investigasi eksperimental efek nozzle exit … · wherein its operation could utilize waste heat...

INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT

POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER

ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO

SKRIPSI

Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh

Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma

oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI

135214115

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

i




SKRIPSI

Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh

Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin


oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI

135214115

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016


ii

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF

NOZZLE EXIT POSITION ON STEAM EJECTOR TO THE

ENTRAINMENT RATIO AND EXPANSION RATIO

PARAMETERS

FINAL PROJECT

To Fulfill One of the Requirements to Obtain

Strata 1 (S1) Bachelor Degree in the Department of Mechanical Engineering

Sanata Dharma University

by :

ADITIA PRATAMA ABDI

135214115

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016


iii

SKRIPSI




Disusun oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI

135214115

Telah disetujui dan disahkan oleh Dosen Pembimbing

Pada tanggal 24 Agustus 2016

Yogyakarta, 24 Agustus 2016

Mengetahui,

Pembimbing I Pembimbing II

Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. Stefan Mardikus, S.T., M.T.


iv

SKRIPSI




Yang dipersiapkan dan disusun oleh :

ADITIA PRATAMA ABDI

135214115

Telah diuji dan dipertahankan di hadapan Dewan Penguji

Pada tanggal 24 Agustus 2016

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ........................

Sekretaris : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. ........................

Anggota : Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. ........................

Stefan Mardikus, S.T., M.T. ........................


Mengetahui,

Dekan Fakultas Sains dan Teknologi


Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.


v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ILMIAH

Saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Aditia Pratama Abdi

NIM : 135214115

menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi saya yang berjudul:




adalah hasil karya sendiri dan bukan jiplakan hasil karya orang lain.

Tidak pernah terdapat suatu karya yang sama diajukan pada Perguruan

Tinggi lain. Dan sepanjang pengetahuan saya, tidak terdapat karya dan pendapat

yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis

diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.


Penulis,

Aditia Pratama Abdi


vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Saya yang bertanda tangan di bawah ini sebagai mahasiswa Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta:

Nama : Aditia Pratama Abdi

NIM : 135214115

Demi kepentingan pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan

kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta karya ilmiah saya

dengan judul:




Dengan demikian saya memberikan wewenang untuk Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta untuk menyimpan, mengalihkan dalam

bentuk media lain, serta mengelolanya di internet atau media lain untuk

kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dan memberikan royalty kepada

saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis karya ilmiah.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.


Penulis,

Aditia Pratama Abdi


vii

ABSTRAK

Steam ejector merupakan sistem refrijerasi yang ramah lingkungan,

dimana pengoperasiannya dapat memanfaatkan waste heat yang dihasilkan dari

berbagai macam proses industri. Steam ejector mempunyai beberapa kelebihan

dibandingkan dengan sistem refrijerasi yang lainnya, antara lain struktur desain

yang praktis, hemat biaya produksi, dapat digunakan untuk berbagai macam jenis

refrijeran, dan perawatan yang mudah. Dalam bidang industri, steam ejector

biasanya digunakan untuk memompa cairan yang bersifat korosif dan berbagai

macam gas yang sulit ditangani.

Penelitian tentang steam ejector ini digunakan untuk mengetahui

performa pada steam ejector berdasarkan nilai entrainment ratio dan nilai

expansion ratio. Penelitian ini menggunakan variasi pada primary nozzle exit

position (NXP), dimana NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm dilakukan

pengujian terhadap primary pressure sebesar 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar, serta

secondary temperature sebesar 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Variasi penelitian

tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh posisi NXP terhadap besarnya

nilai entrainment ratio dan nilai expansion ratio untuk kondisi pengoperasian

steam ejector yang berbeda.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio yang

optimal terletak pada NXP +5 mm untuk variasi secondary temperature 50 ˚C, 60

˚C, dan 70 ˚C, serta variasi primary pressure 1 bar. Sedangkan pada variasi

primary pressure 2 bar, nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP -5

mm. Nilai expasion ratio maksimal untuk NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5

mm terletak pada secondary temperature 50 ˚C dengan melakukan variasi pada

primary pressure. Sedangkan pada variasi secondary temperature, nilai expansion

ratio maksimal terletak pada primary pressure 4 bar untuk NXP -5 mm, NXP 0

mm, dan NXP +5 mm.

Kata kunci: steam ejector, entrainment ratio, expansion ratio, NXP


viii

ABSTRACT

Steam ejector was an environmentally friendly refrigeration system,

wherein its operation could utilize waste heat that produced from many kinds of

industrial processes. Steam ejector had many advantages over the other type of

refrigeration system, such as structural design simplicity, low production cost, can

be used for many types of refrigerant, and easy to maintain. In industrial sector,

steam ejector usually used for pumping corrosive liquids and many kinds of gases

which are difficult to handle.

The study about this steam ejector system was used to discover the steam

ejector performance based on the entrainment ratio value and the expansion ratio

value. This study used variations of primary nozzle exit position (NXP), where

NXP -5 mm, NXP 0 mm, and NXP +5 mm were experimentally tested for

primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, and 4 bar, as well as experimentally tested for

secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. These experimental

variations on this study were used to discover the effect of NXP position toward

the entrainment ratio value and the expansion ratio value for different steam

ejector operating conditions.

The result of this study founded that optimal entrainment ratio value was

NXP +5 mm when the steam ejector experimentally tested for secondary

temperature 50 ˚C, 60 ˚C, and 70 ˚C, as well as for primary pressure 1 bar. While

for the variation of primary pressure 2 bar, the optimal entraintment ratio value

was NXP -5 mm. Maximum expansion ratio value for NXP -5 mm, NXP 0 mm,

and NXP +5 mm was at secondary temperature 50 ˚C by variating the primary

pressure. While for the variation of secondary temperature, the maximum

expansion ratio value was at primary pressure 4 bar for NXP -5 mm, NXP 0 mm,

and NXP +5 mm.

Keywords: steam ejector, entrainment ratio, expansion ratio, NXP


ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat

karunia-Nya yang dilimpahkan kepada penulis sehingga penulis dapat menyusun

dan menyelesaikan karya ilmiah yang telah penulis susun sejak lama sebagai salah

satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi

Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan dan penyelesaian karya

ilmiah ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh

karena itu, dengan segala kerendahan hati penulis ingin mengucapkan rasa terima

kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik

Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. selaku Pembimbing I Skripsi dan

Dosen Pembimbing Akademik yang terus memberikan semangat dan

dukungan kepada penulis selama mengerjakan tugas akhir.

4. Stefan Mardikus, S.T., M.T. selaku Pembimbing II Skripsi yang sangat

penulis hormati sebagai panutan dan penyemangat bagi penulis selama

menyusun hingga menyelesaikan skripsi.

5. Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku Kepala Laboratorium Teknik

Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memfasilitasi

berbagai macam sarana dan prasarana bagi penulis selama mengerjakan

tugas akhir.

6. Ag. Rony W., Intan Widanarko, dan Martono D. N. selaku Laboran

Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah banyak


x

membantu dan memberikan masukan serta nasehat yang berguna bagi

penulis selama mengerjakan tugas akhir.

7. Susilo selaku ayah dari penulis yang telah memberikan banyak

dukungan, baik dukungan secara materi maupun moral. Beliau dengan

sabar membimbing penulis selama menempuh proses belajar di Program

Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

8. Almh. Marlina selaku ibu dari penulis yang tetap menjadi penyemangat

hidup bagi penulis untuk terus berjuang.

9. Veronica Dwi Cahyani selaku adik perempuan penulis yang telah

memberikan banyak dukungan dan semangat selama penulis menempuh

proses belajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta.

10. Gregorius Bryan Hendriwan Riyanto dan Gilang Argya Dyaksa selaku

rekan satu tim penulis selama mengerjakan tugas akhir hingga penulis

dapat menyelesaikannya dengan baik.

11. Semua rekan penulis yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu,

yang telah memberikan banyak semangat dan dukungan bagi penulis

selama proses mengerjakan tugas akhir dan menyelesaikannya dengan

baik.

Penulis menyadari bahwa selama penyusunan skripsi masih terdapat

banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis menerima segala kritik dan saran

yang penulis sadari akan sangat berguna untuk menyempurnakan penyusunan

skripsi. Penulis sangat berharap bahwa skripsi yang telah disusun oleh penulis

dapat berguna untuk menambah wawasan ilmu pengetahuan.


Penulis


xi

Dengan penuh rasa bangga dan penuh dengan ucapan syukur

Naskah ini penulis persembahkan untuk:

Ayahanda tercinta, Susilo

Ibunda terkasih, (Almh.) Marlina

Adik tersayang, Veronica Dwi Cahyani

Dosen Pembimbing terhormat,

Stefan Mardikus, S.T., M.T.

dan

Wibowo Kusbandono, S.T., M.T.


xii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i

LEMBAR PERSETUJUAN............................................................................. iii

LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................. iv

LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................. v

LEMBAR PERNYATAAN PUBLIKASI ....................................................... vi

ABSTRAK ....................................................................................................... vii

ABSTRACT ..................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ..................................................................................... ix

HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... xi

DAFTAR ISI .................................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xviii

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xxiii

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xxiv

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG................................................... xxv

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ..................................................................... 1

1.2. Rumusan Masalah ................................................................ 6

1.3. Tujuan Penelitian ................................................................. 7

1.4. Batasan Masalah .................................................................. 7

1.5. Manfaat Penelitian ............................................................... 8

BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 9

2.1. Steam Ejector ....................................................................... 9

2.2. Tipe Steam Ejector .............................................................. 10

2.2.1. Conventional Ejector Refrigeration System

(CERS)................................................................... 10

2.2.2. New Ejector Refrigeration System (NERS) - ERS

With an Additional Jet Pump ................................. 12

2.2.3. Multi-stage Ejector Refrigeration System

(MERS) .................................................................. 14


xiii

2.3. Aplikasi Steam Ejector ........................................................ 16

2.3.1. Steam Jet Ejector for Deodorizing Edible Oils ..... 16

2.3.2. Steam Ejector Refrigeration System in Thailand .. 17

2.4. Komponen Utama Steam Ejector ........................................ 19

2.4.1. Primary Nozzle ...................................................... 19

2.4.2. Mixing Chamber .................................................... 20

2.4.3. Ejector Throat........................................................ 20

2.4.4. Subsonic Diffuser ................................................... 20

2.5. Kondisi Pengoperasian Steam Ejector ................................. 21

2.6. Parameter Performa Steam Ejector ...................................... 24

2.6.1. Entrainment Ratio (ω) ........................................... 24

2.6.2. Pressure Lift Ratio (PR) ........................................ 25

2.6.3. Expansion Ratio (ER) ............................................ 25

2.7. Fenomena Aliran Steam Ejector .......................................... 26

2.7.1. Compressible Flow ................................................ 26

2.7.2. Supersonic Nozzle dan Subsonic Diffuser ............. 29

2.7.3. Converging of Primary Nozzle .............................. 30

2.8. Mach Number (Ma) ............................................................. 31

2.9. Reynolds Number (Re) ......................................................... 32

2.10. Hukum Gas Ideal ................................................................. 34

2.11. Kinematika Fluida ............................................................... 35

2.11.1. Aliran Invisid dan Viskos ...................................... 35

2.11.2. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel ............ 36

2.11.3. Aliran Laminer dan Turbulen ................................ 36

2.11.4. Aliran Mantap dan Tak Mantap ............................. 38

2.11.5. Aliran Seragam dan Tidak Seragam ...................... 38

2.12. Viskositas (Kekentalan) ....................................................... 38

2.12.1. Hukum Newton Tentang Kekentalan Zat Cair ...... 39

2.13. Pengukuran Debit Aliran ..................................................... 40

2.13.1. Teori Hambatan Bernoulli (Bernoulli Obstraction

Theory)................................................................... 40


xiv

2.13.2. Orifice Plate .......................................................... 41

BAB III METODOLOGI PENELITIAN......................................................... 44

3.1. Diagram Alir Penelitian ....................................................... 44

3.2. Alat Penelitian ..................................................................... 46

3.2.1. Sistem Alat Penelitian ........................................... 46

3.2.2. Sistem Steam Ejector ............................................. 47

3.3. Variabel Penelitian ............................................................... 49

3.3.1. Variabel Bebas ....................................................... 50

3.3.2. Variabel Terikat ..................................................... 50

3.4. Prosedur Penelitian .............................................................. 51

3.5. Alat Penelitian ..................................................................... 56

3.5.1. Fluida Kerja ........................................................... 57

3.5.2. Boiler dengan Water Heater Element

2000 Watt .............................................................. 57

3.5.3. Evaporator dengan Water Heater Element

1000 Watt .............................................................. 59

3.5.4. Steam Ejector ......................................................... 60

3.5.5. Kondensor .............................................................. 61

3.5.6. Alat Ukur Temperatur ........................................... 62

3.5.7. Alat Ukur Tekanan ................................................ 64

3.5.8. Alat Ukur Debit Aliran .......................................... 64

3.5.9. Roll Meter .............................................................. 66

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................. 67

4.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai

Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary

Pressure Pada Setiap Secondary Temperature .................... 67

4.1.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap

Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan

Variasi Primary Pressure Pada Secondary

Temperature 50 ˚C................................................. 68


xv




Temperature 60 ˚C................................................. 69




Temperature 70 ˚C................................................. 70




Temperature 80 ˚C................................................. 71

4.2. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai

Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi

Secondary Temperature Pada Setiap Primary Pressure ..... 72



Variasi Secondary Temperature Pada Primary

Pressure 1 bar ........................................................ 73




Pressure 2 bar ........................................................ 74




Pressure 3 bar ........................................................ 75




Pressure 4 bar ........................................................ 77


xvi

4.3. Pengaruh Secondary Temperature Terhadap Nilai

Expansion Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary

Pressure Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan

NXP +5 mm ......................................................................... 78

4.4. Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Expansion

Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary

Temperature Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan

NXP +5 mm ......................................................................... 79

4.5. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap

Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai

Entrainment Ratio Pada Setiap Secondary Temperature .... 80


Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan

Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary

Temperature 50 ˚C................................................. 81




Temperature 60 ˚C................................................. 82




Temperature 70 ˚C................................................. 83




Temperature 80 ˚C................................................. 84

4.6. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap

Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai

Entrainment Ratio Pada Setiap Primary Pressure .............. 85


xvii



Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 1

bar .......................................................................... 86




bar .......................................................................... 87




bar .......................................................................... 89




bar .......................................................................... 90

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 92

5.1. Kesimpulan .......................................................................... 92

5.2. Saran .................................................................................... 94

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 96

LAMPIRAN ..................................................................................................... 99


xviii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Grafik tingkat produksi dan penjualan batu bara tahun

2003 - 2013. ......................................................................... 1

Gambar 1.2 Skema sistem pembangkit listrik dengan menggunakan

tenaga uap. ........................................................................... 2

Gambar 1.3 Skematik sederhana steam ejector sebagai sistem

pendinginan. ......................................................................... 3

Gambar 1.4 Constant-pressure Mixing Ejector dan Constant-area

Mixing Ejector. .................................................................... 4

Gambar 2.1 Skematik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap bagian

steam ejector. ....................................................................... 10

Gambar 2.2 Conventional Ejector Refrigeration System (CERS). .......... 11

Gambar 2.3 COP vs condenser pressure. ................................................ 11

Gambar 2.4 Entrainment ratio vs ejector back pressure. ........................ 12

Gambar 2.5 New Ejector Refrigeration System (NERS). ........................ 13

Gambar 2.6 ERS with an additional ejector by Yu et al. (2006). ........... 13

Gambar 2.7 COP vs back pressure pada CERS dan NERS. ................... 14

Gambar 2.8 Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS). ............ 15

Gambar 2.9 Three Parallel MERS. ......................................................... 15

Gambar 2.10 Desain gambar 3D sistem vacuum dengan menggunakan

steam ejector yang diproduksi oleh Eko Zora, Ltd

(Bulgaria). ............................................................................ 16

Gambar 2.11 Steam ejector refrigeration system saat digunakan sebagai

air conditioning system. ....................................................... 18

Gambar 2.12 Komponen utama steam ejector. ......................................... 19

Gambar 2.13 Kondisi pengoperasian pada steam ejector. ......................... 21

Gambar 2.14 Efek kondisi pengoperasian terhadap performa steam

ejector. ................................................................................. 22

Gambar 2.15 Primary mass flow vs boiler temperature. .......................... 23


xix

Gambar 2.16 Critical condenser pressure (critical back pressure) vs

evaporator temperature. ...................................................... 24

Gambar 2.17 Perbandingan antara area ratio dan Mach number untuk

compressible flow dengan nilai k = 1,4. .............................. 27

Gambar 2.18 Normal shock wave. ............................................................. 28

Gambar 2.19 Perbedaan antara supersonic nozzle dan subsonic diffuser. . 29

Gambar 2.20 Kondisi pengoperasian pada converging nozzle. ................. 30

Gambar 2.21 Aliran laminer, transisi, dan turbulen. ................................. 34

Gambar 2.22 Developing velocity profiles and pressure change. ............. 36

Gambar 2.23 Aliran laminer - kecepatan aliran rendah. ............................ 37

Gambar 2.24 Aliran laminer dalam pipa. .................................................. 37

Gambar 2.25 Aliran turbulen - kecepatan aliran tinggi. ............................ 37

Gambar 2.26 Aliran turbulen dalam pipa. ................................................. 37

Gambar 2.27 Newtonian shear distribution. ............................................. 39

Gambar 2.28 Tegangan geser pada dua penampang paralel...................... 39

Gambar 2.29 Perubahan tekanan dan kecepatan pada Bernoulli

Obstruction Meter. ............................................................... 40

Gambar 2.30 Grafik hubungan antara Red dan Cd untuk Thin Plate

Orifice. ................................................................................. 42

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian. ....................................................... 46

Gambar 3.2 Skema sistem alat penelitian. ............................................... 46

Gambar 3.3 Sistem steam ejector. ........................................................... 47

Gambar 3.4 Steam ejector yang digunakan pada penelitian. ................... 48

Gambar 3.5 Penampang aliran pada steam ejector. ................................. 48

Gambar 3.6 Komponen steam ejector pada penelitian beserta dengan

ukurannya. ........................................................................... 49

Gambar 3.7 Primary nozzle exit position (NXP) +5 mm. ....................... 52

Gambar 3.8 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP +5

mm. ...................................................................................... 52

