ENTRAINMENT RATIO STEAM EJECTOR ... - USD … · Steam ejector adalah alat yang digunakan di berbagai industri untuk proses pencampuran, peningkatan tekanan, proses refrigerasi dengan

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

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

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 Conventional Ejector Refrigeration System

(CERS)................................................................... 18

2.4.2 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

2.7 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

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) ............................... 39

2.11 Skema Numerik ................................................................... 44

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

64

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 .........

65




Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 5 ...........

66




Ejector pada Nozzle Exit Position Nol ..................

67




Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 5 ..............

69




Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 10 ............

70

4.2 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai

Entrainment Ratio pada Variasi Primary Pressure

Menggunakan Variasi Model Nozzle ................................... 71

xiv


4.2.1 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai

Entrainment Ratio pada Variasi Primary

Pressure Menggunakan Model Circle Nozzle

Steam Ejector......................................................... 72

4.2.2 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Nilai

Entrainment Ratio pada Variasi Primary

Pressure Menggunakan Model Square Nozzle

Steam Ejector......................................................... 73

4.3 Pengaruh Nozzle Exit Position Terhadap Mass flow Rate

Primary dan Secondary Menggunakan Variasi Primary

Pressure pada Variasi Model Nozzle ................................... 74

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 ..

74

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 .. 76

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 ......................... 78

4.4.1 Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi

Primary Pressure Menggunakan Model Circle

Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus

4.4.2

10 ...........................................................................

Analisis Kontur Tekanan Terhadap Variasi

79

Primary Pressure Menggunakan Model CNSE

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

81

xv




pada Variasi NXP Nol ........................................... 82



pada Variasi NXP Plus 5 ....................................... 84



pada Variasi NXP Plus 10 ..................................... 86


Primary Pressure Menggunakan Model Square

Nozzle Steam Ejector pada Variasi NXP Minus

10 ........................................................................... 87


Primary Pressure Menggunakan Model SNSE

pada Variasi NXP Minus 5 .................................... 89



pada Variasi NXP Nol .......................................... 91






pada Variasi NXP Plus 10 ..................................... 94

4.4.11 Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi


pada Variasi NXP Minus 10 .................................. 95




xvi




4.4.14

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

Analisis Kontur Temperatur Terhadap Variasi

99


pada Variasi NXP Plus 5 .......................................

101



4.4.16

pada Variasi NXP Plus 10 .....................................


102


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

104



4.4.18



106



108



4.4.20



110



111

4.4.21 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi


4.4.22

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

Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi

113



115

xvii




pada Variasi NXP Nol ........................................... 117






4.4.26


Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi

120

Primary pressure Menggunakan Model SNSE

pada Variasi NXP Minus 10 .................................. 122








126




127



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

Gambar 2.3

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

Karakteristik tekanan dan kecepatan aliran di dalam steam

ejector [Chunnanond dan Aphornaratana, 2004]. ................

12

13

Gambar 2.4

Gambar 2.5

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

Diagram eksperimen chiller steam ejector dengan

15

Gambar 2.6

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

Ejector pada pressure vessel di pembangkit listrik tenaga

15

panas bumi (http://www.shailvac.com/). ............................. 16

Gambar 2.7 Skema oil production (https://en.wikipedia.org). ................ 16

Gambar 2.8

Gambar 2.9

Proses pencampuran bahan kimia dalam kondisi vakum ....

(a) Conventional Ejector Refrigeration System (CERS)

17

Gambar 2. 10

dan (b) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. ..............................

Dua tingkat sistem refrigerasi (a) Konfigurasi ejector; (b)

18

Gambar 2.11

Skema sistem; (c) P-h Diagram [Chen dkk, 2015]. .............

Combined Steam Ejector Refrigeration System [Chen dkk,

20

Gambar 2.12

2015]. ...................................................................................

Efek dari (a) benda padat (solid) dan (b) fluida (fluid), jika

21

Gambar 2.13

diberikan gaya geser yang konstan [Fox, 2011]. .................

Flowchart klasifikasi aliran di Computaional Fluid

22

Gambar 2. 14

Dynamics [Jiyuan, 2008]. ....................................................

Pembagian daerah aliran viskos pada plat rata [Holman,

25

Gambar 2. 15

1998]. ...................................................................................

Tipe profil kecepatan di dalam pipa (a) Aliran laminar (b)

25

Aliran turbulen [White, 2011]. ............................................ 27

xix


http://www.equirepsa.com/

http://globaldensoproducts.com/

http://www.shailvac.com/

Gambar 2. 16 (a) High-viscosity, low Reynolds number, laminar flow

(b) Low-viscosity, high Reynolds number, turbulent flow

Gambar 2.17

[White, 2011]. ......................................................................

