KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH PERUBAHAN GEOMETRI EJECTOR PADA PERFORMA SISTEM REFRIGERASI STEAM EJECTOR Rudy Kurniawan 1), MSK Tony Suryo Utomo 2), Saiful 2) 1)Magister Teknik Mesin Program Pasca Sarjana Universitas Diponegoro Semarang E-mail: rudikurniawan44433@yahoo.com 2)Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro Semarang Abstrak Ejector adalah bagian yang paling berpengaruh terhadap performansi siklus ini, kinerja ejector dapat dilihat dari besarnya nilai entrainment ratio yaitu perbandingan laju aliran massa dari boiler dengan laju aliran massa dari evaporator. Peningkatan nilai entrainment ratio dapat meningkatkan nilai COP sistem refrigerasi, oleh karena hal penting dilakukan penelitian karakteristik dan desain efisien dari ejector untuk memperbaiki performansinya. Dalam penelitian ini akan dibangun suatu siklus ejector refrigeration skala kecil sehingga dapat diuji pengaruh pengaruh dari kondisi operasi serta bentuk geometri dari ejector terhadap entrainment ratio serta COP dari siklus tersebut. Perubahan geometri ejector yang dilakukan dengan memvariasi jarak nozzle terhadap mixing chamber dari ejector yaitu pada jarak NXP (nozzle exit position), -25mm, 0mm, 25mm, 50mm, 75mm dan memvariasikan diameter nosel 2.3 mm,3.0 mm 3.5 mmserta kondisi operasi tekanan dari boiler yaitu pada tekanan tekanan boiler 5 kg/cm2, Hasil eksperimen menunjukkan performansi optimum diperoleh pada jarak NXP = 25 mm dan pada diameter nozzle 3.5 dan tekanan boiler 5 kg/cm2 dengan entrainment ratio 0,573 dan COP 0,339. Kata kunci: COP, ejector refrigeration, entrainment ratio, nozzle exit position. Pendahuluan Teknologi ejector refrigeration telah lama diketahui dan dikembangkan, pertama kali ditemukan oleh Charles Parsons awal tahun 1900. Ejector pertama kali digunakan pada steam jet refrigeration system oleh Maurice Leblanc dan menjadi sistem refrigerasi gedung gedung besar saat itu sampai tahun 1930. Kemudian setelah ditemukan kompresor, siklus ini digantikan oleh siklus kompresi uap akibatnya penelitian dan pengembangan dari jet refrigeration system hampir sama sekali tidak dilakukan lagi [1]. Siklus sistem refrigerasi steam ejector menyerupai siklus kompresi uap konvensional, namun pada sistem refrigerasi ini fungsi kompresor digantikan oleh steam ejector, pompa cairan (liquid feed pump), dan boiler.refrigeran dididihkan didalam boiler sehingga berubah fasa menjadi uapyang bertekanan dan bertemperatur tinggi, uap refrigeran ini disebut dengan primary fluid.primary fluid ini akan mengalir masuk menuju nozzel yang kemudian mengembang dan menghasilkan tekanan rendah beserta kecepatan supersonik pada daerah keluaran nozzel.hal tersebut menyebabkan uap refrigeran pada evaporator yang bertekanan dan bertemperatur rendah akan terbawa masuk bercampur dengan primary fluid di mixing chamber pada steam ejector sehingga menyebabkan tekanan dan temperature refrigeran pada evaporator menjadi rendah.keuntungan dari system refrigerasi ejektor antara lain memiliki konstruksi yang sederhana, tidak mengalami korosi kimia dan menggunakan air sebagai refrigeran. Satu titik lemah dari system refrigerasi ejektor adalah CoefisienOf Performance(COP) dan kapasitas pendinginan yang rendah. Sehingga tujuan dari penelitian ini untuk mendapatkan kapasitas pendinginan yang diinginkan dengan cara melakukan perubahan geometri pada ejector. Studi Pustaka Dengan merubah bentuk geometri steam ejector diharapkan dapat meningkatkan nilai entrainment ratio dan COP pada sistem refrigerasi steam ejector.salah satu bentuk perubahan geometri dari ejector adalah dengan merubah diameter nozzel dan (Nozzle Exit Position) NXP. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-1
