SKRIPSI PENGARUH RATIO CONVERGENT DAN DIVERGENT …

i

SKRIPSI

PENGARUH RATIO CONVERGENT DAN DIVERGENT

NOZZLE PADA STEAM EJECTOR

Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh

Gelar Sarjana Strata 1 (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma

Oleh:

YANA RESTI YANTO

165214001

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2020

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

INFLUENCE OF RATIO CONVERGENT AND DIVERGENT

NOZZLE ON STEAM EJECTOR

FINAL PROJECT

As practial fulfillment of the requirements to obtain the Bachelor Degree in

Mechanical Engineering

By:

YANA RESTI YANTO

Student Number: 165214001

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2020






vii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas

berkat rahmat serta kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini

dengan judul “Pengaruh Ratio Convergent Dan Divergent Nozzle Pada Steam

Ejector”.

Penulisan skripsi ini bertujuan untuk memenuhi sebagian syarat

memperoleh gelar sarjana bagi mahasiswa program S1 pada program studi

Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universtias Sanata

Dharma Yogyakarta. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari

kesempurnaan, oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

membangun dari semua pihak demi kesempurnaan skripsi ini. Selesainya skripsi

ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak, sehingga pada kesempatan ini

penulis dengan penuh rasa hormat mengucapkan terima kasih yang sebesar-

besarnya kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan moril maupun

materil secara langsung maupun tidak langsung kepada:

1. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma.

2. Budi Setyahandana, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

3. Stefan Mardikus, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang telah banyak

membantu dan memberikan bimbingan dalam pengerjaan Skripsi dan

Tugas Akhir ini.

4. Seluruh dosen Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Univertas

Sanata Dharma, yang telah memberikan pengetahuan selama kuliah.

5. Pak Ronny, selaku laboran Teknik Mesin yang telah banyak memberikan

bantuan selama proses pembuatan Tugas Akhir.

6. Keluarga tercinta, (Alm) Kasimin (Bapak), Ngatikem (Ibu), Riniyati

(Kakak), Riki Prasetyo (Kakak), Fitri Astuti (Kakak), yang selalu

mendukung, memberikan doa, semangat dan bantuan baik moril maupun

materi kepada penulis.



ix

DAFTAR ISI

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

HALAMAN JUDUL ……………………………………………………….. ii

HALAMAN PERSETUJUAN …………………………………………….. iii

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

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA…………………….. v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ………………………..

vi

KATA PENGANTAR ……………………………………………………..... vii

DAFTAR ISI ………………………………………………………………… ix

DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………… xi

NOMENKLATUR …………………………………………………...……… xiii

ABSTRAK …………………………………………………………………… xiv

ABSTRACT ………………………………………………………………….. xv

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

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

1.2 Rumusan Masalah ………………………………………………… 3

1.3 Tujuan Penelitian …………………………………………………. 3

1.4 Batasan Penelitian ………………………………………………… 3

1.5 Manfaat Penelitian ………………………………………………... 4

BAB II LANDASAN TEORI ……………………………………………….. 6

2.1 Tinjauan Pustaka ………………………………………………….. 6

2.2 Bagian - bagian Steam Ejector …………………………………..... 8

2.3.1 Nozzle….....................…………………………………......... 8

2.3.2 Suction Chamber ……………………………………........... 8

2.3.3 Mixing Chamber ………………………..……..........……… 9

2.3.4 Diffuser ………………………………………………......… 10

2.4 Fenomena Aliran Pada Ejector …………………………………… 10

2.4.1 Compressible Flow ………………………………………… 10

2.5 Fenomena Chocking ……………………………………………… 11


x

2.6 Fenomena Aliran Pada Convergent dan Divergent Nozzle……..… 12

2.7 Entraiment Ratio (ω)……………………………………………… 12

BAB III METODELOGI PENELITIAN …………………………………. 13

3.1 Skema Alat Uji Penelitian ….……………...…………………….. 13

3.2 Skema Steam Ejector……....……………....………...…………... 13

3.3 Alat Penelitian ……...…………………………….......………….. 15

3.4 Steam Ejector ……,……………………………………………… 16

3.5 Variabel Penelitian ………………………………………………. 17

3.6 Prosedur Penelitian ………………………………………………. 17

3.7 Skematika Penulisan ……………………………………………... 19

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………… 20

4.1 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap

Nilai Entraiment Ratio………………………………………….……..

20

4.2 Pengaruh Variasi Nozzle Area Rasio Ejector Terhadap Entraiment

Ratio Pada Setiap Primary Pressure dan Secondary Pressure..…

23

BAB V PENUTUP ………………………………………………………….. 27

5.1 Kesimpulan ………………………………………………………. 27

5.2 Saran ……………………………………………………………... 27

DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………. 28


xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Skematik dari Steam ejector ................................................... 2

Gambar 2.1 Kecepatan aliran dan profil tekanan pada steam ejector ........ 7

Gambar 2.2 Skema ejektor konvensional ................................................... 8

Gambar 2.3 Skema nozzle . ......................................................................... 8

Gambar 2.4 Skema suction chamber . ......................................................... 9

Gambar 2.5 Skema mixing chamber ........................................................... 9

Gambar 2.6 Skema diffuser . ....................................................................... 10

Gambar 2.7 Rasio luas penampang versus bilangan Mach untuk aliran

kompressible dengan k = 1.4 ............................................... 11

Gambar 2.8 Karakteristik aliran convergent nozzle..................................... 12

Gambar 3.1 Skema alat uji penelitian. ......................................................... 13

Gambar 3.2 Skema steam ejector. ............................................................... 14

Gambar 3.3 Desain nozzle area rasio ejector 5,4. ........................................ 14

