yang melewati saluran harus diperkecil.
Gambar 2.5 Hubungan area ratio dan karakteristik fluida versus Mach number untuk aliran isentropik dari gas dengan k=1,4(M.White, 2011)
2.6.1.2 Shock Wave (Normal Shock Wave)
Peruahan kecepatan aliran dari supersonic dengan nilai Mach number lebih
dari satu (Ma > 1) menjadi subsonic dengan nilai Mach number kurang dari satu
(Ma <1) seperti pada gambar 2.6 menyebabkan terjadinya Normal Shock Wave.
Normal shock wave dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.1.
)1(.2
2).1(2
1
2
12
2
kk
k
MaMaMa
[2.1]
Gambar 2.6 Normal shock wave (Cengel & Cimbala, 2006).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
Dimana adalah nilai Mach number pada saluran masuk dengan kecepatan
aliran supersonic, adalah nilai Mach number pada saluran keluar dengan
kecepatan aliran subsonic, dan k adalah nilai specific heat ratio pada gas yang
bernilai 1,4.
2.7 Converging Nozzle
Gambar 2.7 Kondisi pengoperasian converging nozzle (M.White, 2011).
Sketsa dari converging nozzle ditunjukkan pada Gambar 2.7 (a) dimana aliran
mengalir dengan stagnation pressure (P0) menuju outlet nozzle yang mengalami
pengecilan penampang. Akibat adanya pengecilan penampang, maka tekanan aliran
akan menurun pada bagian outlet nozzle (Pe) sehingga keluar sebagai aliran dengan
tekanan back pressure (Pb). Back pressure bernilai lebih kecil daripada tekanan
stagnasi (Pb < P0). Distribusi tekanan sepanjang converging nozzle ditunjukkan
pada Gambar 2.7 (b). Pada titik a dan b, tekanan nozzle throat lebih tinggi dari
tekanan kritis (P*) yang menyebabkan throat sonic dan aliran keluar nozzle
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
berkecepatan subsonic dan besarnya tekanan outlet nozzle (Pe) sama dengan back
pressure (Pb). Pada kondisi titik c nilai tekanan back pressure sama dengan tekanan
kritis (P*) yang menyebabkan throat sonic, dan nilai tekanan outlet nozzle (Pe) sama
dengan back pressure (Pb). Sedangkan pada kondisi titik d dan e, back pressure
lebih kecil dari tekanan kritis (P*) menyebabkan nozzle tidak dapat beroperasi lebih
lanjut karena terjadi chocking pada kondisi maximum throat mass flow rate
sehingga tekanan akan menurun dari tekanan kritis (P*) menuju tekanan back
pressure (Pb) dan aliran akan keluar dengan kecepatan supersonic. Gambar 2.7 (c)
menunjukkan hubungan antara mass flow rate dengan back pressure sepanjang
converging nozzle.
2.8 Expansion Wave & Angle
Expansion wave dan expansion angle dibentuk ketika primary fluid keluar
melewati nozzle menuju mixing chamber tanpa bercampur dengan secondary fluid.
Expansion wave dan expansion angle ini menghasilkan entrained duct untuk aliran
secondary fluid. Ketika ejector beroperasi dengan primary pressure yang rendah,
primary mass flow rate yang melewati nozzle akan berjumlah lebih kecil dan
berkecepatan lebih rendah. Hal ini menyebabkan expansion wave yang keluar
dengan momentum kecil, expansion angle yang kecil dan menghasilkan entrained
duct yang lebih besar dan panjang, serta sebaliknya. Luas entrained duct yang besar
ini menyebabkan jumlah secondary fluid yang keluar dari evaporator dan masuk ke
dalam ejector lebih banyak. Sehingga nilai performa steam ejector akan meningkat.
2.9 Velocity Countours Along Ejector
Gambar 2.9 menunjukkan kontur kecepatan sepanjang ejector pada
convergent length yang berbeda-beda. Terdapat double shock wave yang ditemukan
pada convergent length dengan L/d 11, 13, 17, dan 21. Shock wave pertama adalah
diamond shock wave yang terjadi mulai dari keluaran nozzle dan berekspansi ke
throat. Sedangkan shock wave kedua adalah normal shock wave yang terjadi di
diffusion chamber. Namun, pada convergent length dengan L/d 23 dan 25 hanya
terjadi single shock wave yaitu diamond shock wave yang terjadi sepenuhnya di
dalam mixing chamber. Convergent length dengan L/d 11 dan 13 meunjukkan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
shock wave yang sangat jelas. Shock wave tersebut mengindikasi campuran aliran
yang terdistribusi sempurna, energy loss yang rendah, dan menyebabkan
entrainment ratio meningkat dengan L/d pada area ini. Sedangkan pada convergent
length dengan L/d 17 dan 21 normal shock wave yang terjadi di diffusion chamber
melemah sehingga fluida mengalir dengan lancar sepanjang mixing chamber dan
diffusion chamber.