Gambar 3.9 Primary nozzle exit position (NXP) 0 mm. ......................... 53


xx

Gambar 3.10 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP 0

mm. ...................................................................................... 53

Gambar 3.11 Primary nozzle exit position (NXP) -5 mm. ........................ 54

Gambar 3.12 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP -5

mm. ...................................................................................... 54

Gambar 3.13 Diagram alir prosedur pelaksanaan penelitian. .................... 56

Gambar 3.14 Boiler. .................................................................................. 57

Gambar 3.15 Water heater element 2000 Watt. ........................................ 58

Gambar 3.16 Evaporator. ........................................................................... 59

Gambar 3.17 Water heater element 1000 Watt. ........................................ 59

Gambar 3.18 Steam ejector. ...................................................................... 60

Gambar 3.19 Kondensor. ........................................................................... 61

Gambar 3.20 Thermocouple type K. .......................................................... 62

Gambar 3.21 Thermo display APPA. ........................................................ 63

Gambar 3.22 Bourdon tube pressure gauge. ............................................. 64

Gambar 3.23 Orifice plate. ........................................................................ 65

Gambar 3.24 Air raksa. .............................................................................. 65

Gambar 3.25 Roll meter. ............................................................................ 66

Gambar 3.26 Aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa. ..... 66

Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap

nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi

primary pressure pada secondary temperature 50 ˚C. ........ 68











xxi



secondary temperature pada primary pressure 1 bar. ......... 73










Gambar 4.9 Grafik pengaruh secondary temperature terhadap nilai

expansion ratio dengan menggunakan variasi primary

pressure pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan

NXP +5 mm. ........................................................................ 78

Gambar 4.10 Grafik pengaruh primary pressure terhadap nilai

expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary

temperature pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan

NXP +5 mm. ........................................................................ 80


hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai

entrainment ratio pada secondary temperature 50 ˚C. ........ 81








xxii






entrainment ratio pada primary pressure 1 bar. .................. 86











xxiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat aliran berdasarkan nilai Mach number (Ma). .............. 31

Tabel 3.1 Keterangan simbol pada skema sistem alat penelitian. ....... 47

Tabel 3.2 Variabel bebas pada penelitian. ........................................... 50

Tabel 3.3 Variabel terikat pada penelitian. .......................................... 50

Tabel 3.4 Tekanan dan temperatur pada boiler dan evaporator,

beserta dengan ukuran NXP yang digunakan pada

penelitian. ............................................................................. 51

Tabel 3.5 Properti air pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C. ....... 57

Tabel 3.6 Spesifikasi teknis water heater element 2000 Watt. ............ 58

Tabel 3.7 Spesifikasi teknis water heater element 1000 Watt. ............ 60

Tabel 3.8 Spesifikasi teknis steam ejector. .......................................... 61

Tabel 3.9 Spesifikasi teknis thermocouple type K. .............................. 62

Tabel 3.10 Spesifikasi teknis thermo display APPA. ............................ 63

Tabel 3.11 Spesifikasi teknis bourdon tube pressure gauge. ................ 64

Tabel 3.12 Properti air raksa pada tekanan 1 atm dan temperatur

20˚C. .................................................................................... 65


xxiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A.1 Gambar Keseluruhan Sistem Steam Ejector ........................ 99

Lampiran A.2 Gambar Penampang Aliran Pada Steam Ejector ................. 100

Lampiran B.1 Gambar Teknik Primary Nozzle .......................................... 101

Lampiran B.2 Gambar Teknik Suction Chamber ....................................... 102

Lampiran B.3 Gambar Teknik Mixing Chamber ........................................ 104

Lampiran B.4 Gambar Teknik Ejector Throat ........................................... 105

Lampiran B.5 Gambar Teknik Subsonic Diffuser ....................................... 106

Lampiran C.1 Data Pengamatan Untuk NXP -5 mm .................................. 107

Lampiran C.2 Data Pengamatan Untuk NXP 0 mm ................................... 108

Lampiran C.3 Data Pengamatan Untuk NXP +5 mm ................................. 109

Lampiran D.1 Data Hasil Analisis Untuk NXP -5 mm ............................... 110

Lampiran D.2 Data Hasil Analisis Untuk NXP 0 mm ................................ 111

Lampiran D.3 Data Hasil Analisis Untuk NXP +5 mm .............................. 112


xxv

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG

Singkatan Nama

Pemakaian

Pertama kali

Pada halaman

AC Alternating Current 55

CERS Conventional Ejector Refrigeration System 10

CFD Computational Fluid Dynamics 22

COP Coefficient of Performance 11

ERS Ejector Refrigeration System 10

ESDM Energi dan Sumber Daya Mineral 1

LPG Liquefied Petroleum Gas 18

MERS Multi-stage Ejector Refrigeration System 14

NERS New Ejector Refrigeration System 12

PLTGU Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap 2

Lambang Nama Satuan

Pemakaian

Pertama kali

Pada halaman

A Luas penampang saluran m2 36

A* Luas penampang saluran

kritis

m2 27

a Kecepatan suara m/s 31

Cd Discharge coefficient Tidak ada satuan 42

D Diameter pipa saluran m 33

D2 Diameter vena contracta m 41

d Diameter orifice plate m 41

dy

du Gradien kecepatan aliran m/s 40


xxvi

ER Expansion ratio Tidak ada satuan 25

k Specific heat ratio Tidak ada satuan 28

Ma Mach number Tidak ada satuan 26

Ma1 Mach number

pada saluran inlet

Tidak ada satuan 28

Ma2 Mach number

pada saluran outlet

Tidak ada satuan 28

NXP Primary Nozzle Exit

Position

mm 5

P* Tekanan kritis Pa atau N/m2 31

P0 Tekanan stagnasi Pa atau N/m2 30

Pb Tekanan back pressure Pa atau N/m2 31

Pb* Critical back pressure kPa 16

Pb1 Back pressure pada

ejector 1

kPa 15


ejector 2

kPa 15


ejector 3

kPa 15

Pc Condenser pressure kPa 14

Pe Tekanan pada primary

nozzle outlet

Pa atau N/m2 31

Po Tekanan pada outlet

ejector

bar 50

Pp Primary pressure bar 26

Ps Secondary pressure bar 25

PR Pressure lift ratio Tidak ada satuan 25

p Tekanan Pa atau N/m2 29

Q Debit aliran m3/s 36

R Konstanta gas ideal m2/s2 . K 27

Re Reynolds number Tidak ada satuan 32


xxvii

T0 Temperatur pada kondisi

stagnasi

K 27

T Temperatur K 32

To Temperatur pada outlet

ejector

K 49

Ts Secondary temperature ˚C 49

V Kecepatan aliran m/s 29

ṁmax Laju aliran massa kritis kg/s 27

ṁs Secondary mass flow rate kg/s 25

ṁp Primary mass flow rate kg/s 25

Δh Selisih ketinggian ukuran

pada Manometer Pipa U

mm 50

ΔP Perbedaan tekanan pada

Manometer Pipa U

Pa atau N/m2 50

β Rasio geometri

diameter pipa saluran

dan diameter orifice plate

Tidak ada satuan 41

μ Viskositas dinamik N.s/m2 33

ρ Rapat massa kg/m3 29

ρ0 Rapat massa pada

kondisi stagnasi

kg/m3 27

τ Tegangan geser pada

hukum Newton tentang

kekentalan zat cair

N/m2 40

ν Viskositas kinematik m2/s 33

ω Entrainment ratio Tidak ada satuan 12


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Eksploitasi energi fosil berupa penambangan batu bara yang dilakukan

secara berlebihan akan mengakibatkan berbagai macam permasalahan. Dampak

negatif dari penambangan batu bara antara lain tanah menjadi rusak dan tidak

dapat diperbaharui, sumber air yang tercemar, terjadi polusi udara, serta kesehatan

masyarakat di sekitar area tambang batu bara akan terancam [Fiyanto et al., 2010].

Di sisi lain, produksi batu bara meningkat setiap tahunnya akibat konsumsi batu

bara yang terus meningkat.

Gambar 1.1 Grafik tingkat produksi dan penjualan batu bara tahun 2003 - 2013

[Zed et al., 2014].

Menurut data statistik dari Kementerian ESDM (Kementerian Energi dan

Sumber Daya Mineral), produksi batu bara dari tahun 2003 sampai tahun 2013

terus mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya konsumsi batu bara

[Zed et al., 2014]. Gambar 1.1 menunjukkan bahwa total produksi batu bara pada

tahun 2003 sebesar 114 juta ton meningkat menjadi 449 juta ton pada tahun 2013.


2

Produksi batu bara meningkat akibat konsumsi batu bara untuk komoditi ekspor

juga meningkat sebesar 85 juta ton pada tahun 2003 menjadi 431 juta ton pada

tahun 2013.

Batu bara menjadi kebutuhan energi primer untuk beberapa negara di

dunia. Batu bara digunakan sebagai bahan bakar utama generator uap (steam

generator) pada industri pembangkit listrik tenaga uap (power plant). Terdapat 4

(empat) bagian utama pada sistem power plant, yaitu boiler atau generator uap

(steam generator), turbin uap yang terhubung pada generator listrik, kondensor,

dan pompa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2 Skema sistem pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga uap

[Moran dan Saphiro, 2006].

Pada sistem power plant, kondensor merupakan bagian yang mempunyai

nilai efisiensi exergy paling rendah. Berdasarkan hasil pengamatan oleh Agustian

Pratamahendra Ismantoro di PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan

Semarang (2016) melaporkan bahwa nilai efisiensi exergy terendah terletak pada

bagian kondensor. Hal tersebut diakibatkan karena banyaknya kalor yang

dipindahkan dari dalam sistem menuju ke lingkungan, sehingga menyebabkan

terjadinya laju kerusakan exergy yang besar pada kondensor. Laju kerusakan

exergy yang besar pada kondensor diakibatkan oleh sistem pendinginan pada


3

kondensor yang tidak optimal. Kondensor digunakan secara rutin untuk proses

pendinginan uap panas dengan temperatur tinggi, sehingga mengakibatkan kinerja

kondensor akan berkurang. Oleh karena itu, diperlukan suatu inovasi yang dapat

digunakan untuk sistem pendinginan pada power plant, sehingga dapat

meningkatkan kinerja kondensor. Steam ejector merupakan salah satu solusi yang

dapat digunakan untuk sistem pendinginan pada power plant. Steam ejector dapat

digunakan untuk proses pendinginan uap panas yang berasal dari turbin uap

sebelum didinginkan kembali oleh kondensor. Proses pendinginan uap panas yang

pertama kali dilakukan oleh steam ejector dapat meringankan kerja kondensor.

Skematik sederhana dari steam ejector yang digunakan untuk sistem pendinginan

pada power plant ditunjukkan pada Gambar 1.3.

Gambar 1.3 Skematik sederhana steam ejector sebagai sistem pendinginan

[Petrenko V. O., 2014].

Steam ejector merupakan suatu aplikasi sistem refrijerasi yang ramah

lingkungan dan dapat digunakan untuk sistem refrijerasi dengan skala besar

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Dari sisi efisiensi energi, steam ejector

lebih unggul daripada sistem refrijerasi yang lainnya. Steam ejector tidak

membutuhkan listrik untuk mengoperasikannya, karena sistem refrijerasi pada

steam ejector dapat memanfaatkan panas sisa (waste heat) yang dihasilkan oleh


4

berbagai macam proses industri menjadi media pendingin yang berguna

[Ruangtrakoon et al., 2013].

Beberapa kelebihan pada steam ejector yaitu struktur desain yang praktis,

tingkat umur pakai yang lama, hemat biaya (baik dari biaya produksi maupun

biaya operasi), dapat digunakan untuk berbagai macam jenis refrijeran sebagai

fluida kerja, serta perawatan sistem yang mudah [Chandra dan Ahmed, 2014].

Steam ejector juga telah digunakan dalam berbagai bidang. Dalam bidang

Aerospace Engineering, steam ejector digunakan untuk daya dorongan tambahan

pada pesawat luar angkasa. Sedangkan dalam bidang industri, steam ejector

banyak digunakan untuk memompa cairan yang bersifat korosif dan berbagai

macam tipe gas yang sulit untuk ditangani [Chandra dan Ahmed, 2014].

Gambar 1.4 Constant-pressure Mixing Ejector (kiri) dan Constant-area Mixing

Ejector (kanan) [Tashtoush et al., 2015].

Ejector merupakan bagian terpenting dari sistem refrijerasi pada steam

ejector, sehingga optimalisasi pada desain ejector dan prediksi performa pada

ejector sangat diperlukan [Cardemil dan Colle, 2012]. Ejector diklasifikasikan

menjadi 2 (dua) tipe berdasarkan posisi nozzle, yaitu constant-pressure mixing

ejector dan constant-area mixing ejector seperti yang ditunjukkan pada Gambar

1.4. Sedangkan untuk mengetahui performa pada ejector terdapat 3 (tiga)

parameter penting, yaitu entrainment ratio, pressure lift ratio, dan expansion

ratio. Entrainment ratio adalah rasio antara secondary mass flow rate dengan

primary mass flow rate, pressure lift ratio (compression ratio) adalah rasio antara


5

tekanan kondensor (condenser back pressure) dengan tekanan evaporator

(secondary pressure), dan expansion ratio adalah rasio antara tekanan boiler

(primary pressure) dengan tekanan evaporator (secondary pressure) [Chandra dan

Ahmed, 2014].

Bourhan Tashtoush et al. (2015) melakukan penelitian tentang hubungan

antara entrainment ratio dan back pressure untuk temperatur boiler yang berbeda

dengan menggunakan constant-pressure mixing ejector dan constant-area mixing

ejector. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatnya temperatur boiler dan

tekanan saturasi akan mengakibatkan entrainment ratio menurun dan back

pressure semakin meningkat. Semakin meningkatnya temperatur dan tekanan

saturasi pada boiler mengakibatkan rasio antara primary mass flow rate lebih

besar daripada secondary mass flow rate, sehingga entrainment ratio mempunyai

nilai yang rendah. Semakin rendah nilai entrainment ratio mengakibatkan nilai

compression ratio meningkat [Ma et al., 2012]. Dari kedua tipe ejector, constant-

pressure mixing ejector memiliki nilai compression ratio yang lebih besar

daripada constant-area mixing ejector [Tashtoush et al., 2015]. Semakin tinggi

nilai compression ratio mengakibatkan meningkatnya nilai critical point. Di sisi

lain, dengan semakin meningkatnya nilai compression ratio dapat menyebabkan

nilai back pressure meningkat akibat tekanan pada kondensor lebih besar daripada

tekanan pada evaporator. Hal inilah yang menyebabkan constant-pressure mixing

ejector dapat menerima back pressure lebih besar daripada constant-area mixing

ejector [Tashtoush et al., 2015].

Dapat diketahui dari hasil penelitian Bourhan Tashtoush et al. (2015)

bahwa besarnya nilai back pressure dipengaruhi oleh besarnya nilai generator

temperature (primary temperature) dan nilai entrainment ratio. Sedangkan

besarnya nilai entrainment ratio dipengaruhi oleh 2 (dua) tipe ejector yang

digunakan. Perbedaan kedua tipe ejector terletak pada posisi primary nozzle exit

position (NXP). Constant-pressure mixing ejector mempunyai NXP yang terletak

di area suction chamber, sedangkan constant-area mixing ejector mempunyai

NXP yang terletak di constant-area suction inlet. Oleh karena itu diperlukan


6

penelitian tentang variasi ukuran NXP dengan menggunakan variasi pada primary

pressure dan secondary temperature yang mempunyai pengaruh terhadap

performa pada steam ejector.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa

permasalahan yang akan dilakukan pembahasan pada penelitian ini. Beberapa

permasalahan tersebut antara lain:

a. Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment

ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap

secondary temperature.

b. Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai entrainment

ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap

primary pressure.

c. Pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion ratio dengan

menggunakan variasi primary pressure pada setiap primary nozzle exit

position (NXP).

d. Pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio dengan

menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary nozzle

exit position (NXP).

e. Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara

nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap secondary

temperature.

f. Pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap hubungan antara

nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada setiap primary

pressure.


7

1.3. Tujuan Penelitian

Sesuai dengan rumusan masalah yang diajukan pada penelitian ini, maka

terdapat beberapa tujuan penelitian yang ingin dicapai. Tujuan penelitian tersebut

antara lain:

a. Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai

entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada

setiap secondary temperature.

b. Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap nilai

entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature

pada setiap primary pressure.

c. Mengetahui pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion

ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada setiap primary

nozzle exit position (NXP).

d. Mengetahui pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio

dengan menggunakan variasi secondary temperature pada setiap primary

nozzle exit position (NXP).

e. Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap

hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada

setiap secondary temperature.

f. Mengetahui pengaruh primary nozzle exit position (NXP) terhadap

hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada

setiap primary pressure.

1.4. Batasan Masalah

Terdapat beberapa batasan permasalahan yang digunakan pada penelitian

ini. Beberapa batasan permasalahan tersebut antara lain:

a. Penelitian dilakukan dengan menggunakan fluida kerja air.

b. Tidak diteliti kondisi fase uap panas pada primary fluid.


8

c. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan variasi primary nozzle exit

position (NXP) +5 mm, 0 mm, dan -5 mm.

d. Eksperimen dilakukan dengan melakukan variasi primary pressure pada

tekanan 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar.

e. Eksperimen dilakukan dengan melakukan variasi secondary temperature

pada temperatur 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.

f. Tidak memperhitungkan nilai kerugian yang diakibatkan oleh belokan

pada pipa.

g. Tidak memperhitungkan nilai kerugian yang diakibatkan oleh gesekan

pada dinding pipa.

1.5. Manfaat Penelitian

Beberapa manfaat yang diperoleh setelah melakukan penelitian ini antara

lain:

a. Menambah ilmu dan wawasan tentang pemanfaatan waste heat yang

dapat digunakan untuk melakukan efisiensi energi sehingga dapat

menjaga kelestarian lingkungan.

b. Menambah pengetahuan dan wawasan tentang berbagai macam

fenomena aliran fluida dan mekanisme aliran fluida yang terjadi pada

steam ejector.

c. Mengetahui performa kerja dari sistem steam ejector terhadap variasi

yang dilakukan pada primary pressure dan secondary temperature untuk

setiap primary nozzle exit position (NXP).

d. Dapat digunakan sebagai referensi untuk melakukan penelitian tentang

steam ejector selanjutnya.