Gambar 3.4 Desain nozzle area rasio ejector 11,1. ...................................... 15

Gambar 3.5 Desain nozzle area rasio ejector 21,7. ...................................... 15

Gambar 3.6 Steam ejector. .......................................................................... 16

Gambar 3.7 Skema prosedur pengujian. ...................................................... 18

Gambar 4.1 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap

Nilai Entraiment Ratio Pada Nozzle Area Rasio Ejector 5,4. .. 21


Nilai Entraiment Ratio Pada Nozzle Area Rasio Ejector 11,1. 21


Nilai Entraiment Ratio Pada Nozzle Area Rasio Ejector 21,7. 22


Nilai Entraiment Ratio Pada Secondary Pressure 95 psi......... 22

Gambar 4.5 Pengaruh Variasi Nozzle Area Rasio Ejector Terhadap Nilai

Entraiment Ratio Pada Setiap Primary Pressure dan Secondary

Pressure 55 psi. ...................................................................... 24


xii



Pressure 65 psi. ...................................................................... 24



Pressure 75 psi. ...................................................................... 25



Pressure 85 psi. ...................................................................... 25



Pressure 95 psi. ...................................................................... 26


xiii

NOMENKLATUR

Lambang Nama Satuan Halaman

A Luas penampang saluran m2 19

𝐴∗ Luas penampang saluran kritis m2 19

D Diameter saluran m 19

Ma Mach number 3

𝑚𝑝̇ Primary mass flow rate kg/s 4

𝑚𝑠̇ Secondary mass flow rate kg/s 4

𝜇 Viskositas dinamik N.s/ m2 22

P Pressure Pa 4

T Tempertature K 21

T0 Stagnation Temperature K 21

𝜌 Density kg/m3 22

𝜐 Viskositas kinematik m2/s 6

V Kecepatan aliran m/s 2

𝜔 Entrainment ratio 10


xiv

ABSTRAK

Bagian terpenting dalam steam ejector adalah nozzle. Nozzle merupakan

komponen yang digunakan untuk menentukan arah dan karakteristik aliran fluida

saat keluar atau memasuki ruang tertutup pada sebuah pipa. Oleh karena itu

optimalisasi desain dan geometri rasio nozzle sedang banyak dikembangkan oleh

peneliti saat ini. Geometri nozzle merupakan faktor penting dalam menentukan

performa steam ejector, karena rasio geometri nozzle menentukan nilai secondary

mass flow rate yang dapat masuk ke steam ejector. Primary pressure dan

secondary pressure juga menjadi faktor penentuan performa steam ejector.

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan nilai entraiment ratio terbaik dari

steam ejector dengan variasi rasio area nozzle ejector yang sudah ditentukan.

Metode ekperimental digunakan pada penelitian ini untuk mengetahui

pengaruh variasi nozzle ejector area ratio. Variasi nozzle ejector area ratio yang

digunakan adalah nozzle ejector area ratio 5,4, nozzle ejector area ratio 11,1, dan

nozzle ejector area ratio 21,7. Selain itu 5 variasi primary pressure dan secondary

pressure juga digunakan untuk menentukan performa dari steam ejector.

Hasil dari penelitian ini yaitu meningkatnya primary pressure berakibat

pada menurunnya entraiment ratio pada semua variasi secondary pressure. Nozzle

ejector area ratio 11,1 mempunyai performa yang lebih baik dari geometri nozzle

yang lainnya. Nilai optimum entraiment ratio didapatkan sebesar 0,472 pada

kondisi primary pressure 100 psi dan secondary pressure 95 psi.

Kata kunci: nozzle, ejector area ratio, steam ejector, entraiment ratio


xv

ABSTRACT

Nozzle is an important section on steam ejector. Nozzle a device that use

to deteremine characteristics and flow direction while fluid exit in closed pipe.

Beside that statement, design optimalization and nozzle geometry ratio still

developed by latest researcher. Nozzle geometry one of key factor to influence

performance of steam ejector, because nozzle geometry determine secondary mass

flow rate which inflow to steam ejector. Primary pressure and secondary pressure

becomes key performance on steam ejector. This paper to investigated entraiment

ratio optimum value on steam ejector beside nozzle ejector area ratio variation

predetermined.

Eksperimental method used in this paper to investigated influence nozzle

ejector area ratio variation. Nozzle ejector area ratio variation used as nozzle

ejector area ratio 5.4, nozzle ejector area ratio 11.1, and nozzle ejector area ratio

21.7. Futhermore variation of primary pressure and secondary pressure used to

ensure steam ejector performance.

The result show that primary pressure increase impact to descrease

entariment ratio value at all secondary pressure variation. Nozzle ejector area ratio

11.1 may result the best performance than another nozzle geometry. Optimum

entraiment ratio value available on primary pressure 100 psi and secondary

pressure 95 psi as 0.472.

Keyword: nozzle, ejector area ratio, steam ejector, entraiment ratio


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Steam ejector merupakan komponen konversi energi yang mempunyai

kelebihan tidak memerlukan energi listrik, biaya produksi rendah, mudah dalam

melakukan perawatan dan pengoperasian, serta mempunyai performa stabil dan

handal (Wu, Zhao, Zhang, Wang, & Han, 2018). Prinsip kerja dari steam ejector

adalah mengubah fluida kecepatan rendah dan bertekanan tinggi pada primary

flow menjadi fluida dengan kecepatan tinggi dan bertekanan rendah setelah

melalui nozzle, saat keluar dari nozzle, fluida mengalami shock wave, fenomena

shock wave terjadi karena perubahan tekanan dan penurunan kecepatan fluida

secara tiba-tiba (Henzler, 1983). Selanjutnya fluida dialirkan menuju area suction

chamber, secondary flow mengalir akibat perbedaan tekanan dan temperature.