Gambar 2.8 Expansion wave dan angle (a) kondisi primary pressure rendah (b)
kondisi primary pressure tinggi(Chunnanond & Aphornratana, 2004).
2.10 Parameter Performa Steam Ejector
Parameter penting yang menunjukkan performa steam ejector adalah
entrainment ratio. Entrainment ratio merupakan perbandingan antara laju aliran
massa secondary fluid dengan laju aliran massa primary fluid, yang dinyatakan
dalam Persamaan 2.2 (Chandra & Ahmed, 2014).
mm
p
s
[2.2]
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
16
Gambar 2.9 Velocity contours pada convergent length yang berbeda-beda sepanjang ejector (Wu, Liu, Han, & Li, 2014b).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
17
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tahapan Penelitian
Pada penelitian ini menggunakan langkah-langkah penelitian seperti di
Gambarkan dalam diagram alir simulasi berikut ini:
START
Studi Pustaka dan Pembuatan Desain Steam Ejector
Konsultasi Desain Steam Ejector dengan Dosen Pembimbing
Persiapan Alat dan Bahan Pembuatan Sistem dan Komponen Steam Ejector
Proses Pembuatan Komponen Steam Ejector:1. Kompresor 2. Evaporator3. Ejector4. Condenser
Set Up Experiment
A
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
18
Pengambilan Data Dengan Variasi Convergent Length
Data Penelitian yang Dibutuhkan Sudah Lengkap?
YA
TIDAK
Analisis Data Penelitian
Hasil Analisis Data Penelitian Sudah Benar?
TIDAK
YA
Pembahasan Hasil Analisis Data Penelitian
Kesimpulan dan Saran
END
A
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
19
3.2 Parameter Penelitian
Dalam penelitian ini, peneliti memilih Variabel bebas dan variabel terikat
sebagai berikut:
Variabel bebas:
1. Primary pressure [psi] 100, 125, 150, 175, 200.
2. Secondary pressure [psi] 55, 65, 75, 85, 95.
3. Primary temperature [°C] 70.
4. Secondary temperature [°C] 32.
5. Convergent length [mm] 51, 69, 75.
Variabel terikat:
1. Viskositas dinamik (μ)
2. Massa Jenis (ρ)
3. Kecepatan (V)
4. Reynold Number (Re)
5. Mass flow rate primary ( )
6. Mass flow rate secondary ( )
7. Primary pressure (Pp)
8. Secondary pressure (Ps)
9. Pressure outlet steam ejector (Pout)
10. Temperatur outlet steam ejector (Tout)
11. Entraiment ratio (ω)
3.3 Rancangan Rangkaian Peralatan Penelitian
Steam ejector yang digunakan pada penelitian ini tersusun seperti pada
Gambar berikut ini:
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
20
P
Primary pressure
T
Primary temperature
P
Secondary pressure
T
Secondary temperature
P
Outlet pressureT
Outlet temperature
flowmeter
check valve
condensor
evaporator
compressor
steam ejector
major pipeline
regulator valve
Gambar 3.2 Skematik sistem steam ejector.
Gambar 3.3 Detail geometri steam ejector.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
21
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.4 Detail geometri convergent length (a) 51 mm, (b) 69 mm, (c) 75 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
22
3.4 Alat Penelitian
Alat – alat yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut:
1. Steam ejector single phase dengan konfigurasi horizontal.
2. Compressor dengan daya 1 dan 0,5 PK.
3. Alat ukur temperatur (thermocoupel) dipasang pada input evaporator, input
kondensor, dan output Ejector.
4. Alat pengukur tekanan manometer bourdon tube (pressure gauge) pada
evaporator, kompresor, pada ejektor, dan kondensor.
5. Alat pengukur debit aliran dengan orifice plate pada inlet primary dan inlet
secondary.
6. Temperature controller Autonics T4YI.
3.4.1 Steam Ejector
Steam ejector yang digunakan pada penelitian ini berjenis single phase
ejector dengan konfigurasi horizontal, dapat dilihat pada Gambar 3.5. Spesifikasi
steam ejector dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Gambar 3.5 Steam Ejector.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
23
Tabel 3.1 Spesifikasi steam ejector.