Kondisi batas pada permasalahan aliran internal [Jiyuan,

27

Gambar 2.18

2008]. ...................................................................................

Kondisi batas pada permasalahan aliran eksternal [Jiyuan,

30

Gambar 2.19

2008]. ...................................................................................

Skema satu elemen fluida [Versteeg dan Malalasekera,

30

Gambar 2.20

1995]. ...................................................................................

Skema aliran massa yang keluar dan masuk pada satu

31

Gambar 2.21

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

Skema komponen tegangan yang terdapat pada setiap

32

permukaan dari satu elemen fluida [Versteeg dan

Malalasekera, 1995].............................................................

33

Gambar 2.22 Komponen tegangan pada arah x [Versteeg dan

Malalasekera, 1995].............................................................

34

Gambar 2.23 Pembacaan persamaan energi [Versteeg dan Malalasekera,

1995]. ...................................................................................

35

Gambar 2.24 Komponen dari vektor heat flux [Versteeg dan

Malalasekera, 1995].............................................................

37

Gambar 2.25 Ilustrasi pembacaan relasi (2.20) [Versteeg dan

Malalasekera, 1995].............................................................

38

Gambar 2.26 Tiga elemen utama yang ada di dalam Computational

Fluid Dynamic [Jiyuan, 2008]. ............................................

41

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

2008). ...................................................................................

42

Gambar 2.28 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

Gambar 4.2

10. ........................................................................................

Grafik pengaruh model nozzle terhadap nilai entrainment

65

Gambar 4.3

ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Minus 5.


67

Gambar 4.4

ratio dengan variasi primary pressure pada NXP 0. ...........


68

Gambar 4.5

ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 5. ...


69

Gambar 4.6

ratio dengan variasi primary pressure pada NXP Plus 10.

Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio

71

Gambar 4.7

dengan variasi primary pressure pada model CNSE...........

Grafik pengaruh NXP terhadap nilai entrainment ratio

72

Gambar 4.8

dengan variasi primary pressure pada model SNSE. ..........

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary

73

Gambar 4.9

pada variasi primary pressure di model CNSE. ..................

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate primary

75

Gambar 4.10

pada variasi primary pressure di model SNSE....................

Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary

76

pada variasi primary pressure di model CNSE. .................. 77

xxi


Gambar 4.11 Grafik pengaruh NXP terhadap mass flow rate secondary

Gambar 4.12

pada variasi primary pressure di model SNSE....................

Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP

78

Minus 10 di primary pressure 140 kPa................................ 79

Gambar 4.13 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP

Minus 10 di primary pressure 155 kPa................................

80



80



80



80


Minus 5 di primary pressure 140 kPa..................................

81



81



81



82



82

Gambar 4.22 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0

di primary pressure 140 kPa................................................

83



83



83



84

xxii




84


Plus 5 di primary pressure 140 kPa. ...................................

84



85



85



85



85


Plus 10 di primary pressure 140 kPa. .................................

86



86



86



87



87

Gambar 4.37 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP


88



88



88



89

xxiii




89



89



90



90



90



90

Gambar 4.47 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0


91



91



91



92



92



93



93



93



93

xxiv




94



94



94



95



95



95

Gambar 4.62 Skala kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi

NXP Minus 10. ....................................................................

96

Gambar 4.63 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP


96



96



96



97



97


NXP Minus 5. ......................................................................

97



97



98

xxv



Minus 5 di primary pressure 170 kPa.................................. 98



98



98


NXP Nol. .............................................................................

100


0 di primary pressure 140 kPa.............................................

100



100



100



100



101


NXP Plus 5. .........................................................................

101



101



102



102



102



102

xxvi



NXP Plus 10. ....................................................................... 103



103



103



104



104



104

Gambar 4.92 Skala kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi

NXP Minus 10. ....................................................................

105

Gambar 4.93 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP


105



105



105



106



106


NXP Minus 5. ......................................................................

107



107



107

xxvii






107



108


NXP Nol. .............................................................................

108



108



108



109



109



109


NXP Plus 5. .........................................................................

110



110



110



110



111



111

xxviii



NXP Plus 10. ....................................................................... 112



112



112



112



113



113

Gambar 4.122 Skala kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi

NXP Minus 10. ....................................................................

114

Gambar 4.123 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP


114



114



114



115



115


NXP Minus 5. ......................................................................

115



116



116

xxix






116



117


NXP 0. .................................................................................

117



117



117



118



118



118


NXP Plus 5. .........................................................................