9

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Steam Ejector

Steam ejector pertama kali dikembangkan oleh Le Blance dan Charles

Parsons pada tahun 1901. Pada awal tahun 1930, steam ejector menjadi lebih

dikenal sebagai alat yang digunakan untuk sistem pendinginan udara (air

conditioning system) pada gedung-gedung bertingkat [Chunnanond dan

Aphornratana, 2004]. Saat ini steam ejector semakin banyak dikenal dalam dunia

engineering yang banyak digunakan untuk berbagai macam kepentingan [Chandra

dan Ahmed, 2014].

Steam ejector bekerja dengan cara melakukan pencampuran dua fluida

dengan temperatur dan tekanan yang berbeda. Fluida dengan temperatur dan

tekanan yang tinggi dari boiler dengan nama primary fluid akan melewati primary

nozzle. Primary fluid akan menghasilkan kecepatan aliran supersonic dengan

tekanan yang sangat rendah saat keluar dari primary nozzle exit plane dan masuk

ke dalam area mixing chamber. Akibat tekanan primary fluid yang sangat rendah,

fluida dari evaporator dengan nama secondary fluid dapat terhisap ke dalam area

mixing chamber. Aliran primary fluid akan membentuk converging duct di dalam

mixing chamber. Di sepanjang wilayah converging duct, kecepatan aliran

secondary fluid yang terhisap ke dalam mixing chamber berubah menjadi

kecepatan aliran sonic dan alirannya akan terhambat. Proses pencampuran antara

primary fluid dan secondary fluid akan terjadi setelah aliran pada secondary fluid

terhambat di dalam mixing chamber. Pada bagian akhir area mixing chamber,

kedua aliran akan tercampur dengan sempurna dengan nilai dari static pressure

cenderung konstan sampai pada bagian throat. Setelah melewati bagian throat dan

masuk pada bagian subsonic diffuser, kecepatan aliran di dalam ejector akan

berkurang dengan sangat cepat dari kecepatan aliran supersonic menjadi

kecepatan aliran sonic [Sriveerakul et al., 2007]. Skematik kecepatan aliran dan


10

tekanan yang terjadi pada setiap bagian dari steam ejector dapat dilihat pada

Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skematik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap bagian steam

ejector [Sriveerakul et al., 2007].

2.2. Tipe Steam Ejector

Terdapat berbagai macam tipe steam ejector yang berfungsi sebagai

sistem refrijerasi dengan nama Ejector Refrigeration System (ERS). Berbagai

macam tipe ERS tersebut antara lain:

2.2.1. Conventional Ejector Refrigeration System (CERS)

Gambar 2.2 menunjukkan skematik dari siklus dasar Conventional

Ejector Refrigeration System (CERS). Terdapat 6 (enam) komponen utama yang

terdapat pada CERS, yaitu generator, evaporator, kondensor, expansion device,

ejector, dan circulating pump. Pada sistem CERS ini, primary fluid dengan

tekanan yang tinggi mengalir melewati nozzle pada ejector dan akan menghisap

secondary fluid dengan tekanan yang rendah. Primary fluid dan secondary fluid

akan tercampur di dalam mixing chamber dan akan memperoleh tekanan

pencampuran yang berbeda pada saat keluar dari bagian diffuser. Setelah melewati

bagian diffuser, aliran fluida campuran antara primary fluid dan secondary fluid

akan mengalir menuju kondensor dan akan terkondensasi. Fluida yang telah


11

terkondensasi akan dibagi menjadi 2 (dua) bagian aliran, aliran pertama akan

dialirkan kembali masuk ke dalam generator, sedangkan aliran kedua akan

dialirkan kembali masuk ke dalam evaporator. Kedua bagian aliran tersebut

disirkulasikan menuju boiler dan evaporator dengan menggunakan pompa

(circulating pump) [Yu et al., 2006].

Gambar 2.2 Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) [Yu et al.,

2006].

d

Gambar 2.3 COP vs condenser pressure [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


12

Coefficient of Performance (COP) merupakan faktor yang dapat

digunakan untuk mengetahui performa pada CERS. COP pada CERS sangat

bergantung pada nilai entrainment ratio (ω) yang dipengaruhi oleh 3 (tiga) faktor

utama, yaitu primary flow inlet state (temperature and pressure of primary fluid),

secondary flow inlet state (temperature and pressure of secondary fluid), dan back

pressure (condenser pressure) [Yu et al., 2006]. Pernyataan tersebut dibuktikan

dengan beberapa hasil penelitian yang menunjukkan bahwa meningkatnya nilai

back pressure (condenser pressure) ketika primary pressure meningkat dengan

secondary pressure yang konstan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 dan

Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Entrainment ratio vs ejector back pressure [Sriveerakul et al., 2007].

2.2.2. New Ejector Refrigeration System (NERS) - ERS With an Additional

Jet Pump

New Ejector Refrigeration System (NERS) merupakan salah satu tipe

ERS yang dikembangkan setelah CERS, dimana terdapat jet pump (liquid jet

ejector) pada siklus kerjanya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan

Gambar 2.6.


13

Gambar 2.5 New Ejector Refrigeration System (NERS) [Yu et al., 2006].

Gambar 2.6 ERS with an additional ejector by Yu et al. (2006) [Besagni et al.,

2016].

Pada NERS, jet pump diletakkan di antara ejector dan condenser yang

aplikasinya menggunakan secondary fluid berupa fluida campuran yang

dihasilkan oleh ejector, yaitu fluida campuran antara primary fluid dan secondary

fluid setelah keluar dari bagian diffuser pada ejector. Aplikasi jet pump yang

digunakan pada NERS mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan

menggunakan compressor. Jet pump mempunyai konstruksi yang lebih sederhana

dan biaya produksinya yang lebih rendah daripada menggunakan compressor.


14

Selain itu, jet pump merupakan salah satu cara yang dapat digunakan untuk

meningkatkan nilai COP pada NERS [Yu et al., 2006] dan dapat meningkatkan

nilai entrainment ratio (ω) pada NERS [Besagni et al., 2016]. Dibandingkan

dengan CERS, NERS mempunyai nilai COP yang lebih tinggi seperti yang

ditunjukkan pada grafik hasil penelitian oleh Yu et al. (2006) pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 COP vs back pressure pada CERS dan NERS [Yu et al., 2006].

2.2.3. Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS)

Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) merupakan salah satu

tipe ERS dengan menggunakan beberapa buah ejector yang disusun secara paralel

dan ditempatkan sebelum kondensor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.

MERS merupakan suatu sistem yang dapat digunakan untuk memecahkan

permasalahan utama yang terjadi pada ERS, di mana terjadi kesulitan pada ERS

dalam menangani pengoperasian pada sistemnya akibat terjadi perubahan pada

kondisi pengoperasiannya. Setiap ejector yang digunakan dalam MERS

beroperasi pada setiap batasan condenser pressure (Pc) yang berbeda [Besagni et

al., 2016].


15

Gambar 2.8 Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) [Besagni et al.,

2016].

Gambar 2.9 Three Parallel MERS [Chen et al., 2015].

Gambar 2.9 menunjukkan MERS dengan 3 (tiga) ejector yang disusun

secara paralel dengan setiap ejector yang beroperasi pada batasan condenser

pressure (Pc) tertentu beserta dengan grafik hubungan antara entrainment ratio

(ω) dengan condenser pressure (Pc) pada setiap ejector. Ejector 1 beroperasi

dengan nilai condenser pressure (Pc) di bawah nilai back pressure pada ejector 1

(Pb1) (Pc < Pb1). Ejector 2 akan beroperasi ketika nilai condenser pressure (Pc)

berada di antara nilai back pressure pada ejector 1 (Pb1) dan back pressure pada

ejector 2 (Pb2) (Pb1 < Pc < Pb2). Sedangkan ejector 3 akan beroperasi pada nilai

condenser pressure (Pc) yang lebih besar daripada nilai back pressure pada


16

ejector 2 (Pb2). Pada MERS tidak terdapat nilai critical back pressure (Pb*)

sehingga dapat menghindari sudden performance drop pada sistem

pengoperasiannya [Chen et al., 2015].

2.3. Aplikasi Steam Ejector

Terdapat berbagai macam fungsi steam ejector yang dapat diaplikasikan

dalam berbagai macam bidang. Berbagai macam aplikasi steam ejector tersebut

antara lain:

2.3.1. Steam Jet Ejector for Deodorizing Edible Oils

Gambar 2.10 Desain gambar 3D sistem vacuum dengan menggunakan steam

ejector yang diproduksi oleh Eko Zora, Ltd (Bulgaria) [Akterian, 2011].

keterangan:

1. First Ejector

2. Second Ejector

3. Barometric Condenser

4. Third Ejector

Sistem vacuum yang menjadi prinsip kerja pada steam ejector

dimanfaatkan sebagai proses deodorizing pada edible oils. Sistem vacuum ini

dikomersialkan oleh 2 (dua) perusahaan mechanical engineering yang berasal dari

negara Bulgaria, yaitu Eko Zora, Ltd yang berada di kota Aksakovo dan Gea-06


17

yang terletak di kota Varna. Sampai pada tahun 2011, kedua perusahaan tersebut

telah memproduksi 12 (dua belas) sistem vacuum [Akterian, 2011]. Salah satu

sistem vacuum yang didesain dan diproduksi oleh Eko Zora, Ltd dapat dilihat

pada Gambar 2.10.

Aliran yang dihisap (secondary fluid) pada sistem vacuum ini terdiri atas

beberapa unsur, yaitu 93 % uap panas, 3 % uap yang dihasilkan dari asam lemak,

dan 4 % udara bersih dengan tekanan 0,3 kPa. Sedangkan untuk tekanan pada

motive steam (primary fluid) divariasikan menurut kapasitas hisap yang akan

dilakukan. Untuk sistem dengan kapasitas hisap yang kecil menggunakan tekanan

sebesar 0,6 MPa, sedangkan untuk sistem dengan kapasitas hisap yang lebih besar

menggunakan tekanan sebesar 1 MPa. Sistem ini juga menggunakan air pendingin

dengan temperatur sebesar 30 ˚C yang dialirkan melalui cooling tower [Akterian,

2011].

Dari ke-12 sistem vacuum yang telah diproduksi oleh Eko Zora, Ltd dan

Gea-06, masing-masing mempunyai kemampuan hisap yang berbeda. 1 (satu)

sistem mempunyai kemampuan hisap sebesar 10 kg/jam, 4 (empat) sistem

mempunyai kemampuan hisap sebesar 15 kg/jam, 3 (tiga) sistem mempunyai

kemampuan hisap sebesar 25 kg/jam, dan 4 (empat) sistem mempunyai

kemampuan hisap sampai 35 kg/jam [Akterian, 2011].

Selain dapat digunakan sebagai proses deodorizing pada edible oils,

sistem vacuum pada steam jet ejector juaga dapat digunakan dalam berbagai

macam proses lainnya, antara lain steam refining, bleching, drying, winterizing,

degumming and solvent extraction of vegetable oils, dan berbagai macam proses

lainnya [Akterian, 2011].

2.3.2. Steam Ejector Refrigeration System in Thailand

Steam ejector mempunyai fungsi sebagai sistem refrijerasi di Thailand

yang mempunyai cuaca panas dan lembab pada saat musim kemarau. Pada saat

musim kemarau, Thailand mempunyai temperatur lingkungan hingga 40 ˚C

dengan tingkat kelembaban hingga 70 %. Oleh karena itu, di Thailand steam


18

ejector sangat berfungsi sebagai sebagai sistem refrijerasi yang digunakan sebagai

sistem pendinginan udara (air conditioning system) di dalam suatu ruangan seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Steam ejector refrigeration system saat digunakan sebagai air

conditioning system [Ruangtrakoon dan Aphornratana, 2014].

Sistem refrijerasi steam ejector yang digunakan sebagai sistem

pendinginan udara (air conditioning system) ini menggunakan kapasitas

pendinginan sebesar 3 kW dengan menggunakan electric heater yang diletakkan

di dalam insulated chilled water box. Proses pemanasan di dalam boiler pada

sistem steam ejector ini menggunakan sumber energi panas yang berasal dari LPG

(Liquefied Petroleum Gas), di mana pemanasan fluida kerja dilakukan dengan

menggunakan LPG burner yang akan menghasilkan uap panas dengan temperatur

100 ˚C - 130 ˚C. Sedangkan pada bagian evaporator menggunakan fluida kerja

dengan temperatur 10 ˚C. Sistem steam ejector menggunakan air pendinginan

dengan temperatur 30 ˚C - 35 ˚C yang disirkulasikan pada bagian kondensor.

Sistem refrijerasi steam ejector berupa sistem pendingin ruangan (air conditioning

system) yang diaplikasikan di Thailand ini dapat menghasilkan temperatur

ruangan sebesar 13 ˚C - 23 ˚C untuk ruangan dengan ukuran panjang 4 meter,

lebar 3 meter, dan tinggi 2,5 meter [Ruangtrakoon dan Aphornratana, 2014].


19

2.4. Komponen Utama Steam Ejector

Pada dasarnya terdapat 4 (empat) komponen utama pada steam ejector,

yaitu primary nozzle, mixing chamber, ejector throat, dan subsonic diffuser

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Posisi dari komponen utama pada steam

ejector tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.12.

1 2 3 4

Gambar 2.12 Komponen utama steam ejector [Zhu dan Jiang, 2014].

keterangan:

1. Primary Nozzle

2. Mixing Chamber

3. Ejector Throat

4. Subsonic Diffuser

2.4.1. Primary Nozzle

Primary nozzle terbagi menjadi 2 (dua) bagian pada struktur desainnya,

yaitu converging section dan diverging section. Converging section merupakan

bagian dari primary nozzle yang terletak di antara nozzle inlet dan nozzle throat.

Sedangkan diverging section merupakan bagian nozzle exit plane sebagai bagian

untuk keluarnya primary fluid. Primary nozzle dibuat dalam bentuk converging

section dan diverging section dengan tujuan untuk meningkatkan nilai dari

kecepatan aliran primary fluid. Pada saat primary fluid melewati bagian


20

converging section pada primary nozzle, primary fluid akan mempunyai

kecepatan aliran subsonic. Setelah melewati bagian diverging section pada

primary nozzle dan keluar melalui nozzle exit plane, maka kecepatan aliran

primary fluid akan meningkat dari subsonic menjadi supersonic [Cardemil dan

Colle, 2012] [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

2.4.2. Mixing Chamber

Mixing chamber merupakan bagian dari ejector yang digunakan untuk

melakukan proses pencampuran antara primary fluid dengan secondary fluid.

Proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid yang terjadi di

dalam mixing chamber dapat digunakan untuk menghitung besarnya nilai

entrainment ratio. Entrainment ratio merupakan rasio antara laju aliran massa

secondary fluid (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa primary fluid

(primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014].

2.4.3. Ejector Throat

Ejector Throat merupakan bagian dari steam ejector yang mempunyai

ukuran panjang dan diameter yang sama. Pada bagian ejector throat akan terjadi

compression effect yang menyebabkan terjadinya normal shock. Normal shock

dapat mengakibatkan sudden drop pada kecepatan aliran fluida yang melewati

bagian ejector throat, sehingga kecepatan aliran fluida akan menurun dari

kecepatan aliran supersonic menjadi kecepatan aliran subsonic [Sriveerakul et al.,

2007].

2.4.4. Subsonic Diffuser

Subsonic diffuser merupakan bagian yang digunakan sebagai outlet pada

steam ejector. Fluida yang mengalir melewati bagian subsonic diffuser akan

memiliki kecepatan aliran subsonic yang terjadi setelah melewati bagian ejector

throat. Akibat menurunnya kecepatan aliran fluida yang melewati bagian subsonic

diffuser akan menyebabkan subsonic diffuser menghasilkan tekanan yang tinggi

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


21

2.5. Kondisi Pengoperasian Steam Ejector

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kanjanapon

Chunnanond dan Satha Aphornratana (2004) dalam jurnal ilmiah dengan judul

”An Experimental Investigation of a Steam Ejector Refrigerator: The Analysis of

the Pressure Profile Along the Ejector” melaporkan bahwa kondisi pengoperasian

pada steam ejector dapat dikategorikan menjadi 3 (tiga) bagian, yaitu choked flow,

unchoked flow, dan reversed flow yang dibedakan berdasarkan nilai dari critical

break pressure (critical condenser pressure) dan break down pressure. Ketiga

bagian kondisi pengoperasian pada steam ejector dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Kondisi pengoperasian pada steam ejector [Sriveerakul et al.,

2007].

Pada bagian choked flow, ejector beroperasi di bawah nilai critical back

pressure (critical condenser pressure), di mana rasio antara secondary flow yang

terhisap ke dalam mixing chamber sama besarnya dengan primary flow sehingga

bagian choked flow mempunyai nilai entrainment ratio yang tetap konstan. Pada

bagian unchoked flow, nilai dari back pressure (condenser pressure) akan lebih

besar daripada nilai critical back pressure (critical condenser pressure).

Transverse shock akan terjadi akibat meningkatnya tekanan kondensor sampai

melewati batas critical point. Transverse shock akan mengganggu proses


22

pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid di dalam mixing chamber,

sehingga mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun dengan sangat cepat.

Sedangkan pada bagian reversed flow (break down pressure), tekanan kondensor

akan terus meningkat melewati batas critical point dan mencapai titik break down

pressure, di mana ejector akan kehilangan fungsinya akibat laju aliran yang

mengalir balik menuju secondary flow inlet dan masuk ke dalam evaporator

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004] [Sriveerakul et al., 2007].

Gambar 2.14 Efek kondisi pengoperasian terhadap performa steam ejector

[Sriveerakul et al., 2007].

Penelitian yang dilakukan oleh Sriveerakul et al. (2007) dalam jurnal

ilmiah dengan judul “Performance Prediction of Steam Ejector Using

Computational Fluid Dynamics: Part 1. Validation of the CFD Results”

melaporkan bahwa back pressure pada kondisi pengoperasian steam ejector

dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan saturasi pada boiler (primary fluid

temperature and primary fluid saturated pressure) serta temperatur dan tekanan

pada evaporator (secondary fluid temperature and secondary fluid pressure).

Fenomena back pressure pada steam ejector dapat ditunjukkan melalui Gambar

2.14.


23

Semakin berkurangnya temperatur dan tekanan saturasi pada primary

fluid, maka akan mengakibatkan laju aliran massa primary fluid (primary mass

flow rate) akan semakin menurun. Hal ini akan meningkatkan nilai entrainment

ratio pada steam ejector seiring dengan meningkatnya nilai laju aliran massa

secondary fluid (secondary mass flow rate). Semakin meningkatnya nilai

entrainment ratio pada steam ejector, maka nilai dari critical back pressure akan

semakin menurun dan dapat menyebabkan terjadinya back pressure. Di sisi lain,

apabila tekanan pada secondary fluid semakin meningkat maka akan

mengakibatkan laju aliran massa secondary fluid yang masuk ke dalam area

mixing chamber akan meningkat. Hal ini akan meningkatkan nilai critical back

pressure dan menghindari terjadinya back pressure pada steam ejector


Gambar 2.15 Primary mass flow vs boiler temperature [Ma et al., 2010].

Hubungan antara laju aliran massa primary fluid (primary mass flow

rate) dengan temperatur pada boiler (boiler temperature) dan hubungan antara

temperatur pada evaporator (evaporator temperature) dengan critical back

pressure telah dilaporkan oleh Ma et al. (2010) dalam hasil penelitiannya yang

dituliskan ke dalam jurnal ilmiah dengan judul “Experimental Investigation of a

Novel Steam Ejector Refrigerator Suitable Solar Energy Applications”.


24

Ma et al. (2010) melaporkan bahwa semakin meningkatnya temperatur

pada boiler (boiler temperature) akan mengakibatkan laju aliran massa primary

fluid (primary mass flow rate) akan semakin meningkat seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.15. Sedangkan semakin meningkatnya temperatur pada evaporator

(evaporator temperature) akan meningkatkan nilai critical condenser pressure

(critical back pressure) [Ma et al., 2010] seperti yang ditunjukkan pada Gambar

2.16.

Gambar 2.16 Critical condenser pressure (critical back pressure) vs evaporator

temperature [Ma et al., 2010].

2.6. Parameter Performa Steam Ejector

Terdapat 3 (tiga) parameter penting yang dapat digunakan untuk

menentukan performa pada steam ejector, yaitu entrainment ratio (ω), expansion

ratio (ER), dan pressure lift ratio (PR). Pengertian beserta dengan persamaan

yang digunakan untuk menghitung entrainment ratio (ω), expansion ratio (ER),

dan pressure lift ratio (PR) dapat dilihat pada penjelasan berikut.

2.6.1. Entrainment Ratio (ω)

Entrainment ratio merupakan perbandingan antara laju aliran massa pada

secondary fluid (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa pada primary


25

fluid (primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan

ke dalam persamaan (2.1).

m p

ms

(2.1)

dengan ω adalah entrainment ratio yang tidak mempunyai satuan, ms adalah

secondary mass flow rate yang dinyatakan dalam satuan kilogram per detik (kg/s),

dan m p adalah primary mass flow rate yang dinyatakan dalam satuan kilogram

per detik (kg/s).

2.6.2. Expansion Ratio (ER)

Expansion ratio adalah perbandingan antara tekanan pada boiler

(primary pressure) dengan tekanan pada evaporator (secondary pressure)

[Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.3).

Ps

P pER (2.3)

dengan ER adalah expansion ratio yang tidak mempunyai satuan, P p adalah

tekanan pada boiler (primary pressure) yang dinyatakan dalam satuan bar, dan

Ps adalah tekanan pada evaporator (secondary pressure) yang dinyatakan dalam

satuan bar.

2.6.3. Pressure Lift Ratio (PR)

Pressure lift ratio adalah perbandingan antara tekanan pada kondensor

(condenser back pressure) dengan tekanan pada evaporator (secondary pressure)

[Chandra dan Ahmed, 2014] yang dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.2).

Ps

PcPR (2.2)


26

dengan PR adalah pressure lift ratio yang tidak mempunyai satuan, Pc adalah

tekanan kondensor (condenser back pressure) yang dinyatakan dalam satuan bar,

dan Ps adalah tekanan pada evaporator (secondary pressure) yang dinyatakan

dalam satuan bar.

2.7. Fenomena Aliran Steam Ejector

2.7.1. Compressible Flow

Compressible flow terjadi ketika fluida bergerak dengan kecepatan suara,

rapat massa (density) yang dapat berubah sangat signifikan. Akan tetapi,

compressible flow sulit dicapai pada fluida dengan bentuk cairan (liquid) karena

dibutuhkan tekanan yang tinggi mencapai 1000 atm untuk menghasilkan

kecepatan aliran sonic. Sebaliknya, fluida dengan bentuk gas hanya membutuhkan

rasio tekanan 2:1 untuk menghasilkan kecepatan aliran sonic [White, 2011].

Terdapat dua efek yang sangat penting pada aliran compressible flow,

yaitu:

a. Chocking, dimana laju aliran pada sebuah saluran sangat dibatasi oleh

kondisi kecepatan aliran (sonic condition).

b. Shock Wave, merupakan suatu properti yang selalu berubah pada aliran

supersonic.

2.7.1.1. Choking

Gambar 2.17 menunjukkan hubungan antara rasio luas penampang (area

ratio) pada suatu saluran dengan nilai Mach number, di mana mencapai

kesetimbangan pada saat Ma = 1 dan nilai area ratio akan kembali ke nol apabila

nilai Ma semakin besar. Kondisi inilah yang disebut dengan stagnation condition

yang terjadi apabila laju aliran massa yang melewati saluran telah mencapai

kondisi kritis (sonic condition). Saluran tersebut dapat disebut dengan choked,

dimana saluran tidak dapat membawa laju aliran massa yang lebih banyak kecuali


27

dengan memperluas area throat. Apabila dimensi pada throat dibatasi, maka laju

aliran massa yang akan melewati throat juga harus dikurangi [White, 2011].

Gambar 2.17 Perbandingan antara area ratio dan Mach number untuk

compressible flow dengan nilai k = 1,4 [White, 2011].

Untuk memperhitungkan laju aliran massa yang akan melewati throat,

maka dapat dihitung dengan persamaan laju aliran massa kritis yang dapat

dituliskan pada persamaan (2.4).

2/1)0

(

*0

6847.02/1)

0(

0*6847,0

maxRT

ARTAm

(2.4)

dengan max

m adalah laju aliran massa kritis yang dinyatakan dalam satuan

kilogram per detik (kg/s), A* adalah luas penampang saluran kritis yang

dinyatakan dalam satuan meter kuadrat (m2), 0

adalah rapat massa fluida pada

stagnation condition yang dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik

(kg/m3), R adalah konstanta gas ideal yang dinyatakan dalam satuan meter kuadrat

per detik kuadrat Kelvin (m2/s2.K), dan 0

T adalah temperatur pada stagnation

condition yang dinyatakan dalam satuan Kelvin (K).


28

2.7.1.2. Shock Wave (Normal Shock Wave)

Normal shock wave terjadi apabila terdapat perubahan pada kecepatan

aliran supersonic dengan nilai Ma lebih dari satu (Ma > 1) menjadi kecepatan

aliran subsonic dengan nilai Ma kurang dari 1 (Ma < 1). Kecepatan aliran

supersonic dihasilkan karena efek dari converging dan diverging pada suatu

penampang aliran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Normal shock wave [White, 2011].

Persamaan yang digunakan untuk melakukan perhitungan normal shock

wave dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.5).

)1(2

2)1(2

1

2

12

2

kMak

MakMa (2.5)

dengan 1Ma adalah nilai Mach number pada saluran inlet dengan kecepatan aliran

supersonic, 2Ma adalah nilai Mach number pada saluran outlet dengan kecepatan

aliran subsonic, dan k adalah nilai dari specific heat ratio pada gas yang

mempunyai nilai sebesar 1,4.


29

2.7.2. Supersonic Nozzle dan Subsonic Diffuser

Terdapat 2 (dua) jenis perbedaan penampang pada saluran, yaitu

supersonic nozzle dan subsonic diffuser. Supersonic nozzle dapat diartikan sebagai

penampang saluran yang mempunyai kecepatan aliran yang tinggi dengan nilai

Ma lebih dari 1 (Ma > 1) yang disebut dengan kecepatan aliran supersonic.

Sedangkan subsonic diffuser diartikan sebagai penampang yang mempunyai

kecepatan aliran yang rendah dengan nilai Ma kurang dari 1 (Ma < 1) yang

disebut dengan kecepatan aliran subsonic. Karena kecepatan aliran pada subsonic

diffuser lebih rendah daripada supersonic nozzle, maka subsonic diffuser akan

menghasilkan tekanan yang lebih tinggi daripada supersonic nozzle [White,

2011]. Perbedaan antara subsonic diffuser dan supersonic nozzle dapat dilihat

pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Perbedaan antara supersonic nozzle dan subsonic diffuser [White,

2011].

Persamaan yang digunakan untuk menjelaskan perbedaan fenomena pada

supersonic nozzle dan subsonic diffuser dituliskan ke dalam persamaan (2.6).

22 1

1

V

dp

MaA

dA

V

dV

(2.6)


30

2.7.3. Converging of Primary Nozzle

Gambar 2.20 Kondisi pengoperasian pada converging nozzle [White, 2011].

a) Geometri nozzle dan karakteristik tekanan

b) Distribusi tekanan akibat back pressure

c) Mass flow vs back pressure

Gambar 2.20 (a) menunjukkan skema aliran yang terjadi di dalam bagian

converging pada primary nozzle. Aliran dengan tekanan stagnasi (P0) akan

mengalir melewati primary nozzle outlet yang mengalami pengecilan penampang.

Akibat adanya pengecilan penampang, maka tekanan aliran akan menurun pada

bagian primary nozzle outlet (-Pe) sehingga akan keluar sebagai aliran dengan

tekanan back pressure (Pb), di mana nilai tekanan back pressure lebih rendah

daripada nilai tekanan stagnasi (Pb < P0).

Gambar 2.20 (b) menunjukkan distribusi tekanan yang terjadi pada

bagian converging primary nozzle. Pada kondisi pada titik a dan b, tekanan pada


31

primary nozzle throat lebih besar daripada tekanan kritis (P*) yang menyebabkan

aliran pada primary nozzle mempunyai kecepatan aliran subsonic dan tekanan

pada primary nozzle outlet (Pe) mempunyai nilai yang sama besar dengan tekanan

back pressure (Pb). Pada kondisi di titik c tekanan back pressure (Pb) mempunyai

nilai yang sama besar dengan tekanan pada primary nozzle outlet (Pe). Sedangkan

pada kondisi di titik d dan e, primary nozzle tidak dapat beroperasi lebih lanjut

karena terjadi proses chocking dengan laju aliran massa yang besar pada bagian

primary nozzle throat sehingga mengakibatkan tekanan akan menurun dari

tekanan kritis (P*) menuju tekanan back pressure (Pb) dan aliran akan

berekspansi dengan kecepatan aliran supersonic.

2.8. Mach Number (Ma)

Mach number (Ma) merupakan parameter yang paling dominan dalam

melakukan analisa pada compressible flow [White, 2011]. Besarnya nilai Mach

number (Ma) dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.7).

a

VMa (2.7)

dengan Ma adalah Mach number yang tidak mempunyai satuan, V adalah

kecepatan aliran yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s), dan a

adalah kecepatan suara yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s).

Adapun interval dari besarnya nilai Mach number (Ma) dapat digunakan

untuk mengetahui sifat aliran seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Sifat aliran berdasarkan nilai Mach number (Ma) [White, 2011].

Bilangan Ma Keterangan

Ma < 0,3 Aliran incompressible, di mana pengaruh pada nilai density

dapat diabaikan.

0,3 < Ma < 0,8 Aliran subsonic, di mana pengaruh pada nilai density penting

tetapi tidak ada shock wave yang muncul.


32

0,8 < Ma < 1,2

Aliran transonic, di mana terdapat shock wave pada aliran.

Aliran transonic merupakan pemisah daerah aliran supersonic

dan subsonic.

1,2 < Ma < 3,0 Aliran supersonic, di mana terdapat shock wave tetapi tidak ada

daerah subsonic.

3,0 < Ma Aliran hypersonic, di mana shock wave dan aliran lainnya

berubah dengan sangat kuat.

Kecepatan suara yang digunakan dalam persamaan Mach Number (Ma)

dapat dinyatakan ke dalam persamaan (2.8) [White, 2011].

2/1)( TRka (2.8)

dengan a adalah kecepatan suara yang dinyatakan dalam satuan meter per detik

(m/s), k adalah specific heat ratio yang tidak mempunyai satuan, R adalah

specific heat yang dinyatakan dalam satuan meter kuadrat per detik kuadrat

Kelvin (m2/s2.K), dan T adalah temperatur yang dinyatakan dalam satuan Kelvin

(K).

Karena nilai specific heat ratio (k) untuk gas ideal diasumsikan

mempunyai nilai 1,4 dan specific heat (R) untuk gas ideal mempunyai nilai 287

m2/s2.K, maka persamaan (2.8) dapat disederhanakan ke dalam bentuk persamaan

lain yang dinyatakan dalam persamaan (2.9).

Ta 20 (2.9)

2.9. Reynolds Number (Re)

Menurut Osborne Reynolds (1884), terdapat 3 (tiga) faktor utama yang

dapat mempengaruhi keadaan aliran, yaitu kekentalan zat cair (viskositas) (μ -

mu), rapat massa zat cair (ρ - rho), dan diameter pipa saluran (D). Perhitungan

pada Reynolds number (Re) dituliskan ke dalam persamaan (2.10) [Triatmodjo,

2013].


33

VD Re (2.10)

dengan Re adalah Reynolds number yang tidak mempunyai satuan, (rho) adalah

rapat massa yang dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik (kg/m3),

D adalah diameter pipa saluran yang dinyatakan dalam satuan meter (m),

V adalah kecepatan aliran yang dinyatakan dalam satuan meter per detik (m/s),

dan adalah viskositas dinamik yang dinyatakan dalam satuan Newton detik per

meter kuadrat (N.s/m2).

karena,

(2.11)

dengan adalah viskositas kinematik yang dinyatakan dalam satuan meter persegi

per detik (m2/s), maka persamaan (2.11) dapat dimasukkan ke dalam persamaan

(2.10) sehingga kedua persamaan tersebut akan menjadi:

DV Re (2.12)

Berdasarkan percobaan aliran dalam pipa yang telah dilakukan oleh

Osborne Reynolds, ditetapkan rentang nilai Reynolds number (Re) yang dapat

digunakan untuk membedakan antara aliran laminer, transisi, dan turbulen.

Rentang nilai tersebut yaitu:

a. Apabila Re< 2000, maka termasuk jenis aliran laminer.

b. Apabila 2000 <Re< 4000, maka termasuk jenis aliran transisi.

c. Apabila Re> 4000, maka termasuk jenis aliran turbulen.

d. Nilai Re = 2000 dan nilai Re = 4000 disebut dengan batas kritis bawah

dan batas kritis atas.

Aliran transisi merupakan aliran yang terjadi akibat perubahan jenis

aliran dari laminer menjadi turbulen. Aliran transisi terjadi pada saat aliran


34

laminer melewati nilai Reynolds number (Re) pada batas kritis bawah (Re> 2000)

dan berada di bawah nilai Reynolds number (Re) pada batas kritis atas (Re< 4000).

Perubahan aliran tersebut diakibatkan oleh berkurangnya viskositas pada aliran

laminer sehingga menyebabkan kecepatan aliran semakin meningkat. Untuk

memberikan gambaran tentang perbedaan antara jenis aliran laminer, transisi, dan

turbulen dapat dilihat pada Gambar 2.21.

Gambar 2.21 Aliran laminer, transisi, dan turbulen [Munson et al., 2009].

2.10. Hukum Gas Ideal

Gas mempunyai sifat yang lebih mudah untuk dimampatkan daripada

cairan. Kerapatan gas semakin meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan

dan temperatur. Hubungan antara kerapatan massa gas (ρ), tekanan (p), dan

temperatur (T) dapat dilihat melalui persamaan Hukum Gas Ideal yang dituliskan

ke dalam persamaan (2.13).

TRp (2.13)

dengan rapat massa gas (ρ) dinyatakan dalam satuan kilogram per meter kubik

(kg/m3), tekanan (p) dinyatakan dalam satuan Pascal (Pa atau N/m2), temperatur

dinyatakan dalam satuan Kelvin (K), dan specific heat (R) dinyatakan dalam

satuan meter kuadrat per detik kuadrat Kelvin (m2/s2.K).


35

2.11. Kinematika Fluida

Aliran zat cair dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam

[Triatmodjo, 2013], antara lain:

a. Aliran invisid dan viskos

b. Aliran kompresibel dan tak kompresibel

c. Aliran laminer dan turbulen

d. Aliran mantap (steady flow) dan tak mantap (unsteady flow)

e. Aliran seragam dan tak seragam

2.11.1. Aliran Invisid dan Viskos

Aliran invisid adalah aliran yang mempunyai nilai kekentalan zat cair (μ)

dianggap nol (μ = 0). Akan tetapi, zat cair dengan nilai μ = 0 tidak ada di alam.

Hal ini hanya dijadikan sebagai anggapan untuk menyederhanakan permasalahan

yang sangat kompleks dalam hidraulika. Akibat nilai μ = 0, maka tidak terjadi

tegangan geser antara partikel zat cair dengan partikel yang lainnya. Sehingga

pada kondisi tertentu asumsi bahwa nilai μ = 0 dapat diterima untuk zat cair

dengan nilai μ yang kecil seperti air [Triatmodjo, 2014].

Aliran viskos adalah aliran yang memperhitungkan nilai kekentalan (μ).

Keadaan ini akan menyebabkan timbulnya tegangan geser antara partikel zat cair

yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda. Apabila zat cair mengalir melalui

bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas

tersebut akan mempunyai kecepatan nol (diam). Kecepatan zat cair akan

bertambah sesuai dengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat

dalam atau lebar, aliran tidak lagi dipengaruhi oleh hambatan bidang batas. Pada

daerah tersebut kecepatan aliran hampir seragam (fully developed velocity)

[Triatmodjo, 2014]. Untuk dapat mengetahui proses terjadinya fully developed

velocity dapat dilihat pada Gambar 2.22.


36

Gambar 2.22 Developing velocity profiles and pressure change [White, 2011].

Terdapat suatu persamaan yang terdapat pada kondisi fully developed

velocity. Persamaan tersebut dituliskan ke dalam persamaan (2.14).

.constdAuQ (2.14)

2.11.2. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel

Semua jenis fluida (termasuk zat cair) termasuk jenis aliran kompresibel.