Parameter Ukuran
Diameter all nozzle 3 mm
Jarak NXP 0 mm
Diameter suction chamber 26,5 mm
Sudut konvergen suction chamber 18º
Diameter mixing chamber 8 mm
Sudut divergen diffuser 18,5º
Diameter diffuser 24 mm
Panjang steam ejector (tanpa mixing
chamber)
218,8 mm
Panjang mixing chamber 150 mm
3.5 Prosedur Penelitian
Skema Prosedur Penelitian ditunjukkan pada ditampilkan pada Gambar 3.6.
Tekanan kerja primary dan secondary ditampilkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Tekanan dan temperatur kerja pada ejector.
Primary Pressure (psi) Primary
Temperature (°C) Secondary Pressure (psi)
Secondary Temperature (°C)
100
70
55
32 125 65 150 75 175 85 200 95
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
24
(a)
START
Setting hingga tekanan primary dan secondary, temperatur primary dan secondary.
Hidupkan kompresor. Konfigurasi Convergent Length: 51 mm
Injeksikan refijerant ke dalam kompresor dan evaporator
Tekanan dan Temperatur sesuai? No
Primary regulator dibuka, selisih ketinggian oli pada pipa U diukur untuk menghitung debit (Q). Primary temperature diukur dengan temperature controller.
Yes
Secondary regulator dibuka, selisih ketinggian oli pada pipa U diukur untuk menghitung debit (Q). Secondary temperatur diukur dengan
temperature controller.
A
Tekanan pada outlet ejektor diukur dengan pressure gauge. Temperatur pada outlet ejektor diukur dengan temperature controller
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
25
(b)
Gambar 3.6 (a) Skema prosedur penelitian (b) lanjutan.
Mengganti convergent length 69 mm dan 75 mm.
END
Mengganti konfigurasi tekanan kerja ejektor sesuai dengan variasi.
A
Setting ulang tekanan dan temperatur kompresor, evaporator. Kemudian mengulang langkah percobaan dari awal untuk setiap
variasi nozzle.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
26
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Primary Mass Flow Rate
Pengaruh primary pressure terhadap primary mass flow rate pada setiap
variasi convergent length ditunjukkan pada Gambar 4.1, Gambar 4.2, Gambar 4.3
dan Gambar 4.4. Hasil percobaan menunjukkan peningkatan primary pressure
menyebabkan primary mass flow rate meningkat pada semua kondisi secondary
pressure. Hal tersebut disebabkan karena primary mass flow rate sangat
dipengaruhi oleh massa jenis dan kecepatan fluida kerja yang selalu berubah
terhadap tekanan dan temperatur. Semakin tinggi primary pressure maka pressure
difference yang dibaca oleh alat ukur orifice meter akan cenderung semakin besar.
(White, 2011). Gambar 4.4 menunjukkan tidak terjadi perubahan primary mass flow
rate yang signifikan untuk ketiga variasi convergent length.
Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap primary mass flow rate pada variasi convergent length 51 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
27
Gambar 4.2 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap primary mass flow rate pada variasi convergent length 69 mm.
Gambar 4.3 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap primary mass flow rate pada variasi convergent length 75 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
28
Gambar 4.4 Grafik pengaruh primary pressure dan variasi convergent length terhadap primary mass flow rate pada secondary pressure 95 psi.
4.2 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap
Entrainment Ratio
Pengaruh primary pressure dan secondary pressure pada steam ejector
terhadap entrainment ratio dengan variasi panjang convergent length ditunjukkan
pada Gambar 4.5, Gambar 4.6, Gambar 4.7, dan Gambar 4.8. Hasil percobaan pada
peningkatan primary pressure pada setiap secondary pressure menurunkan nilai
entrainment ratio untuk setiap variasi convergent length. Hal ini disebabkan karena
peningkatan primary pressure menyebabkan kenaikan primary mass flow rate.
Primary mass flow rate berbanding terbalik dengan entrainment ratio. (Ma et al.,
2010) (Wu et al., 2014a) (Tashtoush, Alshare, & Al-rifai, 2015)(Ruangtrakoon et
al., 2011).