Empat komponen utama steam ejector yaitu primary nozzle, suction

chambers, mixing chambers, dan diffuser seperti ditunjukan pada Gambar 1.

Primary nozzle adalah bagian yang dilewati primary flow dimana aliran dari fluida

bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi melewati nozzle menuju throat, saat

melewati nozzle fluida mengalami perubahan aliran menjadi fluida bertekanan

rendah dan berkecepatan tinggi (Liu, Fu, & Yu, 2018). Suction chamber area

dimana terjadi perbedaan tekanan antara ujung nozzle dengan secondary flow dan

menyebabkan fluida pada secondary flow terhisap dan bercampur dengan fluida

dari primary flow (Wu et al., 2018). Mixing Chambers disebut constant-area

section yaitu tempat dimana fluida berkecepatan dan bertekanan konstan

(Ruangtrakoon, Aphornratana, & Sriveerakul, 2011). Diffuser merupakan bagian

output steam ejector dimana fluida mengalami peningkatan tekanan dan

penurunan kecepatan (White F.M, 1991).


2

Nozzle merupakan bagian penting dari steam ejector oleh karena itu

optimalisasi desain dan geometri nozzle merupakan hal yang banyak

dikembangkan oleh peneliti saat ini. Nozzle merupakan komponen yang

digunakan untuk menentukan arah dan karakteristik aliran fluida saat keluar atau

memasuki ruang tertutup pada sebuah pipa. Selain itu, nozzle merupakan bagian

yang dilewati fluida bertekanan tinggi dan diubah menjadi energi kinetik dalam

proses ekspansi untuk meningkatkan kecepatan aliran fluida dan diikuti dengan

penurunan tekanan (Vahaji et al., 2015) (Satrya, 2015). Geometri nozzle sangat

berpengaruh terhadap performa steam ejector, perubahan rasio dari convergent,

throat, dan divergent pada nozzle utama mempunyai efek yang sangat signifikan

pada performa steam ejector. Zhu & Jiang (2014) meneliti tentang shock wave

length dalam convergent dan divergent-convergent nozzle ejector. Shock wave

length diukur pada convergent-divergent dan convergent nozzle ejector. Hasil

penelitian menunjukan convergent-divergent nozzle ejector mempunyai shock

wave length yang lebih panjang dalam konsisi laju aliran yang sama. Thongchana

Thongtip (2017) meneliti pengaruh geometri primary nozzle pada ejector

menggunakan fluida R141b. Enam geometri nozzle divariasikan, empat

diantaranya menunjukan peningkatan performa ejector yaitu (D2.4M2.5,

D2.8M2.5, D3.2M2.5, dan D3.6M2.5) di desain dengan beberapa perbedaan pada

diameter throat tetapi memiliki area rasio nozzle yang berbeda. Semua nozzle diuji

dengan satu geometri ejector tetap dan variasi kondisi. Hasil terbaiknya yaitu

menggunakan diameter throat yang lebih besar dengan operasi generator

temperatur rendah. Rasio geometri nozzle mempunyai peranan penting dalam

peningkatan nilai entraiment ratio.

Gambar 1.1 Skematik dari Steam ejector (Ramesh & Sekhar, 2018).


3

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi nilai Entraiment ratio pada

steam ejector, antara lain: a). Rasio geometri nozzle, b). Panjang mixing chamber,

dan c). Panjang diffuser. Rasio geometri nozzle memiliki pengaruh paling

signifikan terhadap nilai entraiment ratio, hal ini disebabkan karena perubahan

rasio geometri nozzle menghasilkan besar kecilnya expansion angle yang

berdampak pada nilai entraiment ratio (Brasso, 2014). Pada penelitian ini akan

dikaji peran rasio geometri nozzle terhadap entraiment ratio steam ejector. Topik

ini dipilih karena besarnya peranan rasio geometri nozzle pada peningkatan nilai

entraiment ratio steam ejector.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan penjelasan di atas dapat dirumuskan masalah pada penelitian

ini adalah bagaimana pengaruh perubahan geometri area rasio nozzle ejector

terhadap nilai entraiment ratio steam ejector ?.

1.3 Tujuan Penelitian

Sesuai dengan rumusan masalah yang diajukan dalam penelitian ini, maka

tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh perubahan geometri nozzle

ejector area ratio terhadap nilai entraiment ratio steam ejector.

1.4 Batasan Penelitian

Batasan-batasan yang ditentukan dalam melakukan penelitian steam

ejector ini adalah :

1. Primary flow dikondisikan pada tekanan (psi) 100, 125, 150, 175, 200

2. Secondary flow dikondisikan pada tekanan (psi) 55, 65, 75, 85, 95

3. Variasi geometri nozzle terdiri dari area rasio ejector 5,4, area rasio

ejector 11,1, area rasio ejector 21,7.

4. Model nozzle terdiri dari convergent, throat, dan divergent.

5. Tidak memperhitungkan pressure loss pada pipa maupun sambungan.

6. Tidak memperhitungkan rugi-rugi gesekan dinding pipa.


4

1.5 Manfaat Penelitian

1.5.1 Manfaat Teoritis

1. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menambah ilmu pengetahuan

tentang pemanfaatan steam ejector dalam pengembangan ilmu

pengetahuan.

2. Menambah kajian ilmu yang mempelajari tentang pemanfaatan steam

ejector.

3. Mengetahui nilai efisiensi penggunaan steam ejector yang baik dengan

mengacu perbandingan convergent dan divergent rasio steam ejector

yang sudah ditentukan oleh peneliti.