Penelitian mengenai pengaruh dari perubahan NXP terhadap performansi steam ejector refrigerasi,telah dilakukan oleh A.J. Meyer, T.M. Harms, R.T. Dobson (2009) [1] dalam penelitiannya Steam Ejector Cooling Powered by Low Grade Waste or Solar Heat. NXP dapat didefinisikan sebagai jarak dari saluran keluar nozzel utama ke saluran masuk ruang pencampuran. NXP diukur dalam mm dan bernilai positif bila keluaran nozzel utama mendekati atau masuk ke ruang pencampuran sebaliknya apabila NXP bernilai negatif keluaran nozzel menjauhi ruang pencampuran [2]. Definisi tentang NXP diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Difinisi NXP [1]. Hasil dari pengukuran yang dilakukan oleh A.J. Meyer, T.M. Harms, R.T. Dobson (2009) [2] untuk perbandingan Grafik COP electrik dengan NXP adalah pada posisi keluaran nozzel -5 mm pada temperatur boiler (Tb) 90 C didapat nilai COP yang tertinggi dan untuk NXP diatas 0 sampai 40 mm didapat nilai COP semakin menurun. Jika NXP menjauhi lubang masuk dari ruang mixing chamber, COP yang dicapai akan rendah. Sama halnya apabila NXP terlalu masuk ke dalam ruang mixing chamber COP yang dicapai akan rendah juga [1]. Pada Gambar 2 menunjukkan hasil pengukuran NXP terhadap COP yang telah diakukan oleh A.J. Meyer, T.M. Harms, R.T. Dobson (2009) [1]. Gambar 2. Grafik Hasil Pengukuran NXP Terhadap COP Oleh A.J Majer [1]. Peneliti lainnya yaitu Riffat dan Omer (2001) dan Da-Wen dan Eames (1995 ) mencoba mempelajari NXP pada kinerja ejector uap,mereka menemukan bahwa NXP memiliki efek besar pada kinerja ejector uap jarak posisi nozzel sangat menentukan dimana aliran motif dan sekender benar-benar tercampur [2].Posisi nozzel akan berpengaruh pada kecepatan aliran motif dan performasi steam ejector. Ketika nozzel Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-2
diletakkan tepat diujung masuk throat maka turbulensi di mixing chamber berkurang,entrainmen ratio akan berkurang apabila nozzel berada dekat mixing tube (Somsak Watanawanavet,2005)[3]. Metodologi Penelitian Aliran proses penelitian yang dilakukan ditunjukkan pada Gambar 3. dibawah ini. Gambar 3. Diagram alir Metodologi Penelitian Dalam penelitian ini terdapat tiga proses pengambilan data pengujian yang dilakukan secara bersamaan yaitu: 1. Proses pengambilan data untuk mengukur laju aliran massa dari primary flow eksperimental. 2. Proses pengambilan data untuk mengukur laju aliran massa dari secondary flow eksperimental. 3. Proses pengambilan data untuk mengukur distribusi tekanan di sepanjang dinding ejector. Proses Pengujian Laju Aliran Massa Primary Flow Proses pengujian laju aliran massa primery flow eksperimental dari boiler yang dihasikan pada variasi NXP dan variasi Diameter nosel steam ejector dilakukan dengan cara mengukur perubahan voleme refrigeran (air) yang keluar dari pendinginan kondensor pada setiap pengujian dalam waktu tertentu dikurangi dengan volume air yang dihiapp oleh evaporator.. Sehingga laju aliran massa primary flow yang dihisap ejektor dihitung menggunakan persamaan: = ρ Q = ρ ( Δv/t ) (1) Dengan asumsi bahwa perubahan volume air yang dipanaskan pada Boiler adalah sama dengan laju aliran massa yang dihisap oleh steam ejector dikurangi dengan volume air yang dihisap evaporator. Dimana: Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-3
Q = ΔV/Δt (m 3 ) (2) Q = Perubahan volume air ΔV (m 3 ) yang terjadi dibagi perubahan waktu Δt (detik) yang terukur selama proses pengujian berlangsung pada tekanan motive konstan 5 kg/cm 2. ΔV = A x (Δh) (3) =( /4) Δh = Perubahan ketinggian air Proses Pengujian Laju Aliran Massa Secondary Flow Proses pengujian laju aliran massa secondary flow eksperimental dari evaporator yang dihasikan pada variasi s NXP dan variasi Diameter nosel steam ejector dilakukan dengan cara mengukur beda ketinggian level air pada tabung ukur evaporator pada setiap pengujian untuk mengetahui perubahan volume air di dalam tabung evaporator dalam waktu tertentu. Sehingga laju aliran massa secondary flow yang dihisap ejektor dihitung menggunakan persamaan: m = ρq = ρ( V / t) s (4) Dengan asumsi bahwa perubahan volume air yang dipanaskan pada evaporator adalah sama dengan laju aliran massa yang dihisap oleh steam ejector. Dimana: Q = ΔV/Δt (m 3 ) (5) Q= Perubahan volume air ΔV (m3) yang terjadi pada evaporator dibagi perubahan waktu Δt (detik) yang terukur selama proses pengujian berlangsung