BAB II DASAR TEORI 2.1 Sejarah Tabung Vortex Tabung vortex ditemukan oleh G.J. Ranque pada tahun 1931 dan kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Prog. Hilsch pada tahun 1947. Tabung vortex menghasilkan separasi udara keluaran dingin dan panas, dengan sumber energi udara mampat. Temperatur aliran udara panas dan dingin yang keluar dari tabung vortex dapat bervariasi tergantung pengaturan tekanan dan fraksi massa keluaran untuk proses pendinginan ataupun pemanasan dengan cara mengatur bukaan katup. Gambar 2.1. Tabung vortex (Oliver, 2008) 2.2 Komponen-komponen tabung vortex dan fungsinya Tabung vortex merupakan rangkaian dari komponen nosel, vortex chamber, body (tube) dan katup sumbat (hot end valve). Nosel Nosel berfungsi untuk menghasilkan kecepatan tangensial aliran udara untuk membentuk pusaran aliran udara. 5
Gambar 2.2 Nosel Tabung Vortex Chamber Chamber adalah selubung nosel yang berfungsi untuk mengatur aliran udara bertekanan agar kuantitas udara yang memasuki nosel sama besarnya. Gambar 2.3 Chamber Tabung Vortex Katup Sumbat (Hot end plug) Katup sumbat berfungsi untuk mengatur separasi aliran pusar dan laju aliran udara pada sisi keluaran panas dan secara bersamaan mengatur laju udara dingin yang keluar dari tabung vortex. Gambar 2.4 Katup Sumbat Tabung Vortex Orifice / diafragma Orifice adalah lubang keluaran akhir aliran pusar sekunder dengan keluaran udara dingin yang terdapat pada bagian tengah nosel. Gambar 2.5 Diafragma Tabung Vortex 6
Tabung silinder Tabung silinder merupakan jalur separasi aliran pusar udara primer dan aliran pusar udara sekunder. 2.3 Cara kerja sistem Gambar 2.6 Prinsip Kerja Tabung Vortex (Oliver, 2008) Udara terkompresi dilewatkan melalui alur nosel sehingga udara berekspansi pada kecepatan tinggi dengan arah tangensial membentuk pusaran udara. Aliran udara pusar primer bergerak secara aksial sepanjang sisi tabung. Setelah mencapai ujung tabung, aliran pusar primer membentur katup sumbat, antara katup sumbat dan pipa terdapat celah. Sebagian udara pusar primer akan keluar melalui celah tersebut sebagai keluaran udara panas. Sebagian udara lainnya membentur katup sumbat dan berbalik arah membentuk aliran pusar sekunder. Sepanjang pipa terdapat dua aliran pusar dengan diameter pusaran yang berbeda. Aliran pusar primer membentuk pusaran spiral dengan diameter yang lebih besar. Diameter pusaran udara primer terluar mencapai dinding dalam silinder. Aliran pusar sekunder berada di bagian dalam aliran pusar primer. Sepanjang tabung terdapat dua aliran berpusar berlawanan arah, antara kedua pusaran terdapat daerah stagnasi yang membentuk loop dan terjadinya perpindahan panas antara pusaran udara sekunder dan pusaran udara primer. Perpindahan panas tersebut menurut Ahlborn seperti prinsip pendinginan atau pompa kalor siklus refrigerasi udara (heat pump air cycle) (Oliver, 2008). Aliran pusar sekunder akan keluar melalui orifice sebagai udara dingin keluaran. Dengan 7