1.5.2 Manfaat Praktis

Dalam manfaat praktis terdapat tiga hal yaitu: manfaat bagi Universitas,

manfaat bagi peneliti, dan peneliti selanjutnya.

1.5.2.1 Bagi Universitas Sanata Dharma

Penelitian ini diharapkan dapat menjadi sarana dalam mendukung

pencapaian visi dan misi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, antara lain :

a. Menjadi penggali kebenaran yang unggul dan humanis demi

terwujudnya masyarakat yang semakin bermartabat.

b. Menciptakan masyarakat akademik Universitas yang mampu

menghargai kebebasan akademik serta otonomi keilmuan, mampu

bekerja sama lintas ilmu, dan mampu mengedepankan kedalaman dari

pada keluasan wawasan keilmuan dalam usaha menggali kebenaran

lewat kegiatan pengajaran, penelitian, dan pengabdian masyarakat.

c. Menghadirkan pencerahan yang mencerdaskan bagi masyarakat

melalui publikasi hasil kegiatan pengajaran, penelitian, dan pengabdian

pada masyarakat, pengembangan kerjasama dengan berbagai mitra


5

yang memiliki visi serta kepedulian sama, dan pemberdayaan para

alumni dalam pengembangan keterlibatan nyata di tengah masyarakat.

1.5.2.2 Bagi Peneliti

a. Supaya peneliti dapat memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin setelah

melakukan penelitian ini.


6

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Steam ejector merupakan salah satu sistem refijerasi yang selama satu

dekade terakhir banyak diteliti. Steam ejector mudah dalam penggunaan dan tidak

memerlukan energi listrik dalam pengoperasiannya, limbah panas yang tersedia

akibat pengoperasian industri bisa dimanfaatkan kembali menggunakan steam

ejector. Sebagai perangkat tanpa penggerak steam ejector memiliki kelebihan

yang dapat diandalkan, biaya pengadaan dan perawatan yang murah, dan mudah

dioperasikan. Steam ejector dapat dioperasikan pada energi panas tingkat tinggi

maupun rendah. Aplikasi steam ejector antara lain, dalam bidang industri

pendingin, aerospace, kimia, dan proses biokimia. Bergantung pada area

aplikasinya steam ejector dirancang untuk: a). Meningkatkan nilai entraiment

ratio (ER), b). Mendapatkan campuran yang seragam antara primary fow dan

secondary flow, c). Untuk memompa cairan dari tekanan tinggi ke tekanan rendah.

X. Yang, (2012) meneliti tentang struktur nozzle terhadap performa steam

ejector dengan judul “Numerical investigation on the mixing process in a steam

ejector with different nozzle structures” ditemukan bahwa kinerja struktur nozzle

pada kondisi yang sama menghasilkan nilai entraiment ratio (ER), critical back

pressure (CBP) yang berbeda. Struktur yang berbeda menyebabkan nilai

kecepatan suara yang berbeda dan mempunyai pengaruh besar dalam kinerja

nozzle, untuk meningkatkan nilai entraiment ration (ER) dipengaruhi oleh

campuran antara primary flow dan secondary flow pada area mixing chamber.

(Elhub, 2018) mengevaluasi performa pada variabel nozzle steam ejector

menggunakan fluida kerja R134A, ditemukan terjadi peningkatan nilai entraiment

ratio (ER) dan mass flow rate setelah melewati nozzle seiring meningkatnya

tekanan primary flow yang dioperasikan dalam keadaan fixed evaporator

saturation temperature. Entraiment ratio menjadi mirip antara 0,24 – 1,283 pada

constant area ratio pada kondisi pengoperasian yang sama.


7

2.2 Pengertian dan Prinsip Kerja Steam Ejector

Steam ejector merupakan sistem refijerasi yang digerakan oleh energi

panas yang memiliki kelebihan dan dapat dibandingkan dengan peralatan

pengolahan panas lainnya. Steam ejector terdiri dari boiler, evaporator, kondensor,

pompa dan katup ekspansi. Mirip dengan electrically powered vapour

compression kecuali kompresor diganti dengan boiler pada ejector. Refijeran

masuk boiler dan masuk ke ejector seperti uap melewati primary nozzle

menghasilkan fluida tekanan rendah dan kecepatan tinggi. Refijeran sebagai

keluaran primary nozzle disebut primary flow yang memiliki kecepatan suara

diatas dua menghasilkan tekanan hisap pada ruang suction chamber sehingga

secondary flow dari evaporator terhisap ke area suction chamber. Pada kondisi

suction chamber aliran masih dalam supersonic. Ketika aliran berada pada

constant area region (throat section), shock wave terjadi akibat perubahan aliran

dari supersonic menjadi subsonic. Selanjutnya aliran terkompresi lebih lanjut pada

area diffuser. Gambar 2.1 menampilkan kecepatan aliran dan profil tekanan pada

steam ejector.

Gambar 2.1 Kecepatan aliran dan profil tekanan pada steam ejector (M.R

Ahmed, 2014).


8

2.3 Bagian – bagian Steam Ejector

Secara umum steam ejector terdiri dari empat bagian utama: primary

nozzle, suction chamber, mixing chamber, dan diffuser seperti yang ditampilkan

pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Skema ejektor konvensional (B. Elhub, et al., 2018).

2.3.1 Nozzle

Nozzle merupakan bagian terpenting pada ejector yang berfungsi untuk

mengonversi energi tekanan pada primary flow menjadi energi kinetik. Pada

bagian ini, fluida akan mengalami shock wave sebagai akibat dari perubahan

tekanan dan kecepatan secara mendadak (Yinhai Zhu, 2013). Gambar 2.3

menunjukan jenis nozzle pada steam ejctor.