119



119



119



119



120



120

xxx



NXP Plus 10. ....................................................................... 120



121



121



121



121



122

Gambar 4.152 Skala kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi

NXP Minus 10. ....................................................................

122

Gambar 4.153 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP


122



123



123



123



123


NXP Minus 5. ......................................................................

124



124



124

xxxi






125



125


NXP 0. .................................................................................

126



126



126



126


0 di primary pressure 185 kPa. ............................................

127



127


NXP Plus 5. .........................................................................

127



128



128



128



128



129

xxxii



NXP Plus 10. ....................................................................... 130



130



130



130



131



131

xxxiii


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai input yang relevan untuk [Versteeg dan

Malalasekera, 1995].............................................................

39

Tabel 3.1 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

Conventional Ejector Refrigeration CERS 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 Pemakaian

pertama pada

halaman

Ar Luas m2 9

a Kecepatan suara m/s 29

c p

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

g

Energi

Percepatan Gravitasi

J

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 Pemakaian

pertama pada

halaman

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 2011

(Compendium of The National Energy Management of Indonesia, 2012).

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 (kiri), steam jet liquid ejector (kanan)

(http://www.equirepsa.com).

Suction chamber

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

12


http://www.equirepsa.com/

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].


http://globaldensoproducts.com/

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


http://www.shailvac.com/

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


http://www.openpr.com/

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 multi-

stage 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:

dimana,

m s

m p

entrainment ratio m s

m p

= mass flow rate secondary (kg/s)

= mass flow rate primary (kg/s)

(2.1)

2.5 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 h(P,T ) (P,T )

a. Densitas

Densitas dilambangkan dengan simbol Yunani (rho), didefinisikan sebagai

massa fluida per satuan volume. Densitas biasanya digunakan untuk

mengkarakteristikan massa sebuah sistem fluida. Untuk satuan British

menggunakan satuan slugs/ft, dalam satuan SI menggunakan kg/m3. 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

(2.3)

dimana:

yx

v

= tegangan geser (N/m2)

(2.4)

du = gradien kecepatan (m/s)

dy

μ = viskositas dinamik (Pa.s)

v = viskositas kinematis (m2/s)

ρ = densitas (kg/m3)

2.6.2 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) Low-

viscosity, 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 VL (2.5)

dimana: ρ : densitas fluida (kg/m3)

V

L

μ

: kecepatan rata-rata fluida (m/s)

: diameter pipa (m)

: viskositas fluida (kg/m.s)

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

Ma V a

dimana: V = kecepatan aliran (m/s)

a = kecepatan suara (m/s)

(2.6)

Sedangkan kecepatan suara (a) merupakan fungsi dari temperatur dan

didefinisikan:

a kRT (2.7)

dimana: R R

Ma

(2.8)

a = kecepatan suara (m/s)

c p

k = rasio spesifik panas ( k ) cv

T = Temperatur (K)

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

R = konstanta gas ideal (m2/s2.k )

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 p 1

x x 2

dan

p p 1

x x 2

2.7.1 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 :

( x y z)

x y z

(2.9)

t t

Secara singkat persamaan kekekalan massa dapat dituliskan sebagai berikut:

u

v

w 0

(2.10) x y z

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 Dt

dan

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:

Du

p xx

yx

zx S

(2.11a)

Dt x y z Mx

Komponen y dari persamaan momentum dapat dituliskan

p Dv

xy

yy

zy

S

(2.11b)

Dt x y z My

Komponen z dari persamaan momentum adalah

Dw

xz yz

p zz

S

(2.11c)

Dt x y z Mz


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 gravitasi dapat dimodelkan

menggunakan nilai SMx 0 , SMy 0 dan SMz g .

2.7.3 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

vp

wp

div pu (2.12) x y z


36

Persamaan di atas turut mempengaruhi total kerja yang dilakukan pada partikel

fluida oleh gaya-gaya permukaan:

div pu u xx

yx

u zx

xy

x

u

y z

v

x

v v w w w yy

zy

xz yz

zz

y z x y 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:

q x

q y

q z div q

(2.13)

x y z

Dapat dituliskan dalam bentuk vektor menjadi:

q k grad T (2.14)

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

dan q z


37

u u

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

div pu u

xx

u yx

uzx

u xy

u yy

Dt x y z x y

(2.15)

u u

zy xz

yz zz div k grad

T S

z x y E

z

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 h h 1

u 2

v 2

w2

0 2

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

h i p 1

u 2

v 2

w2 E p (2.16) 0

2


38

h

Persamaan entalpi total:

h0 div h u div k grad T

p

u xx

u yx

u zx

t 0

t x y z

v v v xy

yy

zy

(2.17) x

w

y

w

z

w xz

yz zz

S

x y z

2.7.4 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

dx

dy

dz (2.18)

Dt t x t y t z t

untuk mengilustrasikan hubungan persamaan 2.18 dengan turunan nilai substantif

dari maka dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut:

D div u u grad div u

(2.19)

t t t Dt

Hasil dari perhitungan

t div u 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 div uu

t

y-momentum

V Dv

Dt

v div vu

t

z-momentum

W Dw

Dt

w div wu

t

Energy

E DE

Dt

E div Eu

t

2.8 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, benda-

benda 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 kurva-

kurva 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

k.

l.

m.

n.

o.