pada tekanan motive konstan 5 kg/cm2. ΔV = A x (Δh) (6) A =(π/4)d A = Luas penampang evaporator (m2) dengan diameter tabung evaporator (D) = 6 inch = 0.1524 m Δh = Perubahan ketinggian air pada evapotaor diukur dengan tabung ukur pada evaporator (m). Proses Pengujian Distribusi Tekanan Statik Dinding Ejector Proses pengujian distribusi tekanan statik pada dinding ejector dilakukan untuk mengetahui besarnya tekanan aliran yang terjadi pada dinding sepanjang ejector yang diukur mulai dari posisi keluaran primary nozel (NXP = 75 mm) sebelum titik 1 sampai pada ujung keluaran bagian divergen di titik 8. Pengukuran tekanan sepanjang ejektor dilakukan pada variasi sudut dinding konvergen dan panjang throat ejector. Pembagian titik distribusi tekanan ejector ditunjukkan pada Gambar 3.21. Posisi titik 1 dan 2 adalah tetap sementara posisi titik 3 sampai titik 8 akan berubah tergantung pada variasi panjang throat yang akan diukur. Tekanan setiap titik pada dinding sepanjang ejektor diukur manggunakan manometer U. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-4
Gambar 4. Pembagian titik distribusi tekanan statik sepanjang ejector. Alat Pengujian Alat uji refrigerasi steam ejektor yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari boiler sebagai penghasil uap, ejektor, condensor, evaporator, pompa untuk mensirkulasi air pendingin pada kondenser dan beberapa alat ukur yang diperlukan seperti manometer tabung U, termometer, pressure gate dan orifice plat. Pada penelitian ini akan mengukur entrainment ratio steam ejector dan kinerja sistem refrigrasi steam ejector yang dihasilkan, jadi uap yang keluar dari ejektor di kondensasi di kondenser kemudian keluar ke reservoir yang berhubungan langsung dengan udara luar tanpa disirkulasikan kembali ke boiler dan evaporator. Keterangan : 1. Boiler 12 Water heater Evaporator 3 kw 2. Water heater boiler 12 kw 13. Display temperatur 3. Saklar water heater 14. Manometer 4. Gelas ukur boiler a. Manometer tekanan evaporator 5. Pressure Gauge b. Manometer tekanan condensor 6. Gate valve c. Manometer tekanan orifice plat 7. Orifice Plate Flowmeter d. Manometer distribusi tekanan ejector 8. Ejector 15. Cooling water. 9. Condensor 16. Reservoir 10. Evaporator 17. Thermokopel 11. Gelas ukur evaporator Gambar 5. Mesin uji steam ejector refrigeration. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-5
Prosedur Pengujian Prosedur pengujian yang dilakukan untuk mengukur laju aliran massa primary flow dari boiler dan secoundary flow dari evaporator serta distribusi tekanan statik sepanjang dinding ejector adalah sebagai berikut: 1. Setting alat seperti pada gambar 5 diameter nozzel 2.5 mm. 2. Posisikan saklar heater boiler evaporator pada posisi on. 3. Tunggu sampai tekanan boiler mencapai 6 kg/cm 2 dan Temperatur evaporator mencapai titik didik air pada temperatur 97 C dan temparatur uap 90 C. kemudian buka gate valve pada boiler secara perlahan sampai tekanan boiler sama dengan tekanan motive yang ditentukan sebelum masuk ke nozel primer. 4. Pada saat tekanan boiler sama dengan tekanan motive sebelum masuk nozzel primer yaitu 5 kg/cm 2 : a. Catat temperatur air dan temperatur uap pada boiler, evaporator dan kondensor. b. Catat beda level air raksa pada manometer orifice flowmeter untuk menghitung laju aliran massa pada primary flow. c. Catat waktu dan perubahan level air pada tabung ukur evaporator untuk menghitung perubahan volume dan laju aliran massa pada aliran sekunder (aliran suction). d. Catat tekanan pada evaporator, kondensor dan distribusi tekanan dinding sepanjang ejektor menggunakan manometer U. e. Catat selisih temperatur coling water pada kondensor. f. Ukur volume air yang keluar dari kondensor untuk menghitung laju aliran massa primer. Hasil dan Pembahasan Pembahasan hasil penelitian dibagi menjadi lima pokok bahasan, yaitu: (i) Pengaruh diameter nosel dan NXP untuk entraiment rasio performa dan (COP) (ii) Rasio kompresi dan rasio ekspansi sistem refrigerasi steam ejector. Pengaruh Perubahan Geometri Ejector (Diameter Nozzle dan