Primary flow akan mengalami shock wave ketika melewati nozzle. Jumlah
primary flow yang mengalami shock wave akan meningkat seiring dengan kenaikan
nilai primary pressure. [Tashtoush et al, 2015]. Primary pressure yang semakin
meningkat ketika keluar dari ujung nozzle menghasilkan low pressure region yang
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
29
tinggi dengan aliran berkecepatan tinggi, expansion wave yang pendek dan
expansion angle yang besar. [Chandra and Ahmed, 2014]. Sehingga terbentuk
entrained duct yang lebih kecil dan lebih pendek serta jumlah secondary mass flow
rate yang masuk ke dalam ejector akan lebih kecil dan sebaliknya. Momentum
aliran campuran akan menurun dengan banyaknya secondary flow yang masuk ke
dalam ejector (Chandra & Ahmed, 2014; Chunnanond & Aphornratana, 2004; Jia
& Wenjian, 2012; Ruangtrakoon et al., 2011; Selvaraju & Mani, 2006; Tashtoush
et al., 2015).
Gambar 4.9 menunjukkan semakin panjang convergent length
meningkatkan nilai entrainment ratio, tetapi terdapat nilai entrainment ratio
maksimum sebelum nilai tersebut menurun pada convergent length yang lebih
panjang. Panjang convergent length untuk mencapai nilai entrainment ratio
maksimum tersebut dipengaruhi oleh kondisi pengoperasian ejector. Convergent
length optimum adalah panjang dimana entrainment ratio tertinggi dicapai. Nilai
entrainment ratio maksimum tersebut akan menurun seiring peningkatan primary
pressure. (W. Chen, Chong, Yan, & Liu, 2013; Wu et al., 2014a)
100 125 150 175 2000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Ent
rain
men
t R
atio
Primary Pressure (psi)
Convergent Length 51 mm Secondary Pressure 55 psi
Secondary Pressure 65 psi
Secondary Pressure 75 psi
Secondary Pressure 85 psi
Secondary Pressure 95 psi
Gambar 4.5 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap
entrainment ratio pada variasi convergent length 51 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
30
100 125 150 175 2000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Convergent Length 69 mm Secondary Pressure 55 psi
Secondary Pressure 65 psi
Secondary Pressure 75 psi
Secondary Pressure 85 psi
Secondary Pressure 95 psi
En
tra
inm
en
t Ra
tio
Primary Pressure (psi)
Gambar 4.6 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap entrainment ratio pada variasi convergent length 69 mm.
100 125 150 175 2000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Ent
rain
men
t Ra
tio
Primary Pressure (psi)
Convergent Length 75 mm Secondary Pressure 55 psi
Secondary Pressure 65 psi
Secondary Pressure 75 psi
Secondary Pressure 85 psi
Secondary Pressure 95 psi
Gambar 4.7 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure terhadap entrainment ratio pada variasi convergent length 75 mm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
31
100 120 140 160 180 2000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 Secondary Pressure 85 psi Convergent Length 51 mm
Convergent Length 69 mm
Convergent Length 75 mmi
Ent
rain
men
t Ra
tio
Primary Pressure (psi)
Gambar 4.8 Grafik pengaruh primary pressure dan secondary pressure 85 psi terhadap entrainment ratio pada setiap variasi convergent length.
4.3 Pengaruh Variasi Convergent Length Terhadap Entrainment Ratio
pada Setiap Primary Pressure dan Secondary Pressure
Pengaruh variasi convergent length terhadap nilai entrainment ratio pada
setiap primary pressure dan secondary pressure ditunjukkan pada Gambar 4.9
Gambar 4.10, Gambar 4.11, Gambar 4.12 dan Gambar 4.13. Hasil menunjukkan
bahwa peningkatan panjang convergent length menyebabkan nilai entrainment
ratio meningkat dan kemudian menurun pada convergent length yang lebih
panjang. Panjang convergent length untuk mencapai nilai entrainment ratio
maksimum tersebut dipengaruhi oleh kondisi pengoperasian ejector. Nilai
entrainment ratio maksimum tersebut akan menurun seiring peningkatan primary
pressure.