Dalam membuat sebuah objek yang ingin dijadikan model untuk diteliti

pertama-tama peneliti harus membuat geometri dan mesh di ANSYS Worksbench.

Pre-Processor Govering equations solve on a mesh

Membuat geometri

Meshing

Material Properties

Boundary Condition

Transport Equation

Massa

Momentum

Energi

Other transport

variables

Equation of state

Primary pressure

physical model

Physical Model

Turbulensi

Pembakaran

Radiasi

Proses lainnya

Post-Processor

X-Y graphs

Contour

Velocity vectors

Others

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

2 2 2

2 2

2

2

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 1

(u'2

v'2

w'2

) 2

(2.20)

u' 2 2

u' u' v' 2

v' v' x

v

w'

y

2

w'

z

w'

x y z (2.21)

x y z

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

u u

u p

2 u

2 u

2 u

t

u v x y

w z x

g x x 2 y

2

z

(2.22)

y-direction

v

v v

v p

2 v

2 v

2 v

t

u v x y

w z y

g y x

2

y 2

z

(2.23)


44

z-direction

w

w w

w p

2 w

2 w

2 w

t

u v x y

w z z

g z x 2 y

2

z 2

(2.24)

2.11 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). Meng-

update 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 variable-

variabel 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

x

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

k t

xi

kui x j x

j

Gk Gb y m sk (2.26)

2

t

xi

u i t

j x C

1

j

(Gk

G3

k G

b ) C

2 sk

k (2.27)


48

2

3

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:

k 2

t 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

V 2

W 2 )

2 dan energi kinetik turbulen k 1

2 (u' v'

2 w'

2 ) .

Hubungan antara energi kinetik turbulen k dan intensitas turbulensi dinyatakan

pada persamaan berikut:

k 2

(u 3

a vg

l )

2

(2.29)

Hubungan antara skala panjang l dan epsilon ε dinyatakan pada persamaan

berikut:

C 4

3

k 2

l

(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 :

t k

K t

xi

K ui x j k

Gk YM

x j (2.31)

ui t

C S

2

C C

C G

1

2

1

3 b (2.32)

t xi

x j x j K v K

Dimana:

C max 0.43 SK (2.33)

1

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 besaran-

besaran 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 diagram alir

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.


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

Check:

Densitas

Viskositas

Standard-

Entalpi

Under

relaxation

Ya

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

Selesai

Gambar 3.2 Diagram alir prosedur simulasi.


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) 99,392

Mach Number 0,2

Densitas (kg/m3) 1,225

Konduktivitas Termal (W/m.K) 0,0242

Viskositas (kg/m.s) 1,7894e-05

Berat molekular (kg/kmol) 28,966

3.8 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.

e. Kontur distribusi temperatur.

f. Kontur distribusi kecepatan.

3.9 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 persamaan-

persamaan 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

CNSE NXP

Minus 10

SNSE NXP Minus 10

En

train

men

t R

ati

o

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

optimum ejector.

4.1.1 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Entrainment Ratio


Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Minus 10

1,2

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].



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

CNSE NXP

Minus 5

SNSE NXP Minus 5

En

train

men

t R

ati

o

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0

-0,3 0 140 150 160 170 180 190 200



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].



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

CNSE

NXP 0

SNSE NXP 0

En

tra

inm

en

t R

ati

o

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0

-0,3

0 140 150 160 170 180 190 200



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

En

tra

inm

en

t R

ati

o

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]



Steam Ejector pada Nozzle Exit Position Plus 5

1,2

0,9

CNSE NXP Plus 5

SNSE NXP Plus 5

0,6

0,3

0,0

-0,3

0 140 150 160 170 180 190 200

Primary pressure (kPa)


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.