Aliran kompresibel merupakan aliran yang nilai rapat massanya akan berubah

sesuai dengan perubahan nilai tekanan. Akan tetapi pada aliran mantap dengan

perubahan rapat massa yang kecil sering dilakukan penyederhanaan dengan

menganggap bahwa zat cair merupakan aliran tidak kompresibel dan mempunyai

nilai rapat massa yang konstan. Penyederhanaan ini tidak dapat dilakukan pada

aliran tak mantap melalui pipa di mana dapat terjadi perubahan tekanan yang

sangat besar [Triatmodjo, 2014].

2.11.3. Aliran Laminer dan Turbulen

Aliran zat cair yang mempunyai nilai kekentalan (viskositas) disebut

dengan aliran viskos. Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) tipe, yaitu

aliran laminer dan turbulen [Triatmodjo, 2013].


37

2.11.3.1. Aliran Laminer

Pada aliran laminer, partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti

lintasan yang saling sejajar. Aliran laminer terjadi apabila aliran mempunyai

kecepatan aliran yang rendah dan viskostas yang tinggi [Triatmodjo, 2013].

Gambar 2.23 Aliran laminer - kecepatan aliran rendah [White, 2011].

Gambar 2.24 Aliran laminer dalam pipa [White, 2011].

2.11.3.2. Aliran Turbulen

Pada aliran turbulen, gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran

turbulen terjadi apabila aliran mempunyai kecepatan aliran yang tinggi dan

viskositas yang rendah [Triatmodjo, 2013].

Gambar 2.25 Aliran turbulen - kecepatan aliran tinggi [White, 2011].

Gambar 2.26 Aliran turbulen dalam pipa [White, 2011].


38

2.11.4. Aliran Mantap dan Tak Mantap

Aliran mantap (steady flow) terjadi apabila variabel pada aliran seperti

kecepatan aliran (V), tekanan (p), rapat massa (ρ), luas penampang aliran (A),

debit aliran (Q), dan lain sebagainya tidak berubah terhadap waktu. Keadaan yang

terjadi pada aliran mantap dapat dituliskan dalam persamaan (2.15) [Triatmodjo,

2014].

0;0;0;0;0

t

Q

t

A

tt

p

t

V (2.15)

Sedangkan aliran tidak mantap (unsteady flow) terjadi apabila variabel

pada aliran berubah terhadap waktu. Keadaan yang terjadi pada aliran tidak

mantap dapat dituliskan dalam persamaan (2.16) [Triatmodjo, 2014].

0;0;0;0;0

t

Q

t

A

tt

p

t

V (2.16)

2.11.5. Aliran Seragam dan Tidak Seragam

Suatu aliran disebut seragam (uniform flow) apabila tidak ada perubahan

variabel aliran terhadap besar dan arah dari kecepatan aliran. Keadaan yang terjadi

pada aliran seragam dapat dituliskan dalam persamaan (2.17) [Triatmodjo, 2014].

0;0;0;0;0

s

Q

s

A

ss

p

s

V (2.17)

Sedangkan aliran tak seragam (non uniform flow) terjadi apabila semua

variabel aliran berubah terhadap besar dan arah kecepatan aliran. Keadaan yang

terjadi pada aliran tidak seragam dapat dituliskan dalam persamaan (2.18)

[Triatmodjo, 2014].

0;0;0;0;0

s

Q

s

A

ss

p

s

V (2.18)

2.12. Viskositas (Kekentalan)

Kekentalan adalah sifat zat cair yang dapat menyebabkan terjadinya

tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan mengubah sebagian


39

energi aliran menjadi bentuk energi lain seperti panas, suara, dan sebagainya.

Perubahan bentuk energi tersebut akan menyebabkan aliran akan kehilangan

tenaga [Triatmodjo, 2013].

2.12.1. Hukum Newton Tentang Kekentalan Zat Cair

Gambar 2.27 Newtonian shear distribution [White, 2011].

Gambar 2.28 Tegangan geser pada dua penampang paralel [Munson et al., 2009].

Hukum Newton tentang kekentalan zat cair menyatakan bahwa tegangan

geser yang terjadi antara dua partikel zat cair yang berdampingan adalah

sebanding dengan perbedaan kecepatan dari partikel yang bergerak [Triatmodjo,


40

2013]. Pernyataan tersebut dapat dituliskan ke dalam persamaan (2.19) serta

ditunjukkan pada Gambar 2.27 dan Gambar 2.28.

d y

d u (2.19)

dengan µ (mu) adalah viskositas dinamik yang dinyatakan dalam satuan Newton

detik per meter kuadrat (N.s/m2) dan τ (tau) adalah tegangan geser yang

dinyatakan dalam satuan Newton per meter persegi (N/m2).

Seperti yang ditunjukkan pada persamaan (2.19), Gambar 2.27, dan

Gambar 2.28 dapat diketahui bahwa pelat bagian bawah diam dan pelat bagian

atas bergerak. Partikel fluida yang bersinggungan dengan plat yang bergerak

mempunyai kecepatan yang sama dengan plat tersebut. Tegangan geser (τ) antara

dua lapis zat cair adalah sebanding dengan gradien kecepatan dalam arah tegak

lurus dengan gerak (du/dy).

2.13. Pengukuran Debit Aliran

2.13.1. Teori Hambatan Bernoulli (Bernoulli Obstraction Theory)

Gambar 2.29 Perubahan tekanan dan kecepatan pada Bernoulli Obstruction

Meter [White, 2011].


41

Suatu aliran melewati pipa yang mempunyai penampang dengan

diameter mayor (D) akan mengalami desakan akibat terjadinya penyempitan

penampang dengan ukuran diameter minor (d) sehingga menghasilkan rasio

geometri (β) di antara kedua penampang tersebut.

D

d (2.20)

Penampang aliran akan menyempit ketika melewati vena contracta yang

mempunyai nilai diameter D2 < d. Dengan menggunakan persamaan Bernoulli

dan kontunyuitas, maka dapat diketahui besarnya debit aliran (Q) yang dituliskan

dalam persamaan (2.21) [White, 2011].

2/1

4

21

1

/)(2

ppACVAQ tdtt (2.21)

dengan t merupakan notasi dari throat pada hambatan aliran, dC merupakan

discharge coefficient yang tidak mempunyai satuan, dimana dC didapatkan dari

fungsi dari nilai β dan ReD. Nilai dC akan dipengaruhi oleh jenis alat pada

Bernoulli Obstruction Meter yang digunakan.

)Re,( Dd fC (2.22)

di mana,

DVD

1Re

2.13.2. Orifice Plate

Orifice plate merupakan alat pada Bernoulli Obstruction Meter yang

digunakan pada penelitian ini. Orifice plate yang digunakan merupakan jenis Thin

Plate Orifice yang mempunyai hubungan antara nilai ReD dan Cd seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.30 [White, 2011].


42

Gambar 2.30 Grafik hubungan antara Red dan Cd untuk Thin Plate Orifice

[White, 2011].

Thin Plate Orifice dapat dibuat dengan nilai β antara 0,2 sampai 0,8,

dengan aturan bahwa ukuran d > 12.5 mm. Untuk mengukur besarnya tekanan

pada p1 dan p2, biasanya digunakan 3 (tiga) tipe sambungan, yaitu:

a. Sambungan menyudut, dimana orifice plate menyambung langsung

dengan dinding pipa.

b. Sambungan D : ½ D, dimana orifice plate menyambung dengan jarak D

pada pipa hulu, dan ½ D pada pipa hilir.

c. Sambungan flens.

Besarnya nilai Cd selain dapat diketahui melalui grafik pada Gambar 2.30

juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.23).

2

3

14

475,05,2 0337,0

1

09,0Re71,91)( FFfC Dd

(2.23)

di mana,

81,2 184,00312,05959,0)( f (2.24)

sedangkan besarnya nilai F1 dan F2 untuk setiap tipe pada ketiga jenis sambungan

orifice plate yaitu:


43

a. Untuk sambungan menyudut

F1 = 0 F2 = 0

b. Untuk sambungan D : ½ D

F1 = 0.4333 F2 = 0.47

c. Untuk sambungan flens

)(

1

inD 3,2D

)(

12

inDF 1F

4333,0 3,20,2 D


44

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Diagram Alir Penelitian

Penelitian tentang performa pada steam ejector terhadap ukuran primary

nozzle exit position (NXP) terdiri atas berbagai macam proses dari awal hingga

akhir yang dapat digambarkan melalui diagram alir pada Gambar 3.1.

Mulai

Studi Pustaka Tentang Steam Ejector

Pembuatan Desain Steam Ejector

Konsultasi Desain Steam Ejector Dengan Dosen Pembimbing

Persiapan Alat dan Bahan Pembuatan Komponen Steam Ejector

Proses Pembuatan Komponen Steam Ejector:

1. Boiler

2. Evaporator

3. Bed Mesin

4. Ejector

5. Condenser

A


45

A

Pengambilan Data Penelitian Pada

Steam Ejector Dengan

Menggunakan Variasi Pada Primary

Nozzle Exit Position (NXP)

Data Penelitian

yang Dibutuhkan

Sudah Lengkap?

Ya

Tidak

Analisis Data Penelitian

Tidak

Ya

B

Hasil Analisis

Data Penelitian

Sudah Benar?


46

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.

3.2. Alat Penelitian

3.2.1. Sistem Alat Penelitian

Gambar 3.2 Skema sistem alat penelitian.

B

Pembahasan Hasil Analisis Data Penelitian

Kesimpulan dan Saran

Selesai

Boiler

Evaporator

Ejector

Kondensor

Reservoir


47

Tabel 3.1 Keterangan simbol pada skema sistem alat penelitian.

3.2.2. Sistem Steam Ejector

Penelitian ini menggunakan sistem steam ejector seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Sistem steam ejector.

No. Simbol Keterangan

1

Water Heater Element

2 Pressure Gauge

3

Thermocouple

4

Expansion Valve

5

Drain Valve

6

Manometer Pipa U

7

Circulating Pump


48

Gambar 3.4 dan Gambar 3.5 menunjukkan skema dari steam ejector dan

penampang aliran pada steam ejector yang digunakan pada penelitian ini.

Sedangkan pada Gambar 3.6 menunjukkan komponen pada steam ejector beserta

dengan ukuran komponennya. Skema steam ejector dirancang dan didesain

dengan menggunakan program Solidworks 2013.

Gambar 3.4 Steam ejector yang digunakan pada penelitian.

Gambar 3.5 Penampang aliran pada steam ejector.


49

A 2 3 4 5

1

B

Gambar 3.6 Komponen steam ejector pada penelitian beserta dengan ukurannya.

keterangan:

A. Primary fluid from boiler

B. Secondary fluid from evaporator

1. Suction chamber

2. Primary nozzle

3. Mixing Chamber

4. Ejector throat

5. Subsonic diffuser

3.3. Variabel Penelitian

Penelitian ini menggunakan 2 (dua) macam variabel penelitian, yaitu

variabel bebas dan variabel terikat. Variabel bebas dan variabel bebas yang

digunakan pada penelitian ini mengacu pada beberapa penelitian yang telah

dilakukan oleh Aphornratana dan Eames (1997), Sriveerakul et al. (2007),

Chandra dan Ahmed (2014), dan Tashtoush et al. (2015).


50

3.3.1. Variabel Bebas

Terdapat beberapa macam variabel bebas yang digunakan pada penelitian

ini, di mana variabel bebas penelitian tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Variabel bebas pada penelitian.

No. Nama Variabel Simbol

1 Tekanan kerja pada fluida primer (primary pressure). Pp

2 Temperatur kerja pada fluida sekunder (secondary

temperature). Ts

3 Jarak primary nozzle exit position yang terdapat di dalam

ejector. NXP

3.3.2. Variabel Terikat

Beberapa macam variabel terikat yang digunakan pada penelitian ini

dapat dilihat pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3 Variabel terikat pada penelitian.

No. Nama Variabel Simbol

1 Laju aliran massa fluida primer (primary mass flow rate) ṁp

2 Laju aliran massa fluida sekunder (secondary mass flow

rate) ṁs

3 Tekanan kerja fluida sekunder (secondary pressure) Ps

4 Temperatur kerja saat keluar ejector To

5 Tekanan kerja saat keluar ejector Po

6 Selisih ketinggian ukuran pada Manometer Pipa U Δh

7 Perbedaan tekanan yang terbaca pada Manometer Pipa U ΔP

8 Rapat massa fluida (density) ρ

9 Viskositas dinamik (dynamic viscosity) μ

10 Viskositas kinematik (kinematic viscosity) ν

11 Kecepatan aliran fluida (velocity) V


51

12 Reynolds number Re

13 Debit aliran Q

14

2 (dua) parameter performa steam ejector :

a. Entrainment Ratio

b. Expansion Ratio

ω

ER

3.4. Prosedur Penelitian

Penelitian ini menggunakan beberapa macam variasi dalam pelaksanaan

pengujian. Variasi penelitian tersebut antara lain primary pressure, secondary

temperature, dan ukuran primary nozzle exit position (NXP) seperti yang

ditunjukkan pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Tekanan dan temperatur pada boiler dan evaporator, beserta dengan

ukuran NXP yang digunakan pada penelitian.

Primary Pressure

(bar)

Secondary Temperature

(˚C)

Primary Nozzle Exit Position

(mm)

1 50

-5 0 +5 2 60

3 70

4 80

Variasi yang dilakukan pada penelitian ini mengacu pada beberapa

penelitian tentang steam ejector yang telah dilakukan sebelumnya. Beberapa

referensi penelitian tersebut merupakan penelitian yang telah dilakukan oleh

Aphornratana dan Eames (1997), Sriveerakul et al. (2007), Chandra dan Ahmed

(2014), dan Tashtoush et al. (2015).

Untuk mengetahui secara jelas posisi dari variasi primary nozzle exit

position (NXP) yang dilakukan pada penelitian ini, maka dapat dilihat pada

gambar berikut.


52

Gambar 3.7 Primary nozzle exit position (NXP) +5 mm.

Gambar 3.8 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP +5 mm.


53

Gambar 3.9 Primary nozzle exit position (NXP) 0 mm.

Gambar 3.10 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP 0 mm.


54

Gambar 3.11 Primary nozzle exit position (NXP) -5 mm.

Gambar 3.12 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP -5 mm.


55

Mulai

Input Air Pada Boiler dan Evaporator

Variasi Penelitian Awal Menggunakan Ukuran NXP 0 mm

Heater Pada Boiler dan Evaporator Dihidupkan

Setting Tekanan Boiler (Primary Pressure) dan

Temperatur Evaporator (Secondary Temperature)

Sesuai Dengan Tabel 3.4

Tidak

Primary Pressure dan


Sudah Sesuai?

Ya

A

Primary Expansion Valve Dibuka

Selisih ketinggian merkuri (air raksa) pada Manometer Pipa U diukur untuk

menghitung debit aliran (Q). Primary temperature diukur denggan

temperature controller (Thermocouple Type K dan Thermo Display APPA),

sedangkan primary pressure diukur dengan menggunakan Bourdon Tube

Pressure Gauge.

Prosedur pelaksanaan penelitian dilakukan dalam beberapa tahapan dari

awal hingga akhir yang dapat dijelaskan melalui diagram alir seperti yang



56

Secondary Expansion Valve Dibuka

Selisih ketinggian merkuri (air raksa) pada Manometer Pipa U diukur untuk

menghitung debit aliran (Q). Secondary temperature diukur dengan temperature

controller (Thermocouple Type K dan Thermo Display APPA).

A

Mengganti Variasi Penelitian Pada Primary Pressure dan Secondary Temperature

Mengganti Variasi Penelitian Dengan NXP -5 mm dan NXP +5 mm

Lakukan Prosedur Penelitian Dari Awal

Selesai

Gambar 3.13 Diagram alir prosedur pelaksanaan penelitian.

3.5. Alat Penelitian

Terdapat berbagai macam alat yang digunakan pada penelitian ini.

Berbagai macam alat tersebut antara lain:

1. Fluida kerja

2. Boiler dengan water heater element 2000 Watt

3. Evaporator dengan water heater element 1000 Watt

4. Steam ejector

5. Kondensor

6. Alat ukur temperatur

7. Alat ukur tekanan

8. Alat ukur debit aliran


57

9. Roll meter

10. Stopwatch

3.5.1. Fluida Kerja

Penelitian ini akan menggunakan fluida kerja berupa air, di mana air

merupakan fluida kerja yang paling ramah lingkungan [Chunnanond dan

Aphornratana, 2004]. Properti air sebagai fluida kerja pada tekanan 1 atm dan

temperatur 20 ˚C ditunjukkan pada Tabel 3.5.

Tabel 3.5 Properti air pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C [White, 2011].

No. Properti Nilai Satuan

1 Temperatur (T) 20 ˚C

2 Rapat massa (ρ) 998 kg/m3

3 Viskositas dinamik (μ) 1,80 x 10-5 N.s/m2

4 Viskositas kinematik (ν) 1,50 x 10-5 m2/s

3.5.2. Boiler dengan Water Heater Element 2000 Watt

Gambar 3.14 Boiler.


58

Gambar 3.14 menunjukkan bagian boiler yang digunakan pada penelitian

ini. Boiler dibuat dengan menggunakan material besi dengan ukuran diameter luar

sebesar 220 mm, tinggi 500 mm, dan mempunyai ketebalan dinding sebesar 10

mm. Pada bagian dalam boiler terdapat water heater element dengan daya 2000

Watt seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.15, di mana spesifikasi teknisnya

dapat dilihat pada Tabel 3.6.

Gambar 3.15 Water heater element 2000 Watt.

Tabel 3.6 Spesifikasi teknis water heater element 2000 Watt.

Nama Produk Water Heater Element

Material Stainless Steel

Tegangan 220 Volt AC

Daya 2000 Watt

Tube Diameter 10 mm (0,39 inchi)

Screw Diameter 4 mm (0,16 inchi)

Male Thread

Diameter 16 mm (0,6 inchi)

Warna Silver Tone

Ukuran

(L*D*H)

280 mm x 85 mm x 23 mm

(11 inchi x 3,3 inchi x 0,9 inchi)

Berat 252 gram


59

3.5.3. Evaporator dengan Water Heater Element 1000 Watt

Gambar 3.16 Evaporator.