Convergent length 69 mm memiliki nilai entrainment ratio tertinggi pada
setiap kondisi pengoperasian. Terdapat double shock wave, yaitu diamond shock
wave dan normal shock wave. Diamond shock wave terjadi mulai dari saluran keluar
nozzle dan berekspansi sampai ke ejector throat. Sedangkan normal shock wave
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
32
50 55 60 65 70 750.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Ent
rain
men
t Ra
tio
Convergent Length (mm)
Secondary Pressure 55 psi Primary Pressure 100 psi Primary Pressure 125 psi Primary Pressure 150 psi Primary Pressure 175 psi Primary Pressure 200 psi
terjadi di diffusion chamber dan biasanya dinamakan shock position. Shock position
yang hanya terjadi pada convergent length 51 mm dan 69 mm. Diamond shock wave
terjadi ketika primary flow keluar menuju mixing chamber dan berekspansi karena
tekanan yang lebih tinggi dari tekanan mixing chamber. Diamond shock wave
terbentuk karena expansion wave pada area mixing chamber. Tingginya perbedaan
kecepatan antara dua aliran mengandung semi separasi, dan lapisan tegangan geser
dihasilkan. Panjang dari diamond shock wave meningkat dengan peningkatan
panjang convergent length. Karena adanya dua buah shock wave menyebabkan
osilasi tekanan yang derastis.
Namun, pada convergent length 75 mm tidak terdapat fenomena double
shock wave yang berdampak pada penurunan performa ejector secara derastis.
Diamond shock wave terjadi sepenuhnya di mixing chamber sehingga
menyebabkan penurunan entrainment ratio. Convergent length yang lebih panjang
menyebabkan shock position mendekati inlet diffuser. Hal ini dikarenakan
peningkatan panjang convergent length berdampak pada meningkatnya energy loss.
Ejector akan memiliki nilai entrainment ratio yang tinggi apabila beroperasi pada
double-shock wave mode. (W. Chen et al., 2013; Wu et al., 2014a)
Gambar 4.9 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure 55 psi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
33
50 55 60 65 70 750.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Secondary Pressure 65 psi Primary Pressure 100 psi Primary Pressure 125 psi Primary Pressure 150 psi Primary Pressure 175 psi Primary Pressure 200 psi
Ent
rain
me
nt R
atio
Convergent Length (mm)
Gambar 4.10 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure 65 psi.
50 55 60 65 70 750.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Secondary Pressure 75 psi Primary Pressure 100 psi Primary Pressure 125 psi Primary Pressure 150 psi Primary Pressure 175 psi Primary Pressure 200 psi
En
tra
inm
en
t Ra
tio
Convergent Length (mm)
Gambar 4.11 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure 75 psi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
34
50 55 60 65 70 750.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Secondary Pressure 85 psi Primary Pressure 100 psi Primary Pressure 125 psi Primary Pressure 150 psi Primary Pressure 175 psi Primary Pressure 200 psi
En
tra
inm
en
t Ra
tio
Convergent Length (mm)
Gambar 4.12 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure 85 psi.
50 55 60 65 70 750.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Secondary Pressure 95 psi Primary Pressure 100 psi Primary Pressure 125 psi Primary Pressure 150 psi Primary Pressure 175 psi Primary Pressure 200 psi
En
tra
inm
en
t Ra
tio
Convergent Length (mm)
Gambar 4.13 Grafik pengaruh convergent length terhadap entrainment ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure 95 psi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
35
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat
diambil kesimpulan sesuai dengan tujuan penelitian yang ingin dicapai sebagai
berikut:
1. Peningkatan primary pressure akan meningkatkan nilai primary mass flow
rate.
2. Peningkatan primary pressure menurunkan nilai entrainment ratio dari
steam ejector, sedangkan peningkatan secondary pressure akan
meningkatkan nilai entrainment ratio.
3. Semakin panjang convergent length akan meningkatkan nilai entrainment
ratio tetapi terdapat panjang maksimum sebelum nilai entrainment ratio
menurun pada convergent length yang lebih panjang.
5.2 Saran
Dari penelitian yang sudah dilakukan ada beberapa hal yang perlu
diperbaiki yaitu:
1. Penelitian dapat dikembangkan lagi dengan Computational Fluid Dynamic
(CFD) yang kemudian dibandingkan hasilnya dengan data experimental.
2. Penelitian dapat dikembangkan lagi dengan ejector multi phase.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
36
DAFTAR PUSTAKA
Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2006). FLUID MECHANIC FUNDAMENTAL
AND APPLICATIONS. New York: Mc Graw Hill.
Chandra, V. V., & Ahmed, M. R. (2014). Experimental and computational studies
on a steam jet refrigeration system with constant area and variable area
ejectors. Energy Conversion and Management, 79, 377–386.
Chen, J., Jarall, S., Havtun, H., & Palm, B. (2015). A review on versatile ejector
applications in refrigeration systems. Renewable and Sustainable Energy
Chen, J., Li, Y., Chen, W., Luo, X., Chen, Y., Yang, Z., & Eames, I. W. (2018).