NXP) terhadap Entrainmen Ratio Sistem Refrigerasi Steam Ejector Pengaruh Geometri perubahan diameter nozzle dan NXP terhadap entrainment ratio Sistem Refrigerasi Steam Ejector ditunjukkan pada Gambar 6. Meningkatnya nilai NXP pada diameter nozzel yang sama menyebabkan nilai entrainment ratio steam ejector sistem meningkat selanjutnya menurun seiring dengan naiknya NXP. Pada diameter nozzel 2.5 mm NXP -25 mm diperoleh nilai entrainmen ratio 0.5099, saat nilai NXP 0 mm nilai entrainmen ratio menurun menjadi 0,5076 kemudian pada NXP 50 mm nilai entrainmen ratio meningkat mencapai nilai maksimum yaitu 0.5286. Selanjutnya pada NXP 75 mm nilai entrainment ratio menurun mencapai nilai 0.5264.Untuk diameter nozzel 3,0 mm NXP -25 mm diperoleh nilai entrainmen ratio 0.5383, saat nilai NXP 0 mm nilai entrainment ratio naik menjadi 0,5579 nilai entranmen ratio mencapai makimum pada NXP 25 mm 0,5602, kemudian pada NXP 50 mm nilai entrainmen ratio menurun 0.5598. Selanjutnya pada NXP 75 mm nilai entrainmen ratio meningkat mencapai nilai 0.5601. Pada diameter nozzel 3.5 mm NXP -25 mm diperoleh nilai entrainmen ratio 0.5505, nilai entrainmen ratio meningkat seiring dengan meningkatnya nilai NXP sampai mencapai nilai maksimum pada NXP 25 mm yaitu 0.5738 setelah mencapai nilai maksimum selanjutnya nilai entrainmen ratio menurun pada NXP 50 mm mencapai 0.5680 dan nilai entrainmen ratio menurun lagi pada NXP 75 mm mencapai nilai 0.5519. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-6
Gambar 6. Pengaruh NXP terhadap entrainmen ratio steam ejector padaperubahan diameter nozzle. Pengaruh Perubahan Geometri Ejector (Diameter Nozzle dan NXP) terhadap COP Gambar 7 menunjukkan pengaruh diameter nozzle dan NXP terhadap nilai COP sistem refrigerasi steam ejector. Pada diameter nozzle 2.5 mm dengan NXP 25 mm, dicapai nilai COP 0,3013, nilai COP menurun pada NXP 0 mm 0.30 dan COP mencapai nilai tertinggi pada NXP 50 mm dengan nilai 0,3124.Selanjutnya pada NXP 75 mm diperoleh nilai COP 0.3110. Untuk diameter nozzel 3.0 mm dengan NXP 25 mm COP diperoleh 0,3181. COP mencapai nilai maksimum pada NXP 25 mm dengan nilai 0,3311 kemudian nilai COP menurun dengan besarnya NXP. Pada diameter nozzel 3.5 mm dengan NXP 25 mm, nilai COP yang dihasilkan yaitu 0,3253 dan pada NXP 25 mm diperoleh niali COP tertinggi dengan nilai 0,3391 selanjutnya COP menurun besarnya NXP 75 diperoleh nilai 0,3261. Gambar 7. Pengaruh NXP terhadap COP steam ejector pada perubahan diameter nozzle. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-7
Kesimpulan Setelah dilakukan penelitian dengan menggunakan alat uji sistem refrigerasi steam ejector skala laboratorium dengan perubahan diameter nosel (2.5 mm,3.0 mm, 3.5 mm) dan NXP ( -25 mm, 0 mm, 25 mm, 50 mm dan 75 mm), dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Perubahan Geometri Ejector (diameter nosel dan NXP) ternyata mempengaruhi nilai entrainment ratio ejector dan COP sistem refrigerasi steam ejector. Perubahan nilai entrainment ratio dan COP sistem signifikan terjadi pada tiap perubahan diameter nosel dan NXP yang diteliti. 2. Semakin besar diameter nozzel dan semakin panjang NXP pada tekanan motive 5 kg/cm 2 dan panjang trut 72 mm menyebabkan nilai entrainment ratio ejector dan COP sistem refrigerasi steam ejector mengalami peningkatan sampai pada posisi tertentu dan kemudian menurun dengan mengacu pada peningkatan NXP. Nilai entrainment ratio ejector dan COP sistem optimal diperoleh pada diameter nosel tertinggi 3.5 mm dengan NXP 25 mm dengan nilai 0,573 dan 0,339 Daftar Pustaka A.J. Meyer, T.M. Harms, R.T. Dobson, 2009, Steam jet ejector cooling powered by wast or solar, Renewable Energy Journal, 34 (2009) hal. 297 306 elsevier. Riffat, S. B., and Omer, S.A., 2001, CFD Modelling and Experimental Investigation of an Ejector Refrigeration System Using Methanol as the Working Fluid, Int. J.Energy Res., 25, Somsak Watanawanavet, 2005, Optimization of High-Effeciency Jet Ejector By Computational Fluid Dynamics Software Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE18-8