Gambar 2.3 Skema nozzle (Dong et al., 2017).

2.3.2 Suction Chamber

Suction chamber adalah bagian inlet secondary flow pada ejektor yang

terdapat pada bagian suction chamber, secondary flow dari evaporator terhisap

karena compression effect (vaccum) yang disebabkan oleh primary flow akibat


9

adanya shock wave. Pencampuran kedua fluida belum terjadi pada bagian ini

(Yinhai Zhu 2013). Gambar 2.4 menunjukan area suction chamber.

Gambar 2.4 Skema suction chamber (Yifei Wu, et al., 2018).

2.3.3 Mixing Chamber

Bagian ini memiliki luasan area yang konstan, dimana terjadi

pencampuran kedua fluida bertekanan konstan pada subsonic velocity (Yadav et.

al., 2008). Dari beberapa penelitian sebelumnya, bagian mixing chamber

mempengaruhi entrainment ratio sebuah sistem (Yinhai Zhu, 2013). Mixing

chamber ditunjukan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Skema mixing chamber (Yifei Wu, et al., 2018).


10

2.3.4 Diffuser

Diffuser merupakan bagian outlet dari ejector yang berfungsi untuk

meningkatkan tekanan. Fluida yang mengalir di bagian ini adalah fluida campuran

dari secondary flow dan primary flow, sehingga membuat kecepatan dari aliran

akan berkurang dan tekanan akan bertambah (Yinhai Zhu, 2013). Diffuser section

ditunjukan dalam Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Skema diffuser (Yifei Wu, et al., 2014).

2.4 Fenomena Aliran Pada Steam Ejektor

Pada ejektor terdapat fenomena – fenomena aliran, dimana primary flow

mengalami ekspansi tekanan dan kenaikan kecepatan menjadi supersonic velocity

dengan melewati nozzle. Primary flow dalam penelitian ini merupakan gas

bertekanan tinggi yang dikategorikan sebagai aliran compressible. Secondary flow

disisi lain merupakan air (incompressible flow) yang terhisap kedalam suction

chamber akibat fenomena perbedaan tekanan. Proses entrainment, pencampuran

fluida, perubahan tekanan dan kecepatan akan dijelaskan lebih lanjut pada sub bab

ini.

2.4.1 Compressible Flow

Ketika sebuah fluida bergerak pada kecepatan suara, kerapatan (density)

fluida dapat berubah secara signifikan dan aliran dapat dikategorikan sebagai

compressible. Aliran compressible sulit untuk diperoleh pada likuid, dimana

dibutuhkan tekanan yang sangat tinggi (1000 atm) untuk menghasilkan kecepatan


11

suaran (sonic velocity). Sebaliknya, gas hanya membutuhkan rasio tekanan 2 : 1

untuk menghasilkan sonic velocity. Terdapat dua efek yang sangat penting dan

khas pada aliran compressible antara lain:

1. Chocking, dimana laju aliran pada sebuah pipa sangat dibatasi oleh kondisi

kecepatan suara (sonic condition).

2. Shock wave, merupakan suatu properti yang selalu berubah – ubah pada

aliran supersonic.

2.5 Fenomena Choking

Pada Gambar 2.7 menampilkan pengaruh rasio luas penampang pada suatu

saluran / duct terhadap bilangan Mach. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa

rasio luas penampang naik dari nol pada Ma = 0 sampai mencapai keseimbangan

(A/A* = 1) saat Ma = 1. Kemudian nilai rasio luas penampang akan kembali ke

nol saat nilai Ma lebih besar. Maka untuk kondisi stagnasi yang telah ditentukan,

laju aliran massa maksimal yang dapat melewati pipa terjadi ketika kondisi kritis

atau sonic condition. Pipa disebut pada kondisi choking dan tidak dapat membawa

laju aliran massa lebih banyak, kecuali luasan throat diperlebar. Jika panjang

throat dibatasi, maka laju aliran massa yang memasuki throat harus dikurangi

(White, 1998).

Gambar 2.7 Rasio luas penampang versus bilangan Mach untuk aliran

kompressible dengan k = 1.4 (White, 1998).


12

Laju aliran massa maksimum yang dapat melewati suatu pipa / duct pada

k = 1.4 (ideal gas) dapat dirumuskan dalam persamaan:

2/1

0

0

max)(

*6847.0

RT

Am

(2.1)

dengan ρ0 adalah kerapatan stagnasi fluida (kg/m3), A* adalah luas penampang

kritis (m2), R adalah konstanta gas universal = 8314 J/kmol K, dan T0 adalah

temperatur stagnasi. Dari persamaan (2.1), laju aliran massa maksimum diperoleh

dengan memperbesar luas penampang throat dan menurunkan temperatur stagnasi

(operating condition) (White, 1998).

2.6 Fenomena Aliran Pada Convergent dan Divergent Nozzle

Fluida awal yang melewati pipa dengan pengecilan penampang terjadi

kondisi stagnasi (P0) dilihat dari Gambar 2.8. Sedangkan pada posisi akhir back

pressure (Pb) akan terjadi karena penurunan tekanan aliran yang besarnya lebih

rendah dari kondisi stagnasi (Pb < P0) (White, 1998).

Gambar 2.8 Karakteristik aliran convergent nozzle.

2.7 Entrainment Ratio (ω)

Entraiment ratio (ω) adalah perbandingan secondary flow dan primary

flow pada steam ejector, dalam hal lain entraiment ratio juga disebut efficient of

steam ejector (Chandra et al., 2014).

p

s

m

m

(2.2)


13

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Skema Alat Uji Penelitian

Skema alat uji penelitian yang digunakan untuk mengetahui performa

steam ejector yang dapat dilihat pada Gambar 3.1.