mengatur bukaan katup, divariasikan. kuantitas dan temperatur udara dingin dapat Gambar 2.7 Penggambaran proses heat pump air cycle (Oliver, 2008) Proses yang terjadi diantaranya: 3 c : Pada poses ini terjadi penyerapan energi kalor dari aliran udara sekunder. c 4 : Pada proses ini terjadi kompresi adiabatik. 4-1 - 2 : Pelepasan panas ke udara primer. 2 3 : Proses ekspansi adiabatik dari tekanan udara primer yang lebih tinggi ke tekanan udara sekunder yang lebih rendah. 2.4 Analisis Termodinamika Tabung vortex a. Hukum Konservasi Massa Laju aliran massa udara yang masuk tabung vortex sama dengan laju aliran massa udara yang keluar. Laju aliran massa udara masuk berupa laju aliran massa udara mampat, sedangkan laju aliran massa udara keluar terdiri dari laju aliran massa aliran udara dingin, dan laju aliran massa udara panas,, sehingga: =..... (2.1) = +. (2.2) 8
b. Perubahan Temperatur Separasi 1. Penurunan temperatur udara dingin, T d [ C] merupakan perbedaan temperatur antara temperatur udara mampat masukan, T m [ C] dengan temperatur udara dingin keluaran, T d [ C] T d = T m T d....(2.3) 2. Penurunan temperatur udara dingin akibat ekspansi isentropik, T d, i [ C] merupakan penurunan temperatur antara temperatur udara mampat masukan, T m [ C] dengan temperatur udara akibat ekspansi isentropik, T d, i [ C]. T d, i = T m - T d, i = T m....(2.4) dimana: P m = tekanan masuk [bar] P a = tekanan atmosfir [bar] = perbandingan panas jenis udara 3. Kenaikan temperatur udara panas, T p [ C] merupakan perbedaan temperatur antara temperatur udara panas keluaran, T p [ C] dengan temperatur udara mampat masukan, T m [ C] T p = T p + T m... (2.5) c. Debit Udara Standar (1atm standar, 20⁰C) Debit udara dalam perhitungan selalu menggunakan udara pada kondisi standar, [L/s] sehingga diperlukan koreksi terhadap debit udara yang terbaca pada alat pengukur debit udara, [L/s]. S =....(2.6) 9
Keterangan: Laporan Tugas Akhir Pg = 101.325 + Pd'[kPa]..(2.7) T = 273 + Td'[K]....... (2.8) Dimana, P d ' = Tekanan udara dingin keluaran yang terukur dekat rotameter meter [kpa] Td'= Temperatur udara dingin keluaran yang terukur dekat rotameter meter [ C] d. Fraksi Massa Udara pada Tabung Vortex Fraksi massa udara dingin Fraksi massa udara dingin didefinisikan sebagai perbandingan antara laju aliran massa udara dingin, masukkan, [kg/s] dengan laju aliran massa udara [kg/s]. laju aliran massa udara merupakan fungsi dari densitas udara, ρ dan debit udara dingin keluaran, d. µ d = (2.9) µ d =....... (2.10) Pada keadaan standar (T = 20 C, p = 1 atm, ρ = 1.23 kg/m 3 ), sehingga µ d = =..... (2.11) e. Kapasitas Pendinginan pada Tabung Vortex: Besarnya kapasitas pendinginan tabung vortex, d [kw] merupakan perkalian antara laju aliran udara dingin keluaran, d [kg/s] dengan kalor spesifik, c p [kj/kg.k] dan penurunan temperatur udara dingin, ΔT d [ C] d= d. c p. ΔT d..(2.12) f. Efisiensi Adiabatik Efisiensi adiabatik merupakan hasil dari perkalian antara fraksi massa udara dingin, (µ d ) dengan penurunan temperatur udara dingin, T d [ C] 10
dibagi dengan penurunan temperatur udara dingin akibat ekspansi isentropik, T d, i [ C ] = =.... (2.13) =.. (2.14) Berdasarkan persamaan (2.9) dan (2.14) didapat = µ d...(2.15) dimana: d = laju aliran massa udara dingin keluaran [kg/s] = laju aliran massa udara masukan [kg/s] c p = Kalor spesifik udara [kj/kg.k] 2.5 Kelebihan dan Kekurangan Tabung Vortex Kelebihan - Tidak ada bagian yang bergerak - Tidak menggunakan listrik dan bahan kimiawi - Tidak menggunakan refrigeran - Murah, kecil, ringan, temperatur yang dihasilkan dapat diatur Kekurangan - Temperatur tergantung tekanan udara input - Efisiensi kecil - Kapasitas pendinginan rendah - Perubahan nilai temperatur udara dingin yang dihasilkan rendah 11