Investigation of the ejector nozzle in refrigeration system. Energy, 157, 571–
587.
Chen, W., Chong, D., Yan, J., & Liu, J. (2013). The numerical analysis of the effect
of geometrical factors on natural gas ejector performance. Applied Thermal
Engineering, 59(1–2), 21–29.
Chunnanond, K., & Aphornratana, S. (2004). An experimental investigation of a
steam ejector refrigerator : the analysis of the pressure profile along the
ejector. 24, 311–322.
Dong, J., Yu, M., Wang, W., Song, H., Li, C., & Pan, X. (2017). Experimental
investigation on low-temperature thermal energy driven steam ejector
refrigeration system for cooling application. Applied Thermal Engineering,
123, 167–176.
Jia, Y., & Wenjian, C. (2012). Area ratio effects to the performance of air-cooled
ejector refrigeration cycle with R134a refrigerant. Energy Conversion and
Management, 53(1), 240–246.
Li, C, & Li, Y. Z. (2011). Investigation of entrainment behavior and characteristics
of gas – liquid ejectors based on CFD simulation. 66, 405–416.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
37
Li, Cui, Li, Y., & Wang, L. (2012). Con fi guration dependence and optimization
of the entrainment performance for gas e gas and gas e liquid ejectors. Applied
Thermal Engineering, 48, 237–248.
Li, F., Li, R., Li, X., & Tian, Q. (2018). Experimental investigation on a R134a
ejector refrigeration system under overall modes. Applied Thermal
Engineering, 137(March), 784–791.
Lu, W., & Chen, H. (2018). Design of cylindrical mixing chamber ejector according
to performance analyses. Energy, 164, 594–601.
M.White, F. (2011). FLUID MECHANICS (7th Edition). New York: Mc Graw Hill.
Ma, X., Zhang, W., Omer, S. A., & Riffat, S. B. (2010). Experimental investigation
of a novel steam ejector refrigerator suitable for solar energy applications.
Applied Thermal Engineering, 30(11–12), 1320–1325.
NIST Chemistry WebBook, NIST standard reference database number 69; 2018
(https://webbook.nist.gov/chemistry/)
Reddick, C., Sorin, M., Sapoundjiev, H., & Aidoun, Z. (2018). Effect of a mixture
of carbon dioxide and steam on ejector performance: An experimental
parametric investigation. Experimental Thermal and Fluid Science,
92(September 2017), 353–365.
Ruangtrakoon, N., & Aphornratana, S. (2019). Design of steam ejector in a
refrigeration application based on thermodynamic performance analysis.
Sustainable Energy Technologies and Assessments, 31(February 2018), 369–
382.
Ruangtrakoon, N., Aphornratana, S., & Sriveerakul, T. (2011). Experimental
studies of a steam jet refrigeration cycle : Effect of the primary nozzle
geometries to system performance. Experimental Thermal and Fluid Science,
35(4), 676–683.
Selvaraju, A., & Mani, A. (2006). Experimental investigation on R134a vapour
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
38
ejector refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 29(7),
1160–1166.
Sriveerakul, T., Aphornratana, S., & Chunnanond, K. (2007a). Performance
prediction of steam ejector using computational fluid dynamics : Part 1 .
Validation of the CFD results. 46, 812–822.
Sriveerakul, T., Aphornratana, S., & Chunnanond, K. (2007b). Performance
prediction of steam ejector using computational fluid dynamics : Part 2 . Flow
structure of a steam ejector influenced by operating pressures and geometries.
46, 823–833.
Tang, Y., Liu, Z., Li, Y., Shi, C., & Wu, H. (2017). Performance improvement of
steam ejectors under designed parameters with auxiliary entrainment and
structure optimization for high energy efficiency. Energy Conversion and
Management, 153(September), 12–21.
Tashtoush, B., Alshare, A., & Al-rifai, S. (2015). Performance study of ejector
cooling cycle at critical mode under superheated primary flow. Energy
Conversion and Management, 94, 300–310.
Wu, H., Liu, Z., Han, B., & Li, Y. (2014a). Numerical investigation of the in fl
uences of mixing chamber geometries on steam ejector performance. DES,
353, 15–20.
Wu, H., Liu, Z., Han, B., & Li, Y. (2014b). Numerical investigation of the
influences of mixing chamber geometries on steam ejector performance.
Desalination, 353, 15–20.
Yadav, R. L., & Patwardhan, A. W. (2008). Design aspects of ejectors : Effects of
suction chamber geometry. 63, 3886–3897.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI