INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO SKRIPSI

Transkripsi

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

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

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

4 SKRIPSI INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO Disusun oleh : ADITIA PRATAMA ABDI 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. iii

5 SKRIPSI INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO Yang dipersiapkan dan disusun oleh : ADITIA PRATAMA ABDI 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.... Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Mengetahui, Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. iv

6 PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ILMIAH Saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Aditia Pratama Abdi NIM : menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi saya yang berjudul: INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO 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. Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Penulis, Aditia Pratama Abdi v

7 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 : Demi kepentingan pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta karya ilmiah saya dengan judul: INVESTIGASI EKSPERIMENTAL EFEK NOZZLE EXIT POSITION STEAM EJECTOR TERHADAP PARAMETER ENTRAINMENT RATIO DAN EXPANSION RATIO 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. Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Penulis, Aditia Pratama Abdi vi

8 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 vii

9 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 viii

10 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 ix

11 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. Yogyakarta, 24 Agustus 2016 Penulis x

12 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. xi

13 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 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian... 8 BAB II DASAR TEORI Steam Ejector Tipe Steam Ejector Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) New Ejector Refrigeration System (NERS) - ERS With an Additional Jet Pump Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) xii

14 2.3. Aplikasi Steam Ejector Steam Jet Ejector for Deodorizing Edible Oils Steam Ejector Refrigeration System in Thailand Komponen Utama Steam Ejector Primary Nozzle Mixing Chamber Ejector Throat Subsonic Diffuser Kondisi Pengoperasian Steam Ejector Parameter Performa Steam Ejector Entrainment Ratio (ω) Pressure Lift Ratio (PR) Expansion Ratio (ER) Fenomena Aliran Steam Ejector Compressible Flow Supersonic Nozzle dan Subsonic Diffuser Converging of Primary Nozzle Mach Number (Ma) Reynolds Number (Re) Hukum Gas Ideal Kinematika Fluida Aliran Invisid dan Viskos Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel Aliran Laminer dan Turbulen Aliran Mantap dan Tak Mantap Aliran Seragam dan Tidak Seragam Viskositas (Kekentalan) Hukum Newton Tentang Kekentalan Zat Cair Pengukuran Debit Aliran Teori Hambatan Bernoulli (Bernoulli Obstraction Theory) xiii

15 Orifice Plate BAB III METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Alat Penelitian Sistem Alat Penelitian Sistem Steam Ejector Variabel Penelitian Variabel Bebas Variabel Terikat Prosedur Penelitian Alat Penelitian Fluida Kerja Boiler dengan Water Heater Element 2000 Watt Evaporator dengan Water Heater Element 1000 Watt Steam Ejector Kondensor Alat Ukur Temperatur Alat Ukur Tekanan Alat Ukur Debit Aliran Roll Meter BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Setiap Secondary Temperature Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 50 C xiv

16 Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 60 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 70 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Primary Pressure Pada Secondary Temperature 80 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Setiap Primary Pressure Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 1 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 2 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 3 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Nilai Entrainment Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada Primary Pressure 4 bar xv

17 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 Pengaruh Primary Pressure Terhadap Nilai Expansion Ratio Dengan Menggunakan Variasi Secondary Temperature Pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Secondary Temperature Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 50 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 60 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 70 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Secondary Temperature 80 C Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Setiap Primary Pressure xvi

18 Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 1 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 2 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 3 bar Pengaruh Primary Nozzle Exit Position Terhadap Hubungan Antara Nilai Expansion Ratio dan Nilai Entrainment Ratio Pada Primary Pressure 4 bar BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xvii

19 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Grafik tingkat produksi dan penjualan batu bara tahun Gambar 1.2 Skema sistem pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga uap Gambar 1.3 Skematik sederhana steam ejector sebagai sistem pendinginan Gambar 1.4 Constant-pressure Mixing Ejector dan Constant-area Mixing Ejector Gambar 2.1 Skematik kecepatan aliran dan tekanan pada setiap bagian steam ejector Gambar 2.2 Conventional Ejector Refrigeration System (CERS) Gambar 2.3 COP vs condenser pressure Gambar 2.4 Entrainment ratio vs ejector back pressure Gambar 2.5 New Ejector Refrigeration System (NERS) Gambar 2.6 ERS with an additional ejector by Yu et al. (2006) Gambar 2.7 COP vs back pressure pada CERS dan NERS Gambar 2.8 Multi-stage Ejector Refrigeration System (MERS) Gambar 2.9 Three Parallel MERS Gambar 2.10 Desain gambar 3D sistem vacuum dengan menggunakan steam ejector yang diproduksi oleh Eko Zora, Ltd (Bulgaria) Gambar 2.11 Steam ejector refrigeration system saat digunakan sebagai air conditioning system Gambar 2.12 Komponen utama steam ejector Gambar 2.13 Kondisi pengoperasian pada steam ejector Gambar 2.14 Efek kondisi pengoperasian terhadap performa steam ejector Gambar 2.15 Primary mass flow vs boiler temperature xviii