P

Primary pressure

T

Primary temperature

P

Secondary pressure

T

Secondary temperature

P

Outlet pressure

T

Outlet temperature

flowmeter

check valve

condensor

evaporator

compressor

steam ejector

major pipeline

regulator valve

Gambar 3.1 Skema alat uji penelitian.

3.2 Skema Steam Ejector

Tipe ejector conventional dengan konfigurasi horizontal digunakan dalam

penelitian ini. Design steam ejector menggunakan program SolidWork 2014

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2.


14

Gambar 3.2 Skema steam ejector.

1. Primary Nozzle

2. Suction chamber

3. Convergent area

4. Mixing chamber

5. Diffuser

3.2.1 Nozzle

a. Nozzle Area Rasio Ejector 5,4

Gambar 3.3 Desain nozzle area rasio ejector 5,4.

Primary Fluid

Secondary Fluid

Mixed Fluid

menuju

Kondenser

1 3 4

2

5


15

b. Nozzle Area Rasio Ejector 11,1


c. Nozzle Area Rasio Ejector 21,7


3.3 Alat Penelitian

Alat – alat yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut:

1. Steam ejector single phase dengan konfigurasi horizontal.

2. Kompresor dengan daya 1 dan 0,5 PK.

3. Alat ukur temperatur (thermocoupel) dipasang pada input evaporator,

input kompresor, dan output ejector.

4. Alat pengukur tekanan manometer tabung bourdon (pressure gauge) pada,

pada evaporator, kompresor, pada ejektor, dan kondensor.


16

5. Alat pengukur debit aliran dengan plat orifis pada inlet primary dan pada

inlet secondary.

6. Temperature controller Autonic.

3.4 Steam Ejector

Steam ejector yang digunakan pada penelitian ini berjenis single phase

ejector dengan konfigurasi horizontal dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan

spesifikasi dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Gambar 3.6 Steam ejector.

Tabel 3.1 Spesifikasi steam ejector.

Parameter Ukuran

Diameter throat all nozzle 3 mm

Jarak NXP 0 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 150 mm


17

3.5 Variabel Penelitian

Dalam penelitian ini peneliti memilih variabel bebas dan variabel terikat

sesuai dengan referensi penelitian-penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti

sebelumnya.

Variabel bebas:

a. Tekanan pada primary flow (psi) 100, 125, 150, 175, 200.

b. Geometri nozzle area rasio ejector 5,4, nozzle area rasio ejector 11,1,

nozzle area rasio ejector 21,7.

Variabel terikat adalah Entrainment ratio (ω)

3.6 Prosedur Penelitian

Prosedur penelitian dibagi menjadi tiga bagian penting, yaitu persiapan sistem,

pengambilan data, dan rekondisi dan sirkulasi sistem. Persiapan sistem penelitian

berupa proses memasukan refigeran ke dalam kompresor dan menyiapkan alat

ukur. Kemudian dimulai proses pengambilan data, dimana laju aliran massa

primary flow dan secondary flow diukur dengan melihat perbedaan tekanan pada

manometer pipa U. Selain itu temperatur pada primary flow, secondary flow, dan

output ejektor diukur menggunakan thermocouple dan tekanan primary pressure

dan secondary pressure diukur menggunakan pressure gauge. Prosedur pengujian

ditampilkan melalui skema prosedur pengujian pada Gambar 3.7.


18

Mulai

Atur hingga tekanan primary dan secondary,

temperatur primary dan secondary.

Hidupkan kompresor. Konfigurasi Nozzle area rasio ejector: 5,4

Memasukan refigeran

Tekanan dan

Temperatur sesuai ? Tidak

Primary regulator dibuka, selisih ketinggian oli pada

pipa U diukur untuk menghitung debit (Q). Primary

temperature diukur dengan temperature controller.

Ya

Secondary regulator dibuka, selisih ketinggian oli pada pipa U diukur

untuk menghitung debit (Q). Secondary temperatur diukur dengan

temperature controller.

A

Tekanan pada output ejector diukur dengan pressure gauge. Temperatur

pada output ejector diukur dengan temperature controller


19

Gambar 3.7 Skema prosedur pengujian.

3.7 Skematika Penulisan

Penulisan laporan penelitian ini terdiri dari beberapa bagian, yaitu

pendahuluan, landasan teori, metodologi penelitian, hasil dan pembahasan,

kesimpulan, dan daftar pustaka. Pendahuluan berisi mengenai latar belakang,

perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan penelitian, originalitas penelitian,

dan manfaat penelitian. Landasan teori mengenai tinjauan pustaka yang berkaitan

dengan informasi penelitian terdahulu steam ejector dan efek variasi nozzle area

rasio ejector pada steam ejector. Metodologi penelitian berisi tentang persiapan

pengujian dan proses pengujian. Hasil dan pembahasan berisikan data – data hasil

pengujian dan analisa data berdasarkan teori yang ada dari berbagai sumber.

Penutup berisi tentang kesimpulan dan saran yang diambil dari hasil analisis pada

bagian hasil dan pembahasan. Daftar pustaka berisi semua referensi yang

digunakan atau diacu dalam pembuatan penelitian.

Mengganti nozzle area rasio ejector throat: 11,1 dan 21,7

Selesai

Mengganti konfigurasi tekanan kerja ejector sesuai

dengan variasi.

A

Atur ulang tekanan dan temperatur kompresor, evaporator. Kemudian

mengulang langkah percobaan dari awal untuk setiap variasi nozzle.