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

En

tra

inm

en

t R

ati

o

primary pressure 155 kPa, sedangkan model SNSE mempunyai nilai entrainment

ratio optimum 0.697 pada primary pressure 140 kPa. Nilai entrainment ratio

1,2

0,9

CNSE NXP Minus 10

SNSE NXP Minus 10

0,6

0,3

0,0

-0,3

0 140 150 160 170 180 190 200



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

En

tra

inm

en

t R

ati

o

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

0,9

0,6

CNSE

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

0,3

0,0

-0,3 0 140 150 160 170 180 190 200


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

SNS E

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

En

tra

inm

en

t R

ati

o

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

0,9

0,6

0,3

0,0

-0,3 0 140 150 160 170 180 190 200


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

CNS E

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

Mass

fl

ow

ra

te p

rim

ary

(k

g/s

)

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.

0,0105

0,0090

0,0075

0,0060

0,0045

0 140 150 160 170 180 190 200


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

SNS E

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

Mass

flo

w r

ate

pri

ma

ry (k

g/s

)

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

0,0105

0,0090

0,0075

0,0060

0,0045

0 140 150 160 170 180 190 200


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

CNS E

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

Ma

ss fl

ow

ra

te se

co

nd

ary

(k

g/s

)

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

0,0060

0,0045

0,0030

0,0015

0,0000

-0,0015

0 140 150 160 170 180 190 200


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

SNS E

NXP Minus 10

NXP Minus 5

NXP 0

NXP Plus 5

NXP Plus 10

Ma

ss f

low

rate

seco

nd

ary (k

g/s

)

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.

0,0060

0,0045

0,0030

0,0015

0,0000

-0,0015 0 140 150 160 170 180 190 200


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

Gambar 4.13 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 155 kPa.







81


Menggunakan Model CNSE pada Variasi NXP Minus 5

Gambar 4.17 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5 di

primary pressure 140 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.





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.

Gambar 4.23 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di





84

Gambar 4.25 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di primary pressure 185 kPa.




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



85

Gambar 4.28 Kontur tekanan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 155 kPa.








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.








87




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.


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.

Gambar 4.38 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 10





89





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.

Gambar 4.42 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5 di



90









91


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.

Gambar 4.48 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di




92


Gambar 4.51 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di


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.


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.

Gambar 4.53 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5 di







95





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

Gambar 4.57 Kontur tekanan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 10 di primary pressure 140 kPa.




94







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


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.



Gambar 4.65 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 10 di primary pressure 170 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.




Minus 5.

Gambar 4.69 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5



98









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.



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


Nol.

Gambar 4.75 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP 0 di









101





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.


Plus 5.

Gambar 4.81 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5



102







Gambar 4.85 Kontur temperatur pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5 di primary pressure 200 kPa.



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.


Plus 10.






105









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







106







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


Minus 5.

Gambar 4.99 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5









108






Nol.

Gambar 4.105 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP 0 di





109







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 perubahan kontur temperatur menyebabkan outlet

temperature meningkat.


110




Plus 5.

Gambar 4.111 Kontur temperatur pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5







111





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.



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.


Plus 10.








113





4.4.21 Analisis Kontur Kecepatan Terhadap Variasi Primary Pressure


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







115







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.


Minus 5.


116

Gambar 4.129 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Minus 5









118





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





117







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




Plus 5.

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


Gambar 4.142 Kontur kecepatan pada model CNSE dengan variasi NXP Plus 5





120





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.




Plus 10.


121










122



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


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



123









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


124124

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.




Minus 5.

Gambar 4.159 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Minus 5





125







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


126126



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







127





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.




Plus 5.


128128

Gambar 4.171 Kontur kecepatan pada model SNSE dengan variasi NXP Plus 5









129



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.



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.


130130


Plus 10.








131






5.1 Kesimpulan

BAB V

PENUTUP

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 09-04-

2016 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-towards-

Individual-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, p33-

193

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


http://www.equirepsa.com/en/products/ejectors/ejector-thermocompressor/

http://globaldensoproducts.com/wp-content/uploads/ejector_cycle/

http://www.shailvac.com/vacuum_systems_photo_gallery/

http://www.shailvac.com/vacuum_systems_photo_gallery/

https://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_oil_recovery/

http://www.openpr.com/news/316037/Taking-Account-of-the-Trend-towards-Individual-Vacuum-Solutions/



http://www.esdm.go.id/berita/37-umum

http://www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-efisiensi-energi.html

http://www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-efisiensi-energi.html

https://confluence.cornell.edu/download/attachments/90736159/intro.pdf?version=1&modificationDate=1222889778000



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, 1305-

1324.

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.


Documents

ENTRAINMENT RATIO STEAM EJECTOR ... - USD … · Steam ejector adalah alat yang digunakan di berbagai industri untuk proses pencampuran, peningkatan tekanan, proses refrigerasi dengan