20 Gambar 2.16 Critical condenser pressure (critical back pressure) vs evaporator temperature Gambar 2.17 Perbandingan antara area ratio dan Mach number untuk compressible flow dengan nilai k = 1, Gambar 2.18 Normal shock wave Gambar 2.19 Perbedaan antara supersonic nozzle dan subsonic diffuser.. 29 Gambar 2.20 Kondisi pengoperasian pada converging nozzle Gambar 2.21 Aliran laminer, transisi, dan turbulen Gambar 2.22 Developing velocity profiles and pressure change Gambar 2.23 Aliran laminer - kecepatan aliran rendah Gambar 2.24 Aliran laminer dalam pipa Gambar 2.25 Aliran turbulen - kecepatan aliran tinggi Gambar 2.26 Aliran turbulen dalam pipa Gambar 2.27 Newtonian shear distribution Gambar 2.28 Tegangan geser pada dua penampang paralel Gambar 2.29 Perubahan tekanan dan kecepatan pada Bernoulli Obstruction Meter Gambar 2.30 Grafik hubungan antara Red dan Cd untuk Thin Plate Orifice Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Gambar 3.2 Skema sistem alat penelitian Gambar 3.3 Sistem steam ejector Gambar 3.4 Steam ejector yang digunakan pada penelitian Gambar 3.5 Penampang aliran pada steam ejector Gambar 3.6 Komponen steam ejector pada penelitian beserta dengan ukurannya Gambar 3.7 Primary nozzle exit position (NXP) +5 mm Gambar 3.8 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP +5 mm Gambar 3.9 Primary nozzle exit position (NXP) 0 mm xix

21 Gambar 3.10 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP 0 mm Gambar 3.11 Primary nozzle exit position (NXP) -5 mm Gambar 3.12 Variasi pada steam ejector dengan menggunakan NXP -5 mm Gambar 3.13 Diagram alir prosedur pelaksanaan penelitian Gambar 3.14 Boiler Gambar 3.15 Water heater element 2000 Watt Gambar 3.16 Evaporator Gambar 3.17 Water heater element 1000 Watt Gambar 3.18 Steam ejector Gambar 3.19 Kondensor Gambar 3.20 Thermocouple type K Gambar 3.21 Thermo display APPA Gambar 3.22 Bourdon tube pressure gauge Gambar 3.23 Orifice plate Gambar 3.24 Air raksa Gambar 3.25 Roll meter Gambar 3.26 Aplikasi roll meter pada Manometer Pipa U Air Raksa Gambar 4.1 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 50 C Gambar 4.2 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 60 C Gambar 4.3 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 70 C Gambar 4.4 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi primary pressure pada secondary temperature 80 C xx

22 Gambar 4.5 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 1 bar Gambar 4.6 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 2 bar Gambar 4.7 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 3 bar Gambar 4.8 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap nilai entrainment ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada primary pressure 4 bar 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 4.10 Grafik pengaruh primary pressure terhadap nilai expansion ratio dengan menggunakan variasi secondary temperature pada NXP -5 mm, NXP 0 mm, dan NXP +5 mm 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 4.12 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary temperature 60 C Gambar 4.13 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary temperature 70 C xxi

23 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada secondary temperature 80 C Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 1 bar Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 2 bar Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 3 bar Grafik pengaruh primary nozzle exit position terhadap hubungan antara nilai expansion ratio dan nilai entrainment ratio pada primary pressure 4 bar xxii