20

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap Nilai

Entraiment Ratio

Primary pressure dan secondary pressure berpengaruh pada nilai

entraiment ratio steam ejector dengan variasi nozzle area rasio ejector seperti

terlihat pada Gambar 4.1, Gambar 4.2, Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Hasil

eksperimen menunjukan entraiment ratio menurun seiring dengang meningkatnya

primary pressure pada semua variasi nozzle area rasio ejector. Fenomena

meningkatnya primary pressure menyebabkan primary mass flow rate juga

meningkat, dimana entraiment ratio berbanding terbalik dengan primary mass

flow rate (Wu et al., 2018)(Ruangtrakoon et al., 2011).

Salah satu faktor kunci performa steam ejector adalah nilai entraiment

ratio, performa ejector dapat dipengaruhi oleh kondisi operasi maupun parameter

geometri nozel area rasio ejector. Geometri nozzle area rasio ejector berpengaruh

terhadap performa ejector primary flow mengalami choking saat melewati nozzle.

Expansion angle terjadi pada ujung nozzle karena perbadaan tekanan dan

kecepatan secara mendadak seiring dengan peningkatan primary pressure, hal ini

disebut efek choking, efek ini terjadi karena perbedaan penampang pada nozzle

(Han et al., 2020).

Gambar 4.4 membuktikan bahwa efek nozzle area rasio ejector 5,4

memiliki nilai entraiment ratio 68% lebih rendah pada primary pressure 100 psi

dan secondary pressure 95 psi terhadap nozzle area rasio ejector 11,1. Hal itu

terjadi karena semakin besar primary mass flow rate pada nozzle area rasio ejector

5,4 menghasilkan tekanan keluar nozzle lebih besar pada suction chamber yang

berarti secondary mass flow rate yang masuk ke ejector semakin kecil. Sehingga

entraiment ratio juga menurun (Thongtip, Ruangtrakoon, & Aphornratana, 2014).


21

100 125 150 175 200

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

Entr

aim

ent

Rat

io

Primary Pressure (psi)

Ejector Area Ratio 5.4

Secondary Pressure 55 psi





Gambar 4.1 Pengaruh Primary Pressure dan Secondary Pressure Terhadap Nilai

Entraiment Ratio Pada Nozzle Area Rasio Ejector 5,4.

100 125 150 175 200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

En

trai

men

t R

atio











22

100 125 150 175 200

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Entr

aim

ent

Rat

io










100 125 150 175 200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

En

trai

men

t R

atio


SECONDARY PRESSURE 95 psi





Entraiment Ratio Pada Secondary Pressure 95 psi.


23

4.2 Pengaruh Variasi Ejector Area Ratio Terhadap Entraiment Ratio Pada

Setiap Primary Pressure dan Secondary Pressure

Pada Gambar 4.5, Gambar 4.6, Gambar 4.7, Gambar 4.8 dan Gambar 4.9

menunjukan pengaruh variasi nozzle area rasio ejector terhadap nilai entraiment

ratio pada setiap primary pressure dan secondary pressure. Grafik menunjukan

bahwa terjadi peningkatan nilai entraiment ratio dari nozzle area rasio ejector 5,4

dengan nozzle area rasio ejector 11,1, tetapi menurun pada nozzle area rasio

ejector 21,7. Hal ini karena nozzle area rasio ejector telah melewati area efektif

geometri nozzle itu sendiri pada tekanan yang sama. Nozzle area rasio Ejector

yang melebihi area efektif menghasilkan expansion angle yang lebih besar dan

area efektif yang lebih kecil (Han et al., 2020) . Expansion angle yang kecil akan

membuat secondary mass flow rate mengecil, fenomena ini disebabkan oleh

entrained duct yang lebih pendek pada suction chamber (Chandra & Ahmed,

2014). Pada percobaan ini nilai maksimum entraiment ratio berada pada nozzle

area rasio ejector 11,1 pada semua kondisi primary pressure maupun secondary

pressure (Han et al., 2020).

Entraiment ratio meningkat berbanding lurus dengan meningkatnya

secondary pressure, data dilihat pada Gambar 4.5, Gambar 4.6, Gambar 4.7,

Gambar 4.8 dan Gambar 4.9 secondary pressure berpengaruh terhadap secondary

mass flow rate (Han et al., 2020). Dari entraiment ratio terbaik pada Gambar 4.9

menunjukan bahwa perbedaan penampang ejector area ratio memiliki pengaruh

terhadap nilai entraiment ratio. Pembesaran penampang tidak selalu menjadi

faktor penentu performa ejector, karena ada area efektif maksimum yang terjadi

pada suction chamber.

Nozzle area rasio ejector 5,4 dan 21,7 terjadi expansion angle hanya

sesaat, sehingga secondary mass flow rate yang dapat masuk ke suction chamber

juga lebih rendah. Hubungan entraiment ratio dengan nozzle area rasio ejector

yaitu terdapat area efektif yang harus dicapai oleh nozzle untuk dapat

meningkatkan performa dari ejector, pada kasus penelitian ini nozzle area rasio

ejector 11,1 memiliki area efektif terbaik dari ejector area ratio 5,4 dan 21,7 (Han

et al., 2020).


24


Entraiment Ratio Pada Setiap Primary Pressure dan Secondary Pressure 55 psi.




25






26




27

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Sesuai dengan hasil dan pembahasan pengaruh ratio convergent dan

divergent nozzle pada steam ejector maka dapat disimpulkan:

Primary mass flow rate meningkat seiring dengan meningkatnya primary

pressure. Hal ini disebabkan oleh densitas fluida kerja yang berubah terhadap

primary pressure dan berpengaruh pada primary mass flow rate dan performa

steam ejector. Pada geometri nozzle area rasio ejector, entraiment ratio terbaik

didapat pada nozzle area rasio ejector 11,1 pada semua kondisi primary pressure.