Bagian evaporator yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada

Gambar 3.16. Sama halnya dengan boiler, evaporator juga dibuat dengan jenis

material besi dengan ukuran diameter luar sebesar 220 mm, tinggi 500 mm, dan

mempunyai ketebalan dinding sebesar 10 mm. Pada bagian dalam evaporator

terdapat water heater element dengan daya 1000 Watt seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 3.17, di mana spesifikasi teknisnya dapat dilihat pada Tabel 3.7.

Gambar 3.17 Water heater element 1000 Watt.


60

Tabel 3.7 Spesifikasi teknis water heater element 1000 Watt.

Nama Produk Water Heater Element

Material Stainless Steel

Tegangan 220 Volt AC

Daya 1000 Watt

Tube Diameter 10 mm (0,39 inchi)

Screw Diameter -

Thread Diameter 15 mm (0,59 inchi)

Warna Black-Grey

Ukuran

(L*W)

220 mm x 80 mm

(8,7 inchi x 3,1 inchi)

Berat 212 gram

3.5.4. Steam Ejector

Penelitian ini menggunakan steam ejector seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.18 dan mempunyai data teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.8. Steam

ejector dibuat dengan jenis material baja lunak (mild steel).

Gambar 3.18 Steam ejector.


61

Tabel 3.8 Spesifikasi teknis steam ejector.

Diameter Nozzle 2 mm

Jarak NXP

a. -5 mm

b. 0 mm

c. 5 mm

Diameter Pipa Secondary 33 mm

Diameter Suction Chamber 26,5 mm

Sudut Konvergen Suction

Chamber 18º

Diameter Mixing Chamber 8 mm

Sudut Divergen Diffuser 18,5º

Diameter Diffuser 24 mm

Panjang Steam Ejector

(Tanpa Mixing Chamber) 218,8 mm

Panjang Mixing Chamber 50 mm

3.5.5. Kondensor

Penelitian ini menggunakan kondensor yang dibuat dengan menggunakan

jenis material stainless steel dengan tebal dinding sebesar 2 mm seperti yang


Gambar 3.19 Kondensor.


62

3.5.6. Alat Ukur Temperatur

Alat ukur temperatur yang digunakan pada penelitian ini terdiri atas 2

(dua) bagian. Bagian yang pertama yaitu thermocouple type K seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.20 dan mempunyai spesifikasi teknis yang

ditunjukkan pada Tabel 3.9. Thermocouple type K digunakan sebagai alat untuk

melakukan pengukuran temperatur yang digunakan pada penelitian ini.

Gambar 3.20 Thermocouple type K.

Tabel 3.9 Spesifikasi teknis thermocouple type K.

Thermocouple

Type

Overall Range

(°C)

0,1 °C

Resolution

0,025 °C

Resolution

K -270 to 1370 -270 to 1370 -250 to 1370

Sedangkan bagian yang kedua adalah thermo display APPA seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.21 dan mempunyai spesifikasi teknis yang

ditunjukkan pada Tabel 3.10. thermo display APPA digunakan sebagai layar yang


63

menunjukkan besarnya nilai temperatur yang dihasilkan dari proses pembacaan

ukuran. Dalam aplikasinya, thermo display APPA disambungkan dengan

thermocouple type K.

Gambar 3.21 Thermo display APPA.

Tabel 3.10 Spesifikasi teknis thermo display APPA.

APPA

Type

Measurement

Range

Resolution

K-Type

Accuracy

Temperature

Coefficient

53II

-200 ºC

to

1372 ºC

0.1 ºC ≤

1000 ºC

3. ±0,3% + 1,1 ºC

at

-210 ºC to -100 ºC

4. ±0,1% + 0,8 ºC

at

-99 ºC to -999,9 ºC;

5. ±0,3% + 1 ºC

at

-1000 ºC to -1200 ºC

0,1 x (Spec

Acc.)/ ºC

< 18 ºC or > ºC


64

3.5.7. Alat Ukur Tekanan

Gambar 3.22 Bourdon tube pressure gauge.

Penelitian ini menggunakan alat ukur tekanan berupa bourdon tube

pressure gauge seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.22 dan mempunyai

spesifikasi teknis yang ditunjukkan pada Tabel 3.11.

Tabel 3.11 Spesifikasi teknis bourdon tube pressure gauge.

Bourdon Tube

Type

Overall

Range

(bar)

Overall

Range

(psi)

Resolution

(bar)

Resolution

(psi)

Tekiro AU

PG100C 0 to 6 0 to 80 0,25 2,5

3.5.8. Alat Ukur Debit Aliran

Penelitian ini menggunakan alat ukur debit aliran berupa orifice plate

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.23. orifice plate digunakan untuk

mengukur laju aliran massa dari suatu aliran. Karena orifice plate memiliki

perbedaan penampang pada kedua sisinya, maka akan menghasilkan perbedaan

tekanan yang dihasilkan oleh suatu aliran. Perbedaan tekanan aliran yang

dihasilkan akan dilakukan pembacaan ukuran melalui alat ukur Manometer Pipa


65

U Air Raksa sehingga dapat digunakan untuk melakukan perhitungan terhadap

besarnya laju aliran massa suatu aliran. Air raksa yang digunakan pada

Manometer Pipa U dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.24 beserta

dengan propertinya yang ditunjukkan pada Tabel 3.12.

Gambar 3.23 Orifice plate.

Gambar 3.24 Air raksa.

Tabel 3.12 Properti air raksa pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 ˚C [White,

2011].

No. Properti Nilai Satuan

1 Temperatur (T) 20 ˚C

2 Rapat massa (ρ) 13.550 kg/m3

3 Viskositas dinamik (μ) 1,56 x 10-3 N.s/m2

4 Viskositas kinematik (ν) 1,15 x 10-7 m2/s


66

3.5.9. Roll Meter

Pada penelitian ini roll meter digunakan sebagai alat bantu pembacaan

ukuran pada Manometer Pipa U Air Raksa. Bentuk dari roll meter yang

digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.25, sedangkan aplikasi

roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa dapat dilihat pada Gambar 3.26.

Gambar 3.25 Roll meter.

Gambar 3.26 Aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa.


67

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui performa steam ejector

berdasarkan nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER). Penelitian ini

menggunakan variasi tekanan kerja pada boiler (primary pressure), temperatur

kerja pada evaporator (secondary temperature), dan primary nozzle exit position

(NXP). Primary pressure (Pp) menggunakan 4 (empat) variasi tekanan, yaitu 1

bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar. Secondary temperature (Ts) menggunakan 4 (empat)

variasi temperatur, yaitu 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Sedangkan primary

nozzle exit position (NXP) menggunakan 3 (tiga) variasi ukuran, yaitu -5 mm, 0

mm, dan +5 mm.

Berbagai macam variasi yang dilakukan pada penelitian ini digunakan

untuk mengetahui besarnya nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER)

beserta dengan hubungan antara kedua nilai tersebut terhadap performa steam

ejector. Besarnya nilai entrainment ratio (ω) dan expansion ratio (ER) dapat

diketahui melalui grafik hasil penelitian beserta dengan pembahasan yang

disajikan pada pembahasan hasil penelitian berikut ini.

4.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment

Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Setiap


Entrainment ratio dapat diartikan sebagai perbandingan antara laju aliran

massa fluida sekunder (secondary mass flow rate) dengan laju aliran massa fluida

primer (primary mass flow rate) [Chandra dan Ahmed, 2014]. Primary mass flow

rate dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan kerja primary fluid. Primary mass

flow rate meningkat apabila primary temperature dan primary pressure

meningkat. Akan tetapi, kedua hal inilah yang dapat mengakibatkan nilai

entrainment ratio menurun [Ma et al., 2010].


68

4.1.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment

Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada

Secondary Temperature 50 ˚C

1 2 3 4

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Primary Pressure (bar)

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm

Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai

entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary

temperature 50 ˚C.

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio menurun seiring

dengan meningkatnya primary pressure. Primary pressure mempunyai nilai

tekanan yang sangat rendah saat melewati primary nozzle yang diakibatkan karena

efek penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan

antara tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder

(secondary pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat

dan terhisap ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Apabila

primary pressure terus meningkat dan mengakibatkan primary pressure lebih

besar daripada secondary pressure saat melewati primary nozzle, maka akan

terjadi back pressure. Back pressure terjadi karena area penghisapan (entrained

duct) pada area mixing chamber semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak

terhisap ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan primary fluid

mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada primary fluid


69

[Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. NXP +5 mm mempunyai nilai

entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0 mm dan NXP -5 mm.

Sedangkan back pressure tejadi pada NXP 0 mm dengan nilai entrainment ratio -

0,3652 pada primary pressure 1 bar, dan pada NXP -5 mm dengan nilai

entrainment ratio -0,1072 dan -0,0800 pada primary pressure 3 bar dan 4 bar.




1 2 3 4

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 60 ˚C.

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio menurun apabila

primary pressure meningkat. Primary pressure mempunyai nilai tekanan yang

sangat rendah saat melewati primary nozzle yang diakibatkan karena efek

penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan antara

tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder (secondary

pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat dan terhisap

ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Primary pressure yang


70

terus meningkat melebihi secondary pressure saat melewati primary nozzle akan

mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure terjadi karena area

penghisapan (entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak

terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan

mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena

besarnya tekanan pada primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0

mm dan NXP -5 mm, dimana terjadi back pressure dengan nilai entrainment ratio

-0,0625 pada primary pressure 4 bar. Untuk NXP 0 mm, back pressure terjadi

pada primary pressure 1 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,4049 dan

-0,1957. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada primary

pressure 3 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1071 dan -0,0904.




1 2 3 4

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 70 ˚C.


71

Gambar 4.3 menunjukkan bahwa meningkatnya primary pressure

mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun. Primary pressure mempunyai

nilai tekanan yang sangat rendah saat melewati primary nozzle karena efek

penyempitan penampang aliran (converging section). Perbedaan signifikan antara

tekanan fluida primer (primary pressure) dan tekanan fluida sekunder (secondary

pressure) mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid meningkat dan terhisap

ke dalam area mixing chamber [Sriveerakul et al., 2007]. Primary pressure yang

terus meningkat melebihi secondary pressure saat melewati primary nozzle akan

mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure terjadi karena area

penghisapan (entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak

terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan

mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena

besarnya tekanan pada primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal daripada NXP 0

mm dan NXP -5 mm, dimana terjadi back pressure pada primary pressure 3 bar

dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1159 dan -0,0756. Pada NXP 0 mm,

back pressure terjadi pada primary pressure 1 bar dan 4 bar dengan nilai

entrainment ratio -0,5307 dan -0,2320. Sedangkan pada NXP -5 mm, back

pressure terjadi pada primary pressure 1 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai

entrainment ratio -0,1802, -0,1217, dan -0,0800.




Gambar 4.4 menunjukkan bahwa back pressure sering terjadi pada

secondary temperature 80 ˚C. Back pressure terjadi karena area penghisapan

(entrained duct) semakin sempit, sehingga secondary fluid tidak terhisap

sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan mengakibatkan

primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator karena besarnya tekanan pada

primary fluid [Chunnanond dan Aphornratana, 2004]. Pada NXP -5 mm, back

pressure terjadi pada primary pressure 3 bar dan 4 bar dengan nilai entrainment


72

ratio -0,1265 dan -0,0835. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada primary

pressure 1 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,4430, -0,2798,

dan -0,2545. Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada primary

pressure 2 bar, 3 bar, dan 4 bar dengan nilai entrainment ratio -0,1618, -0,1022,

dan -0,0792. Dari grafik analisis pada secondary temperature 80 ˚C, dapat

disimpulkan bahwa tidak terdapat NXP yang mempunyai nilai entrainment ratio

optimal.

1 2 3 4

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 80 ˚C.

4.2. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment

Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada

Setiap Primary Pressure

Nilai entrainment ratio dipengaruhi oleh 2 (dua) faktor utama, yaitu laju

aliran massa fluida sekunder (secondary mass flow rate) dan laju aliran massa

fluida primer (primary mass flow rate). Primary mass flow rate dipengaruhi oleh

primary temperature dan primary pressure, sedangkan secondary mass flow rate

dipengaruhi oleh secondary temperature dan secondary pressure. Kecepatan

aliran pada secondary fluid akan meningkat apabila secondary pressure pada


73

saluran evaporator lebih besar daripada tekanan pada primary fluid yang melewati

primary nozzle. Hal ini mengakibatkan semakin banyaknya secondary fluid yang

terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, sehingga secondary

mass flow rate dan nilai entrainment ratio semakin meningkat [Chunnanond dan

Aphornratana, 2004].



Primary Pressure 1 bar

0 50 60 70 80

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Secondary Temperature (C)

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm


entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada

primary pressure 1 bar.

Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio semakin

meningkat seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Secondary

temperature yang semakin meningkat akan mengakibatkan secondary pressure

meningkat dan mempunyai tekanan yang lebih besar daripada primary pressure

yang telah melewati primary nozzle. Hal inilah yang mengakibatkan secondary

fluid banyak terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber dan

mengakibatkan kecepatan aliran secondary fluid semakin meningkat. Kecepatan


74

aliran secondary fluid meningkat akan mengakibatkan secondary mass flow rate

meningkat, sehingga nilai entrainment ratio semakin meningkat [Zhu dan Jiang,

2014]. NXP +5 mm mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal di antara

NXP 0 mm dan NXP -5 mm. Sedangkan pada NXP 0 mm, back pressure terjadi

untuk semua secondary temperature dengan nilai entrainment ratio -0,3652, -

0,4049, -0,5307, dan -0,4430 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C,

dan 80 ˚C. Back pressure yang terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak

terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana

tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada

secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir masuk ke

dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].




0 50 60 70 80

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm





75

Gambar 4.6 menunjukkan bahwa secondary temperature yang semakin

meningkat mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin meningkat. Nilai

entrainment ratio meningkat diakibatkan oleh besarnya secondary mass flow rate,

dimana secondary mass flow rate yang semakin meningkat dipengaruhi oleh

banyaknya secondary fluid yang terhisap oleh primary fluid ke dalam area mixing

chamber. Banyaknya secondary fluid yang terhisap ke dalam area mixing

chamber dipengaruhi oleh perbedaan tekanan antara secondary fluid pada saluran

evaporator dengan tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle, di mana

tekanan secondary fluid pada saluran evaporator lebih besar daripada tekanan

primary fluid saat melewati primary nozzle [Zhu dan Jiang, 2014]. NXP -5 mm

mempunyai nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP

+5 mm, walaupun nilai entrainment ratio sempat menurun dengan nilai 0,1271

pada primary pressure 2 bar. Sedangkan back pressure hanya terjadi satu kali

dengan nilai entrainment ratio -0,1618 pada primary pressure 4 bar untuk NXP

+5 mm. Back pressure terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap

sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana tekanan

primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada secondary fluid.

Hal ini mengakibatkan aliran primary fluid akan mengalir masuk ke dalam saluran

evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].




Gambar 4.7 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai entrainment ratio

yang optimal untuk variasi secondary temperature pada primary pressure 3 bar,

dimana back pressure sering terjadi pada kondisi pengoperasian ini. Pada NXP 0

mm, back pressure terjadi pada secondary temperature 80 ˚C dengan nilai

entrainment ratio sebesar -0,2798. Pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada

secondary temperature 70 ˚C dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,1159

dan -0,1022. Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi pada semua


76

secondary temperature dengan nilai entrainment ratio -0,1072, -0,1071, -0,1217,

dan -0,1265 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.

0 50 60 70 80

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm




Terjadinya back pressure diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak

terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area

penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber

menjadi sempit karena pengaruh meningkatnya primary pressure. Hal ini akan

mengakibatkan proses pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid

tidak berlangsung dengan optimal [Sriveerakul et al., 2007]. Back pressure juga

dipengaruhi oleh tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar

daripada secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir

masuk ke dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].


77




0 50 60 70 80

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio


NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm




Gambar 4.8 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai optimal pada

entrainment ratio, dimana nilai entrainment ratio cenderung tidak stabil untuk

meningkatnya secondary temperature dan banyaknya back pressure yang terjadi.

Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi pada secondary temperature 60 ˚C, 70 ˚C,

dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,1957, -0,2320, dan -0,2545. Pada

NXP +5 mm, back pressure juga terjadi pada secondary temperature 60 ˚C, 70

˚C, dan 80 ˚C dengan nilai entrainment ratio -0,0625, -0,0756, dan -0,0792.

Sedangkan pada NXP -5 mm, back pressure terjadi untuk semua secondary

temperature dengan nilai entrainment ratio -0,0800, -0,0904, -0,0800, dan -

0,0835 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Back pressure

yang terjadi diakibatkan oleh secondary fluid yang tidak terhisap sempurna oleh

primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained

duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber menjadi sempit karena


78

pengaruh meningkatnya primary pressure. Hal ini akan mengakibatkan proses

pencampuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak berlangsung dengan

optimal [Sriveerakul et al., 2007]. Selain itu, back pressure juga dipengaruhi oleh

tekanan primary fluid saat melewati primary nozzle lebih besar daripada

secondary fluid, sehingga mengakibatkan aliran primary fluid mengalir masuk ke

dalam saluran evaporator [Chunnanond dan Aphornratana, 2004].

4.3. Pengaruh Secondary Temperature Terhadap Nilai Expansion Ratio

Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada NXP -5 mm,

NXP 0 mm, dan NXP +5 mm

1 2 3 4

6

12

18

24

30

Ex

pa

nsi

on

Ra

tio


Secondary Temperature 50 C




Gambar 4.9 Grafik pengaruh secondary temperature terhadap nilai expansion

ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada NXP -5 mm, NXP 0

mm, dan NXP +5 mm.

Gambar 4.9 menunjukkan bahwa nilai expansion ratio semakin

meningkat seiring dengan meningkatnya primary pressure untuk semua primary

nozzle exit position (NXP). Expansion ratio merupakan perbandingan antara

tekanan pada fluida primer (primary pressure) dengan tekanan pada fluida

sekunder (secondary pressure) [Chandra dan Ahmed, 2014]. Oleh karena itu, nilai

expansion ratio mempunyai nilai yang tinggi pada saat nilai secondary


79

temperature paling rendah. Hal ini dapat dibuktikan melalui grafik pada Gambar

4.9, dimana nilai expansion ratio paling tinggi terletak pada secondary

temperature 50 ˚C dan terus meningkat seiring dengan meningkatnya primary

pressure dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan

32,3887 pada primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan 4 bar. Sedangkan nilai

expansion ratio paling rendah akan dihasilkan pada saat nilai secondary

temperature paling tinggi, dimana pada secondary temperature 80 ˚C

menghasilkan nilai expansion ratio paling rendah dan terus meningkat seiring

dengan meningkatnya primary pressure dengan nilai expansion ratio sebesar

2,1101, 4,2203, 6,3304, dan 8,4406 pada primary pressure 1 bar, 2 bar, 3 bar, dan

4 bar.