24 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat aliran berdasarkan nilai Mach number (Ma) Tabel 3.1 Keterangan simbol pada skema sistem alat penelitian Tabel 3.2 Variabel bebas pada penelitian Tabel 3.3 Variabel terikat pada penelitian Tabel 3.4 Tekanan dan temperatur pada boiler dan evaporator, beserta dengan ukuran NXP yang digunakan pada penelitian Tabel 3.5 Properti air pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 C Tabel 3.6 Spesifikasi teknis water heater element 2000 Watt Tabel 3.7 Spesifikasi teknis water heater element 1000 Watt Tabel 3.8 Spesifikasi teknis steam ejector Tabel 3.9 Spesifikasi teknis thermocouple type K Tabel 3.10 Spesifikasi teknis thermo display APPA Tabel 3.11 Spesifikasi teknis bourdon tube pressure gauge Tabel 3.12 Properti air raksa pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 C xxiii

25 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A.1 Gambar Keseluruhan Sistem Steam Ejector Lampiran A.2 Gambar Penampang Aliran Pada Steam Ejector Lampiran B.1 Gambar Teknik Primary Nozzle Lampiran B.2 Gambar Teknik Suction Chamber Lampiran B.3 Gambar Teknik Mixing Chamber Lampiran B.4 Gambar Teknik Ejector Throat Lampiran B.5 Gambar Teknik Subsonic Diffuser Lampiran C.1 Data Pengamatan Untuk NXP -5 mm Lampiran C.2 Data Pengamatan Untuk NXP 0 mm Lampiran C.3 Data Pengamatan Untuk NXP +5 mm Lampiran D.1 Data Hasil Analisis Untuk NXP -5 mm Lampiran D.2 Data Hasil Analisis Untuk NXP 0 mm Lampiran D.3 Data Hasil Analisis Untuk NXP +5 mm xxiv

26 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 m 2 36 A* Luas penampang saluran kritis m 2 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 du dy Gradien kecepatan aliran m/s 40 xxv

27 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 Tidak ada satuan 28 pada saluran inlet Ma2 Mach number pada saluran outlet Tidak ada satuan 28 NXP Primary Nozzle Exit mm 5 Position P* Tekanan kritis Pa atau N/m 2 31 P0 Tekanan stagnasi Pa atau N/m 2 30 Pb Tekanan back pressure Pa atau N/m 2 31 Pb* Critical back pressure kpa 16 Pb1 Back pressure pada kpa 15 ejector 1 Pb2 Back pressure pada kpa 15 ejector 2 Pb3 Back pressure pada kpa 15 ejector 3 Pc Condenser pressure kpa 14 Pe Tekanan pada primary Pa atau N/m 2 31 nozzle outlet Po Tekanan pada outlet bar 50 ejector Pp Primary pressure bar 26 Ps Secondary pressure bar 25 PR Pressure lift ratio Tidak ada satuan 25 p Tekanan Pa atau N/m 2 29 Q Debit aliran m 3 /s 36 R Konstanta gas ideal m 2 /s 2. K 27 Re Reynolds number Tidak ada satuan 32 xxvi

28 T0 Temperatur pada kondisi K 27 stagnasi T Temperatur K 32 To Temperatur pada outlet K 49 ejector 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 mm 50 pada Manometer Pipa U ΔP Perbedaan tekanan pada Pa atau N/m 2 50 Manometer Pipa U β Rasio geometri Tidak ada satuan 41 diameter pipa saluran dan diameter orifice plate μ Viskositas dinamik N.s/m 2 33 ρ Rapat massa kg/m 3 29 ρ0 Rapat massa pada kg/m 3 27 kondisi stagnasi τ Tegangan geser pada N/m 2 40 hukum Newton tentang kekentalan zat cair ν Viskositas kinematik m 2 /s 33 ω Entrainment ratio Tidak ada satuan 12 xxvii

29 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 [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

30 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 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

31 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

32 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

33 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, constantpressure 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

34 6 penelitian tentang variasi ukuran NXP dengan menggunakan variasi pada primary pressure dan secondary temperature yang mempunyai pengaruh terhadap performa pada steam ejector 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.

35 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 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.

36 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 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.

37 BAB II DASAR TEORI 2.1. Steam Ejector Steam ejector pertama kali dikembangkan oleh Le Blance dan Charles Parsons pada tahun 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 9

38 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] 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: 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

39 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].

40 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] 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.

41 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.

42 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] 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].

43 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

44 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] Aplikasi Steam Ejector Terdapat berbagai macam fungsi steam ejector yang dapat diaplikasikan dalam berbagai macam bidang. Berbagai macam aplikasi steam ejector tersebut antara lain: 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

45 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 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] 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

46 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 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 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].