Nilai entraiment ratio terbaik pada primary pressure 100 psi dan secondary

pressure 95 psi sebesar 0,472. Sedangkan nilai entraiment ratio terendah adalah

0,073 pada ejector area ratio 5,4 dan primary pressure 175 psi serta secondary

pressure 65 psi. Hal ini disebabkan karena adanya area efektif maksimum yang

terjadi akibat pembesaran penampang nozzle. Dengan hal ini perubahan geometri

nozzle area rasio ejector berpengaruh terhadap nilai entraiment ratio pada steam

ejector.

5.2 Saran

Penelitian ini perlu diperbaiki dari beberapa hal yaitu:

1. Penelitian serupa dengan metode simulasi menggunakan

Computational Fluid Dynamic (CFD) untuk mengetahui

pembandingan hasil eksperimen dengan simulasi.

2. Dapat dikembangkan lagi untuk konfigurasi ejector multi stage.


28

DAFTAR PUSTAKA

Alexis, G. K. (2004). Estimation of ejector’s main cross sections in steam-ejector

refrigeration system. Applied Thermal Engineering, 24(17–18), 2657–2663.

Barroso, J., Lozano, A., Barreas, F., and Lincheta, E. 2014. Analysis and

prediction of the spray producted by an internal mixing chamber twin-fluid

nozzle, Fuel Processing Technology, vol. 128, pp. 1-9.

Chandra, V. V, & Ahmed, M. R. (2014). Experimental and computational studies

on a steam jet refrigeration system with constant area and variable area

ejectors. Energy Conversion and Management, 79, 377–386.

Chen, Y. (1997). Experimental Study of the Performance Characteristics of a

Steam-Ejector Refrigeration System. 1777(97), 384–394.

Dong, J., Yu, M., Wang, W., Song, H., Li, C., & Pan, X. (2017). Experimental

investigation on low-temperature thermal energy driven steam ejector

refrigeration system for cooling application. Applied Thermal Engineering,

123, 167–176.

Dyaksa. (2016). Pengaruh Convergent dan Divergent Nozzle terhadap Entraiment

Ratio dan Expansion Ratio pada Steam Ejector. Tugas Akhir. Universitas

Sanata Dharma.Yogyakarta

Elhub, B. (2018). Case Studies in Thermal Engineering Performance evaluation

and parametric studies on variable nozzle ejector using R134A. 12(March),

258–270.

Faghih Aliabadi, M. A., Jahangiri, A., Khazaee, I., & Lakzian, E. (2020).

Investigating the effect of water nano-droplets injection into the convergent-

divergent nozzle inlet on the wet steam flow using entropy generation

analysis. International Journal of Thermal Sciences, 149(November 2019),

106181.


29

Fahris, M., Utomo, T.S., and Syaiful. 2014. Pengaruh tekanan boiler dan variasi

panjang throat terhadap performa steam ejector, Jurnal Simetris, vol. 5, no.

1, pp. 57-66.

Han, Y., Wang, X., Chun, A., Yuen, Y., Li, A., Guo, L., … Tu, J. (2020).

Characterization of Choking Flow Behaviors inside Steam Ejectors Based on

the Ejector Refrigeration System School of Mechanical Engineering and

Automation , Northeastern University , Shenyang School of Mechanical and

Manufacturing Engineering , University.

Keenan, J.H., Neuman, E.P., and Lustwerk, F. 1950. An investigation of ejector

design by analysis and experiment, J.Appl.Mech.Trans., ASME 17,pp. 299-

311.

Liu, Y., Fu, H., & Yu, J. (2018). Performance study of an enhanced ejector

refrigeration cycle with flash tank economizer for low-grade heat utilization.

Applied Thermal Engineering, 140(May), 43–50.

NIST Standart Reference. NIST Thermodynamics and Transport Properties of

Refigerants and Refigerant Mixture, REPROP, Version 6.01.

Riyanto. (2016). Analisis Eksperimental efek area ratio throat terhadap entraiment

ratio steam ejector refigeration system. Tugas Akhir. Universitas Sanata

Dharma. Yogyakarta

Ruangtrakoon, N., Aphornratana, S., & Sriveerakul, T. (2011). Experimental

studies of a steam jet refrigeration cycle : Effect of the primary nozzle

geometries to system performance. Experimental Thermal and Fluid Science,

35(4), 676–683.

Thongtip, T. C., Ruangtrakoon, N., & Aphornratana, S. (2014). Development of a

steam jet refrigeration cycle for the actual application driven by low grade

thermal energy. Energy Procedia, 52, 110–119.


30

Vahaji, S., Akbarzadeh, A., Date, A., and Cheung, S.C.P. 2015. Study on the

efficiency of convergent-divergent two phase nozzle as a motive force for

power generation from low temperature geothermal resource, Proceding

World Geothermal Congres, Melburne, Australia, pp. 1-14.

White, Frank M., 1998, Fluid Mechanics, WCB McGraw-Hill, Boston.

Wu, Y., Zhao, H., Zhang, C., Wang, L., & Han, J. (2018). Optimization analysis

of structure parameters of steam ejector based on CFD and orthogonal test.

Energy, 151, 79–93.

Yang, X., Long, X., & Yao, X. (2012). International Journal of Thermal Sciences

Numerical investigation on the mixing process in a steam ejector with

different nozzle structures. International Journal of Thermal Sciences, 56,

95–106.


Documents

SKRIPSI PENGARUH RATIO CONVERGENT DAN DIVERGENT …