4.4. Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Expansion Ratio Dengan

Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada NXP -5 mm,

NXP 0 mm, dan NXP +5 mm

Gambar 4.10 menunjukkan bahwa nilai expansion ratio semakin

menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Expansion ratio

dapat diartikan sebagai perbandingan antara primary pressure dengan secondary

pressure [Chandra dan Ahmed, 2014], dimana nilai expansion ratio meningkat

apabila primary pressure meningkat dan secondary temperature menurun,

sedangkan nilai expansion ratio menurun apabila primary pressure menurun dan

secondary temperature meningkat. Hal ini dapat dibuktikan melalui grafik pada

Gambar 4.10, dimana nilai expansion ratio paling tinggi dihasilkan saat primary

pressure 4 bar dan terus menurun seiring dengan meningkatnya secondary

temperature dengan nilai expansion ratio sebesar 32,3887, 20,5761, 12,8246, dan

8,4406 pada secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C. Sedangkan

nilai expansion ratio paling rendah dihasilkan saat primary pressure 1 bar, dimana

nilainya terus menurun seiring dengan meningkatnya secondary temperature

dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 5,1440, 3,2062, dan 2,1101 pada

secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, dan 80 ˚C.


80

0 50 60 70 80

6

12

18

24

30

Ex

pa

nsi

on

Ra

tio






Gambar 4.10 Grafik pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio

dengan menggunakan variasi secondary temperature pada NXP -5 mm, NXP 0

mm, dan NXP +5 mm.

4.5. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara

Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap


Expansion ratio merupakan perbandingan antara primary pressure

dengan secondary pressure, sedangkan entrainment ratio merupakan

perbandingan antara secondary mass flow rate dengan primary mass flow rate

[Chandra dan Ahmed, 2014]. Nilai entrainment ratio akan meningkat apabila

secondary mass flow rate meningkat, dimana meningkatnya secondary mass flow

rate diakibatkan oleh secondary temperature yang meningkat. Secondary

temperature yang terus meningkat akan mengakibatkan secondary pressure

meningkat, sehingga nilai expansion ratio semakin menurun. Oleh karena itu,

terjadi hubungan yang berbanding terbalik antara nilai expansion ratio dengan

nilai entrainment ratio.


81

4.5.1. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara

Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary

Temperature 50 ˚C

0 8 12 16 20 24 28 32

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm

Gambar 4.11 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan

antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary

temperature 50 ˚C.

Gambar 4.11 menunjukkan bahwa semakin meningkatnya nilai

expansion ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun. Nilai

expansion ratio meningkat diakibatkan oleh semakin meningkatnya primary

pressure. Akan tetapi, dengan semakin meningkatnya primary pressure akan

mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun, dimana primary pressure yang

semakin meningkat akan mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid semakin

meningkat yang mengakibatkan primary mass flow rate meningkat [Ma et al.,

2010]. Tingginya nilai expansion ratio juga dapat mengakibatkan terjadinya back

pressure, dimana tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih

tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat

terhisap ke dalam area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct)

yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit, sehingga dapat

mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul


82

et al., 2007]. NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan

nilai entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm

dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 pada

nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887.



Temperature 60 ˚C

0 4 8 12 16 20

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 60 ˚C.

Gambar 4.12 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio akan menurun

seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio. Menurunnya nilai entrainment

ratio diakibatkan oleh primary pressure yang terus meningkat sehingga

mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid akan meningkat dan meningkatkan

primary mass flow rate [Ma et al., 2010]. Akan tetapi, hal inilah yang

mengakibatkan nilai expansion ratio meningkat, dimana primary pressure terus

meningkat melebihi secondary pressure yang dihasilkan oleh meningkatnya

secondary temperature. Dengan semakin meningkatnya nilai expansion ratio


83

dapat mengakibatkan terjadinya back pressure. Back pressure diakibatkan oleh

tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada

tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam

area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di

dalam area mixing chamber semakin sempit, sehingga dapat mengakibatkan

primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].

NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai

entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm, dimana

nilai entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,2136, 0,1175, dan 0,0842 pada

nilai expansion ratio sebesar 5,1440, 10,2881, dan 15,4321, kemudian terjadi back

pressure dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,0625 pada nilai expansion

ratio sebesar 20,5761.



Temperature 70 ˚C

0 2 4 6 8 10 12 14

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

train

men

t R

ati

o

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 70 ˚C.


84

Gambar 4.13 menunjukkan bahwa terjadi banyak back pressure seiring

dengan meningkatnya nilai expansion ratio untuk semua primary nozzle exit

position (NXP). Back pressure ditandai dengan terus menurunnya nilai

entrainment ratio, sehingga entrainment ratio mempunyai nilai negatif. Back

pressure sering terjadi pada NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar -

0,1802, -0,1217, dan -0,0800 pada nilai expansion ratio 3,2062, 9,6185, dan

12,8246. Back pressure terjadi karena tekanan primary fluid yang melewati

primary nozzle masih lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid, sehingga

secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam area mixing chamber karena area

penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber

semakin sempit. Hal tersebut mengakibatkan fluida campuran antara primary fluid

dan secondary fluid tidak mengalir menuju area ejector throat, melainkan dapat

mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam saluran evaporator [Sriveerakul

et al., 2007].



Temperature 80 ˚C

Gambar 4.14 menunjukkan bahwa tidak terdapat nilai optimal pada

hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary

temperature 80 ˚C untuk semua primary nozzle exit position (NXP). Back

pressure ditandai dengan terus menurunnya nilai entrainment ratio, sehingga

entrainment ratio mempunyai nilai negatif. Back pressure terjadi diakibatkan oleh

tekanan primary fluid yang melewati primary nozzle masih lebih tinggi daripada

tekanan secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap ke dalam

area mixing chamber karena area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di

dalam area mixing chamber semakin sempit. Hal tersebut mengakibatkan fluida

campuran antara primary fluid dan secondary fluid tidak mengalir menuju area

ejector throat, melainkan dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam

saluran evaporator [Sriveerakul et al., 2007].


85

0 2 4 6 8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

train

men

t R

ati

o

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



temperature 80 ˚C.

Back pressure sering terjadi pada NXP 0 mm dan NXP +5 mm. Pada

NXP 0 mm, back pressure terjadi pada nilai expansion ratio 2,1101, 6,3304, dan

8,4406 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,4430, -0,2798, dan -0,2545.

Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi pada nilai expansion ratio

4,2203, 6,3304, dan 8,4406 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1618, -

0,1022, dan -0,0792.

4.6. Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara

Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap

Primary Pressure

Semakin meningkatnya primary pressure akan mengakibatkan nilai

expansion ratio semakin meningkat. Di sisi lain, dengan semakin meningkatnya

primary pressure akan mengakibatkan kecepatan aliran primary fluid semakin

meningkat dan akan meningkatkan primary mass flow rate, sehingga nilai

entrainment ratio akan menurun [Ma et al., 2010]. Nilai expansion ratio yang

terus meningkat dapat mengakibatkan terjadinya back pressure, dimana tekanan


86

primary fluid yang melewati primary nozzle lebih tinggi daripada tekanan

secondary fluid, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna ke dalam

area mixing chamber, melainkan primary fluid dapat mengalir ke dalam saluran

evaporator [Sriveerakul et al., 2007].


Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary

Pressure 1 bar

0,0 2 4 6 8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm


antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 1

bar.

Gambar 4.15 menunjukkan bahwa nilai entrainment ratio semakin

menurun seiring dengan meningkatnya nilai expansion ratio. Menurunnya nilai

entrainment ratio diakibatkan karena primary pressure yang terus meningkat,

sehingga kecepatan aliran pada primary fluid semakin meningkat dan

mengakibatkan primary mass flow rate semakin meningkat [Ma et al., 2010].

Primary mass flow rate yang meningkat saat keluar dari primary nozzle

merupakan tanda bahwa tekanan pada primary fluid saat keluar dari primary

nozzle masih tinggi, dimana tekanan primary fluid saat keluar dari primary nozzle


87

lebih tinggi daripada tekanan pada secondary fluid. Hal inilah yang

mengakibatkan nilai entrainment ratio sangat rendah dan dapat terjadi back

pressure, dimana primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing

chamber melalui primary nozzle mempunyai tekanan yang tinggi dan secondary

fluid mempunyai tekanan dan kecepatan aliran yang rendah. Kecepatan aliran

yang rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate

sangat rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh

primary fluid ke dalam area mixing chamber, melainkan primary fluid dapat

mengalir ke dalam saluran evaporator karena tekanan pada primary fluid saat

melewati primary nozzle lebih besar daripada tekanan pada secondary fluid

[Sriveerakul et al., 2007]. Di sisi lain, primary pressure yang semakin meningkat

akan mengkibatkan nilai expansion ratio semakin meningkat, dimana

perbandingan antara primary pressure lebih besar daripada seondary pressure

[Chandra dan Ahmed, 2014]. Oleh karena itu, seiring dengan meningkatnya nilai

expansion ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin menurun.

NXP +5 mm mempunyai hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai

entrainment ratio paling optimal di antara NXP 0 mm dan NXP -5 mm dengan

nilai entrainment ratio sebesar 0,2571, 0,2336, 0,2136, dan 0,2100 pada nilai

expansion ratio 2,1101, 3,2062, 5,1440, dan 8,9072. Sedangkan pada NXP 0 mm,

back pressure terjadi pada untuk semua hubungan yang terjadi antara nilai

expansion ratio dan nilai entrainment ratio dengan nilai entrainment ratio sebesar

-0,4430, -0,5307, -0,4049, dan -0,3652 pada nilai expansion ratio 2,1101, 3,2062,

5,1440, dan 8,0972.



Pressure 2 bar

Gambar 4.16 menunjukkan bahwa semakin meningkat nilai expansion

ratio akan mengakibatkan nilai entrainment ratio semakin menurun. Hal ini

diakibatkan karena semakin meningkatnya primary pressure akan meningkatkan

nilai expansion ratio, dimana perbandingan antara primary pressure lebih besar


88

daripada secondary pressure yang dipengaruhi oleh secondary temperature

[Chandra dan Ahmed, 2014]. Akan tetapi, primary pressure yang terus meningkat

akan mengakibatkan nilai entrainment ratio menurun, dimana laju aliran pada

primary fluid saat melewati primary nozzle yang tinggi sehingga mengakibatkan

tingginya tekanan primary fluid pada ujung nozzle. Hal ini akan mengakibatkan

secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid ke dalam area

mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained duct) yang terbentuk di

dalam area mixing chamber semakin sempit. Akibat adanya perbedaan tekanan

primary fluid pada ujung nozzle dan secondary fluid pada saluran evaporator,

dimana tekanan primary fluid lebih tinggi daripada secondary fluid, maka primary

fluid tidak akan mengalir menuju bagian ejector throat dan menghisap secondary

fluid, melainkan primary fluid akan mengalir masuk ke dalam saluran evaporator.

Di sinilah terjadinya back pressure [Ma et al., 2010] [Sriveerakul et al., 2007].

0 4 6 8 10 12 14 16

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



bar.

Nilai optimal pada hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai

entrainment ratio terletak pada NXP -5 mm dengan nilai entrainment ratio

sebesar 0,1390, 0,1324, 0,1271, dan 0,1293 pada nilai expansion ratio sebesar


89

4,2203, 6,4123, 10,2881, dan 16,1943. Sedangkan back pressure terjadi pada

NXP +5 mm dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1618 pada nilai expansion

ratio sebesar 4,2203.



Pressure 3 bar

0 5 10 15 20 25

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

tra

inm

ent

Ra

tio

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



bar.

Gambar 4.17 menunjukkan bahwa tidak ada nilai optimal pada hubungan


bar, dimana terjadi banyak back pressure. Pada NXP -5 mm, back pressure terjadi

pada semua nilai pada hubungan antara nilai expansion ratio dengan nilai

entrainment ratio dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1265, -0,1217, -

0,1071, dan -0,1072 pada nilai expansion ratio sebesar 6,3304, 9,6185, 15,4321,

dan 24,2915. Pada NXP 0 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio

sebesar 6,3304 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,2798. Sedangkan pada

NXP +5 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio sebesar 6,3304 dan


90

9,6185 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,1022 dan -0,1159. Back pressure

terjadi diakibatkan oleh primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing

chamber melalui primary nozzle mempunyai tekanan yang tinggi, sedangkan

secondary fluid mempunyai tekanan dan kecepatan aliran yang rendah. Kecepatan

aliran yang rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate

sangat rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh

primary fluid ke dalam area mixing chamber, dimana area penghisapan (entrained

duct) yang terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Perbedaan

tekanan primary fluid pada ujung nozzle dengan tekanan secondary fluid pada

saluran evaporator, dimana tekanan primary fluid lebih tinggi daripada tekanan

secondary fluid, dapat mengakibatkan aliran primary fluid mengalir menuju

saluran evaporator dan menyebabkan terjadinya back pressure [Sriveerakul et al.,

2007].



Pressure 4 bar

Gambar 4.18 menunjukkan bahwa hubungan antara nilai expansion ratio

dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 4 bar tidak mempunyai nilai

optimal yang diakibatkan karena back pressure yang sering terjadi. Back pressure

terjadi diakibatkan oleh primary fluid yang mengalir masuk ke dalam area mixing

chamber melalui primary nozzle mempunyai kecepaan aliran dan tekanan yang

tinggi, sedangkan secondary fluid yang mengalir melalui saluran evaporator

mempunyai kecepatan aliran dan tekanan yang rendah. Kecepatan aliran yang

rendah pada secondary fluid mengakibatkan secondary mass flow rate sangat

rendah, sehingga secondary fluid tidak dapat terhisap sempurna oleh primary fluid

ke dalam area mixing chamber, karena area penghisapan (entrained duct) yang

terbentuk di dalam area mixing chamber semakin sempit. Sedangkan perbedaan

tekanan antara primary fluid dan secondary fluid yang terjadi pada ujung nozzle

dan saluran evaporator dapat mengakibatkan primary fluid mengalir ke dalam

saluran evaporator yang diakibatkan oleh tekanan primary fluid pada ujung nozzle


91

lebih tinggi daripada tekanan secondary fluid pada saluran evaporator


0 8 12 16 20 24 28 32

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

En

train

men

t R

ati

o

Expansion Ratio

NXP -5 mm

NXP 0 mm

NXP +5 mm



bar.

Pada NXP -5 mm, back pressure terjadi untuk semua hubungan yang

terjadi antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio, dengan nilai

entrainment ratio sebesar -0,0835, -0,0800, -0,0904, dan -0,0800 pada nilai

expansion ratio sebesar 8,4406, 12,8246, 20,5761, dan 32,3887. Pada NXP 0 mm,

back pressure terjadi pada nilai expansion ratio sebesar 8,4406, 12,8246, dan

20,5761 dengan nilai entrainment ratio sebesar -0,2545, -0,2320, dan -0,1957.

Sedangkan pada NXP +5 mm, back pressure terjadi saat nilai expansion ratio

sebesar 8,4406, 12,8246, dan 20,5761 dengan nilai entrainment ratio sebesar -

0,0792, -0,0756, dan -0,0625.


92

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian dan analisis tentang performa steam ejector

berdasarkan nilai entrainment ratio dan expansion ratio untuk variasi primary

pressure dan secondary temperature terhadap pengaruh primary nozzle exit

position (NXP), maka dapat diambil beberapa kesimpulan sesuai dengan tujuan

penelitian yang ingin dicapai sebagai berikut:

1. Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada nilai

entrainment ratio untuk setiap secondary temperature dengan

menggunakan variasi pada primary pressure. Nilai entrainment ratio

semakin menurun seiring dengan meningkatnya primary pressure. Dari

variasi NXP yang dilakukan, yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5

mm, nilai entrainment ratio yang optimal dihasilkan NXP +5 mm pada

secondary temperature 50 ˚C, 60 ˚C, dan 70 ˚C dengan nilai entrainment

ratio sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 untuk secondary

temperature 50 ˚C; 0,2136, 0,1175, 0,0842, dan -0,0625 untuk secondary

temperature 60 ˚C; 0,2336, 0,1099, -0,1159, dan -0,0756 untuk

secondary temperature 70 ˚C.

2. Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada nilai

entrainment ratio untuk setiap primary pressure dengan menggunakan

variasi pada secondary temperature. Nilai entrainment ratio semakin

meningkat seiring dengan meningkatnya secondary temperature. Dari

variasi NXP yang dilakukan, yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5

mm, nilai entrainment ratio yang optimal dihasilkan NXP +5 mm pada

primary pressure 1 bar dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,2100,

0,2136, 0,2336, dan 0,2571, serta NXP -5 mm pada primary pressure 2

bar dengan nilai entrainment ratio sebesar 0,1293, 0,1271, 0,1324, dan

0,1390.


93

3. Secondary temperature mempunyai pengaruh pada nilai expansion ratio

dengan menggunakan variasi primary pressure pada semua primary

nozzle exit position (NXP), yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5

mm. Semakin rendah secondary temperature menghasilkan nilai

expansion ratio yang tinggi dan semakin meningkat seiring dengan

meningkatnya primary pressure. Nilai expansion ratio paling tinggi

dihasilkan pada secondary temperature 50 ˚C dengan nilai expansion

ratio sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887, sedangkan nilai

expansion ratio paling rendah dihasilkan pada secondary temperature 80

˚C dengan nilai expansion ratio sebesar 2,1101, 4,2203, 6,3304, dan

8,4406.

4. Primary pressure mempunyai pengaruh pada nilai expansion ratio

dengan menggunakan variasi secondary temperature pada semua

primary nozzle exit position (NXP), yaitu NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan

NXP +5 mm. Semakin tinggi primary pressure akan menghasilkan nilai

expansion ratio yang tinggi dan akan menurun seiring dengan

meningkatnya secondary temperature. Nilai expansion ratio paling tinggi

dihasilkan pada primary pressure 4 bar dengan nilai expansion ratio

sebesar 32,3887, 20,5761, 12,8246, dan 8,4406, sedangkan nilai

expansion ratio paling rendah dihasilkan pada primary pressure 1 bar

dengan nilai expansion ratio sebesar 8,0972, 5,1440, 3,2062, dan 2,1101.

5. Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada hubungan

antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio untuk setiap

secondary temperature. Nilai entrainment ratio semakin menurun seiring

dengan meningkatnya nilai expansion ratio, dimana hubungan antara

nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio yang optimal terletak

pada NXP +5 mm pada secondary temperature 50 ˚C dan 60 ˚C. Untuk

secondary temperature 50 ˚C, nilai entrainment ratio yang dihasilkan

sebesar 0,2100, 0,1151, 0,0829, dan 0,0644 pada nilai expansion ratio

sebesar 8,0972, 16,1943, 24,2915, dan 32,3887. Sedangkan untuk


94

secondary temperature 60 ˚C, nilai entrainment ratio yang dihasilkan

sebesar 0,2136, 0,1175, 0,0842, dan -0,0625 pada nilai expansion ratio

sebesar 5,1440, 10,2881, 15,4321, dan 20,5761.

6. Primary nozzle exit position (NXP) mempunyai pengaruh pada hubungan

antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio untuk setiap

primary pressure. Nilai entrainment ratio semakin menurun seiring

dengan meningkatnya expansion ratio. Hubungan antara nilai expansion

ratio dan nilai entrainment ratio yang optimal terletak pada NXP +5 mm

pada primary pressure 1 bar dan NXP -5 mm pada primary pressure 2

bar. Untuk NXP +5 mm pada primary pressure 1 bar, nilai entrainment

ratio yang dihasilkan sebesar 0,2571, 0,2336, 0,2136, dan 0,2100 pada

nilai expansion ratio sebesar 2,1101, 3,2062, 5,1440, dan 8,9072.

Sedangkan untuk NXP -5 mm pada primary pressure 2 bar, nilai

entrainment ratio yang dihasilkan sebesar 0,1310, 0,1324, 0,1271, dan

0,1293 pada nilai expansion ratio sebesar 4,2203, 6,4123, 10,2881, dan

16,1943.

5.2. Saran

Setelah melakukan penelitian dan analisis tentang performa steam

ejector, terdapat beberapa macam hal yang perlu diperhatikan dan dilakukan

perbaikan, antara lain:

1. Pipa saluran pada evaporator dipasang hingga dasar tabung evaporator,

sehingga fenomena pada steam ejector terlihat lebih jelas dan dapat

menghasilkan grafik analisis penelitian yang lebih baik.

2. Pada bagian ejector dan ejector throat dipasang pressure manifold untuk

jarak tertentu. Hal ini dilakukan agar dapat mengetahui pressure drop

dan fenomena aliran fluida yang melewati seluruh bagian steam ejector.

3. Mengoptimalkan kinerja pada bagian kondensor.

4. Sistem grounding pada kelistrikan steam ejector perlu diperhatikan

dengan lebih cermat. Hal ini perlu dilakukan mengingat besarnya daya


95

listrik yang dibutuhkan sebagai sumber tenaga pada water heater element

pada bagian boiler maupun evaporator.

5. Diperlukan penelitian lebih lanjut tentang steam ejector, sehingga dapat

digunakan untuk mengetahui dan menentukan performa pada steam

ejector yang paling baik.


96

DAFTAR PUSTAKA

Akterian, S. (2011) : Improving the Energy Efficiency of Traditional Multi Stage

Steam Jet Ejector Vacuum Systems for Deodorizing Edible Oils, 11th

International Congress on Engineering and Food (ICEF11), 1, 1785-

1791.

Aphornratana, S., Eames, I. W. (1997) : A Small Capacity Steam Ejector

Refrigerator: Experimental Investigation of a System Using Ejector With

Moveable Primary Nozzle, International Journal of Refrigeration, 20,

352-358.

Besagni, G., Mereu, R., Inzoli, F. (2016) : Ejector Refrigeration: A

Comprehensive Review, Journal of Renewable and Sustainable Energy

Review, 53, 373-407.

Cardemil, J. M., Colle, S. (2012) : A General Model for Evaluation of Vapor

Ejectors Performance for Application in Refrigeration, Journal of Energy

Conversion and Management, 64, 79-86.

Chandra, V. V., Ahmed, M. R. (2014) : Experimental and Computational Studies

on a Steam Jet Refrigeration System With Constant Area and Variable

Area Ejectors, Journal of Energy Conversion and Management, 79, 377-

386.

Chen, J., Jarall, S., Havtun, H., Palm, B. (2015) : A Review on Versatile Ejector

Applications in Refrigeration System, Journal of Renewable and

Sustainable Energy Review, 49, 67-90.

Chunnanond, K., Aphornratana, S. (2004) : An Experimental Investigation of a

Steam Ejector Refrigerator: The Analysis of the Pressure Profile Along

the Ejector, Journal of Applied Thermal Engineering, 24, 311-322.

Fiyanto, A., Mulaika, H., Hidayati, N., Shahab, N., Guerrero, L. (2010).

“Batubara Mematikan - Bagaimana Rakyat Indonesia Membayar Mahal

Untuk Bahan Bakar Terkotor di Dunia”. Walhi: Greenpeace Asia

Tenggara.

Ismantoro, A. P. (2016). “Analisis Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy

Mesin PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang”,

Tugas Akhir, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma,

Yogyakarta.

Ma, X., Zhang, W., Omer, S. A., Riffat, S. B. (2010) : Experimental Investigation

of a novel Steam Ejector Refrigerator Suitable for Solar Energy

Applications, Journal of Applied Thermal Engineering, 30, 1320-1325.


97

Meyer, A. J., Harms, T. M., Dobson, R. T. (2009) : Steam Jet Ejector Cooling

Powered by Waste or Solar Heat, Journal of Renewable Energy, 34, 297-

306.

Moran, M. J., Shapiro, H. N. (2004). “Termodinamika Teknik Jilid 1”. Edisi ke-4.

(Terjemahan: Ir. Yulianto Sulistyo Nugroho, M.Sc., Ph.D.; Editor:

Wayan Santika, S.T., M.M., Wibi Hardani, S.T., M.M.). Jakarta: Penerbit

Erlangga.

Moran, M. J., Shapiro, H. N. (2006). “Fundamentals of Engineering

Thermodynamics: SI Version”. 5th Edition. Chichester, England: John

Wiley & Sons, Ltd.

Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., Huebsch, W. W. (2009).

“Fundamentals of Fluid Mechanics”. 6th Edition. United States of

America: John Willey & Sons, Inc.

Petrenko, V. O. (2014). “Ejector Refrigeration Technologies Center”. Ukraina:

Odessa National Academy of Food Technologies (ONAFT).

Ruangtrakoon, N., Thongtip, T., Aphornratana, S., Sriveerakul, T. (2013) : CFD

Simulation on the Effect of Primary Nozzle Geometries for a Steam

Ejector in Refrigeration Cycle, International Journal of Thermal

Sciences, 63, 133-145.

Ruangtrakoon, N., Aphornratana, S. (2014) : Development and Performance of

Steam Ejector Refrigeration System Operated in Real Application in

Thailand, International Journal of Refrigeration, 48, 142-152.

Sriveerakul, T., Aphornratana, S., Chunnanond, K. (2007) : Performance

Prediction of Steam Ejector Using Computational Fluid Dynamics: Part

1. Validation of the CFD Results, International Journal of Thermal

Sciences, 46, 812-822.

Tashtoush, B., Alshare, A., Al-Rifai, S. (2015) : Performance Study of Ejector

Cooling Cycle at Critical Mode Under Superheated Primary Flow,

Journal of Energy Conversion and Management, 94, 300-310.

Triatmodjo, B. (2014). “Hidraulika 1”. Cetakan ke-14. Yogyakarta: Beta Offset.

Triatmodjo, B. (2013). “Hidraulika 2”. Cetakan ke-9. Yogyakarta: Beta Offset.

White, F. M. (2011). “Fluid Mechanics”. 7th Edition. New York: McGraw-Hill

Companies, Inc.

Yu, J., Chen, H., Ren, Y., Li, Y. (2006) : A New Ejector Refrigeration System

with an Additional Jet Pump, Journal of Applied Thermal Engineering,

26, 312-319.


http://www.onaft.edu.ua/

98

Zed, F., Suharyani, Y. D., Rasyid, A., Hayati, D., Rosdiana, D., Mohi, E.,

Santhani, F., Pambudi, S. H., Malik, C., Santosa, J., Nurohim, A. (2014).

“Outlook Energi Indonesia 2014”. Jakarta: Biro Fasilitasi Kebijakan

Energi dan Persidangan - Direktorat Jenderal Dewan Energi Nasional.

Zhu, Y., Jiang, P. (2014) : Experimental and Numerical Investigation of the Effect

of Shock Wave Characteristics on the Ejector Performance, International

Journal of Refrigeration, 40, 31-42.


99

LAMPIRAN

Lampiran A: Sistem Steam Ejector

Lampiran A.1. Gambar Keseluruhan Sistem Steam Ejector


100

Lampiran A.2. Gambar Penampang Aliran Pada Steam Ejector


101

Lampiran B: Gambar Teknik Komponen Utama Steam Ejector

Lampiran B.1. Gambar Teknik Primary Nozzle


102

Lampiran B.2. Gambar Teknik Suction Chamber


103


104

Lampiran B.3. Gambar Teknik Mixing Chamber


105

Lampiran B.4. Gambar Teknik Ejector Throat


106

Lampiran B.5. Gambar Teknik Subsonic Diffuser


107

Lampiran C: Data Pengamatan

Lampiran C.1. Data Pengamatan Untuk NXP -5 mm

No

Boiler (Primary Fluid) Evaporator (Secondary Fluid) Outlet Ejector

Pp Tp Δh Ts 1 Ts 2 Δh To Δh

(bar) (˚C) (mm Hg) (˚C) (˚C) (mm Coolant) (˚C) (mm Coolant)

1

1

110,3 60 50 49,6 2 95,3 30

2 109,6 40 60 59,6 1 96,9 40

3 109,8 70 70 69,8 -1 96,4 8

4 110,0 52 80 79,5 1 97,6 10

5

2

123,1 150 50 49,6 9 92,9 22

6 122,6 140 60 58,9 4 95,7 10

7 123,0 142 70 69,7 3 97,7 4

8 123,4 130 80 79,6 2 97,3 34

9

3

131,1 214 50 49,5 -16 91,5 6

10 130,5 200 60 58,7 -8 86,3 -6

11 131,0 202 70 68,9 -10 93,6 6

12 130,6 206 80 78,1 -8 88,5 8

13

4

140,1 340 50 49,5 -16 89,5 -20

14 139,6 348 60 59,7 -20 93,5 -16

15 139,5 358 70 69,6 -6 90,3 -12

16 140,4 336 80 79,6 -4 87,4 -10


108

Lampiran C.2. Data Pengamatan Untuk NXP 0 mm

No




1

1

113,2 50 50 49,5 -2 97,1 1

2 111,5 60 60 59,6 -3 96,5 -2

3 112,6 30 70 69,4 -4 96,4 -3

4 110,1 40 80 79,8 -1 96,9 -4

5

2

123,0 120 50 49,8 2 96,8 -2

6 122,0 140 60 59,6 1 94,7 -4

7 118,3 110 70 69,9 1,5 95,1 -6

8 120,5 130 80 79,8 0,5 93,4 -8

9

3

129,5 200 50 49,6 4 90,3 10

10 130,1 230 60 59,9 6 90,9 4

11 130,8 206 70 69,8 2 94,3 -10

12 130,4 200 80 79,5 -4 91,9 -6

13

4

140,6 354 50 49,2 5 90,2 -10

14 141,6 350 60 59,6 -6 95,5 -6

15 140,8 310 70 69,3 -8 96,3 2

16 139,2 340 80 79,9 -10 91,6 -5


109

Lampiran C.3. Data Pengamatan Untuk NXP +5 mm

No




1

1

109,8 48 50 49,8 4 96,1 6

2 109,6 52 60 59,9 3 94,7 20

3 110,0 60 70 69,6 4 95,6 15

4 109,7 40 80 79,9 2 97,4 6

5

2

123,0 146 50 49,7 4 92,3 30

6 122,7 130 60 59,5 2 93,9 24

7 122,5 150 70 69,6 1 96,1 18

8 122,3 140 80 79,6 -6 96,7 4

9

3

130,9 210 50 49,6 3 92,4 -6

10 131,0 214 60 59,5 2 92,2 -4

11 130,5 220 70 69,9 -9 87,6 -5

12 130,8 200 80 79,6 -2 94,3 -10

13

4

139,9 336 50 49,5 4 85,7 12

14 140,1 346 60 59,7 -2 85,8 14

15 139,7 350 70 69,6 -4 89,8 14

16 140,0 340 80 79,4 -3 86,6 26


110

Lampiran D: Data Hasil Analisis

Lampiran D.1. Data Hasil Analisis Untuk NXP -5 mm


(bar) (˚C) (mm Hg) (˚C) (˚C) (mm Coolant ) (˚C) (mm Coolant )

1 110,3 60 50 49,6 2 95,3 30 0,1768 0,0269 8,0972

2 109,6 40 60 59,6 1 96,9 40 0,1964 0,0228 5,1440

3 109,8 70 70 69,8 -1 96,4 8 -0,1802 0,0028 3,2062

4 110,0 52 80 79,5 1 97,6 10 0,2136 0,0023 2,1101

5 123,1 150 50 49,6 9 92,9 22 0,1293 0,0197 16,1943

6 122,6 140 60 58,9 4 95,7 10 0,1271 0,0057 10,2881

7 123,0 142 70 69,7 3 97,7 4 0,1324 0,0014 6,4123

8 123,4 130 80 79,6 2 97,3 34 0,1390 0,0080 4,2203

9 131,1 214 50 49,5 -16 91,5 6 -0,1072 0,0054 24,2915

10 130,5 200 60 58,7 -8 86,3 -6 -0,1071 -0,0034 15,4321

11 131,0 202 70 68,9 -10 93,6 6 -0,1217 0,0021 9,6185

12 130,6 206 80 78,1 -8 88,5 8 -0,1265 0,0019 6,3304

13 140,1 340 50 49,5 -16 89,5 -20 -0,0800 -0,0179 32,3887

14 139,6 348 60 59,7 -20 93,5 -16 -0,0904 -0,0091 20,5761

15 139,5 358 70 69,6 -6 90,3 -12 -0,0800 -0,0043 12,8246

16 140,4 336 80 79,6 -4 87,4 -10 -0,0835 -0,0023 8,4406

No Pressure Lift Ratio Expansion Ratio

Evaporator (Secondary Fluid ) Outlet EjectorBoiler (Primary Fluid )

4

3

2

1

Entrainment Ratio


111

Lampiran D.2. Data Hasil Analisis Untuk NXP 0 mm



1 113,2 50 50 49,5 -2 97,1 1 -0,3652 0,0009 8,0972

2 111,5 60 60 59,6 -3 96,5 -2 -0,4049 -0,0011 5,1440

3 112,6 30 70 69,4 -4 96,4 -3 -0,5307 -0,0011 3,2062

4 110,1 40 80 79,8 -1 96,9 -4 -0,4430 -0,0009 2,1101

5 123,0 120 50 49,8 2 96,8 -2 0,2529 -0,0018 16,1943

6 122,0 140 60 59,6 1 94,7 -4 0,2392 -0,0023 10,2881

7 118,3 110 70 69,9 1,5 95,1 -6 0,2937 -0,0021 6,4123

8 120,5 130 80 79,8 0,5 93,4 -8 0,2596 -0,0019 4,2203

9 129,5 200 50 49,6 4 90,3 10 0,2181 0,0090 24,2915

10 130,1 230 60 59,9 6 90,9 4 0,2422 0,0023 15,4321

11 130,8 206 70 69,8 2 94,3 -10 0,2312 -0,0036 9,6185

12 130,4 200 80 79,5 -4 91,9 -6 -0,2798 -0,0014 6,3304

13 140,6 354 50 49,2 5 90,2 -10 0,1744 -0,0090 32,3887

14 141,6 350 60 59,6 -6 95,5 -6 -0,1957 -0,0034 20,5761

15 140,8 310 70 69,3 -8 96,3 2 -0,2320 0,0007 12,8246

16 139,2 340 80 79,9 -10 91,6 -5 -0,2545 -0,0012 8,4406

No

Boiler (Primary Fluid ) Evaporator (Secondary Fluid ) Outlet Ejector

1

3

4

Entrainment Ratio Pressure Lift Ratio Expansion Ratio

2


112

Lampiran D.3. Data Hasil Analisis Untuk NXP +5 mm



1 109,8 48 50 49,8 4 96,1 6 0,2100 0,0054 8,0972

2 109,6 52 60 59,9 3 94,7 20 0,2136 0,0114 5,1440

3 110,0 60 70 69,6 4 95,6 15 0,2336 0,0053 3,2062

4 109,7 40 80 79,9 2 97,4 6 0,2571 0,0014 2,1101

5 123,0 146 50 49,7 4 92,3 30 0,1151 0,0269 16,1943

6 122,7 130 60 59,5 2 93,9 24 0,1175 0,0137 10,2881

7 122,5 150 70 69,6 1 96,1 18 0,1099 0,0064 6,4123

8 122,3 140 80 79,6 -6 96,7 4 -0,1618 0,0009 4,2203

9 130,9 210 50 49,6 3 92,4 -6 0,0829 -0,0054 24,2915

10 131,0 214 60 59,5 2 92,2 -4 0,0842 -0,0023 15,4321

11 130,5 220 70 69,9 -9 87,6 -5 -0,1159 -0,0018 9,6185

12 130,8 200 80 79,6 -2 94,3 -10 -0,1022 -0,0023 6,3304

13 139,9 336 50 49,5 4 85,7 12 0,0644 0,0108 32,3887

14 140,1 346 60 59,7 -2 85,8 14 -0,0625 0,0080 20,5761

15 139,7 350 70 69,6 -4 89,8 14 -0,0756 0,0050 12,8246

16 140,0 340 80 79,4 -3 86,6 26 -0,0792 0,0061 8,4406

No

Boiler (Primary Fluid ) Evaporator (Secondary Fluid ) Outlet Ejector

Entrainment Ratio Expansion Ratio

1

2

3

4

Pressure Lift Ratio


investigasi eksperimental efek nozzle exit … · wherein its operation could utilize waste heat...

Documents