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 Prof. Hilsch pada tahun 1947. Tabung vortex adalah salah satu alat yang dapat dipakai untuk pendingin atau pemanas. Sumber energinya adalah udara yang terkompresi atau bertekanan. Tabung vortex mengubah udara bertekanan menjadi dua aliran udara, yaitu keluaran aliran udara panas dan keluaran aliran udara dingin. Aliran udara panas dan dingin yang dikeluarkan oleh tabung vortex dapat bervariasi tergantung cara pengaturan tekanan yang akan dipakai untuk proses pendinginan ataupun pemanasan dengan bukaan celah katup sumbat.
Terdapat 2 jenis klasifikasi tabung vortex yaitu “counter-flow vortex tube” dan “uni-flow vortex tube”. Jenis counter-flow merupakan tabung vortex yang biasa dijumpai yaitu udara dingin keluar melalui orifice atau sisi lainnya. Jenis uni-flow merupakan jenis tabung vortex yang menghasilkan udara dingin keluar secara terpusat melalui katup yang telah diberi lubang, sehingga udara panas dan dingin keluar secara bersamaan.
2.2 Komponen-Komponen Tabung Vortex dan Fungsinya
Valve (Katup) Orifice (diafragma) Inlet Udara Body Chamber
Tabung vortex merupakan rangkaian dari komponen nosel, vortex chamber, body (tube) dan katup sumbat (hot end plug)
Nosel
Nosel merupakan alur yang berfungsi sebagai pengarah kecepatan tangensial untuk menghasilkan aliran pusar, dimana aliran pusar ini akan mempengaruhi perpindahan panas antara aliran udara pusar primer dan aliran udara pusar sekunder. Alur nosel dapat berjenis alur konvergen, alur divergen atau konvergen, alur divergen, dan alur lurus.
Chamber
Chamber adalah selubung nosel yang berfungsi untuk mengatur masuknya aliran udara bertekanan agar kuantitas udara yang melewati nosel sama besar pada tekanan yang sama.
Gambar 2.2 Nosel Tabung Vortex
Gambar 2.3 Chamber Tabung Vortex
Katup Sumbat (hot end plug)
Katup sumbat berfungsi sebagai pengatur pembagian laju aliran udara pada sisi panas dan pada sisi dingin dari tabung vortex, atau sebagai pembalik arah untuk menghasilkan sebagai pusaran udara balik dan sebagai separasi udara pusar pada sistem tabung vortex.
Orifice (Diafragma)
Orifice terletak pada bagian tengah nosel. Orifice berfungsi sebagai alur keluaran udara pusar temperatur lebih rendah.
2.3 Cara Kerja Sistem
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
Gambar 2.4 Katup Tabung Vortex
Gambar 2.5 Orifice Tabung Vortex
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 tempat 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 cycle). Aliran pusar sekunder akan keluar melalui orifice sebagai udara dingin keluaran dengan mengatur bukaan katup, kuantitas dan temperatur udara dingin dapat divariasikan.
Gambar 2.6 Heat Pump Cycle Vortex Tube (Oliver,2008)
2.4 Tinjauan Termodinamika Tabung Vortex
Fenomena yang terjadi pada mekanisme separasi aliran vortex pada tabung menghasilkan keluaran udara dingin dan keluaran udara panas. Separasi aliran vortex terjadi setelah mengalami proses ekspansi melalui pembangkit vortex. Hubungan antar sifat-sifat termodinamika sistem akibat proses ekspansi dan separasi aliran udara keluaran ditinjau dengan sistem volume atur.
a. Hukum Konservasi Massa
Berdasarkan hukum konservasi massa, laju aliran massa udara masuk sama dengan laju aliran udara keluar.
̇ = ̇ ……….…..………..….…….(2.1)
Udara mampat masuk
Gambar 2.7 Batas Sistem Volume Atur (Vortex Air biz)
Aliran massa udara ke luar terdiri dari aliran massa udara dingin dan aliran massa udara panas.
ṁm = ṁd + ṁp ...(2.2)
ṁm = laju aliran massa udara masuk [kg/s] ṁd = laju aliran udara dingin keluar [kg/s] ṁp = laju aliran udara panas keluar [kg/s]
b. Penurunan Temperatur Keluaran
Penurunan temperatur udara dingin keluaran merupakan perbedaan antara temperatur udara mampat masuk dengan temperatur keluaran udara dingin.
∆ Td = Tm - Td ...(2.3) ∆ Td = perbedaan antara temperatur udara mampat dengan
temperatur keluaran udara dingin [K]
Udara panas Keluar Udara Dingin Keluar
Td = temperatur udara dingin keluaran [K]
c. Debit Udara Standar ( 1atm standar, 20ºC)
Debit udara dalam perhitungan selalu menggunakan udara pada kondisi standar, ύst sehingga diperlukan koreksi terhadap debit udara yang terbaca pada alat pengukur debit udara, ύ.
ύd,st = ύ
, ……….(2.4)
ύd = Debit udara dingin [m³/s] Pg = 101.325 + Pd' [kPa] T = 273 + Td' [K]
Pd' = Tekanan udara dingin keluaran pada rotameter [kg/cm2] Td' = Temperatur udara dingin standar [oC]
d. Fraksi Massa Udara Tabung Vortex
Fraksi massa udara dingin didefinisikan sebagai perbandingan antara aliran massa udara dingin dengan aliran massa udara masuk atau disebut sebagai fraksi massa udara dingin.
µd = ̇
̇ ...(2.5)
Pada keadaan standar (1atm standar, 20ºC)
µd = ύ ,
ύ , ………....(2.6)
µ
d = fraksi massa udara dingin tanpa udara suntikanṁd = laju aliran massa udara dingin keluaran tanpa suntikan udara [kg/s]
ṁm = laju aliran massa udara mampat masuk [kg/s] ύd,st = debit udara dingin dalam keadaan standar [m³/s]
ύm,st = debit udara masuk dalam keadaan standar [m³/s] e. Kapasitas Pendinginan Tabung Vortex
Besarnya kapasitas sensibel akibat ekspansi separasi tabung vortex, ̇d
merupakan perkalian antara laju aliran udara dingin keluaran, ̇d dengan kalor spesifik, cp dan penurunan temperatur udara dingin, ΔTd
̇d = ρ . ύd . cp . ΔTd………(2.7)
Q̇d = kapasitas pendinginan tabung vortex [watt] ṁ = laju aliran massa dingin keluaran [kg/s]
cp = kalor spesifik udara standar (1 kJ/kg K (Dossat,1981)) ρ = densitas udara standar (1.2 kg/m³ (Dossat,1981)) ΔTd = perbedaan antara temperatur udara mampat dengan temperatur keluaran udara dingin [K]
ύd = debit udara dingin [m³/s]
2.5 Kelebihan dan Kekurangan Tabung Vortex
Kelebihan sistem refrigerasi tabung vortex ini adalah sebagai berikut : o Tabung vortex bersifat sederhana sehingga terhindar dari sistem
kontrol yang rumit
o Tidak ada bagian dari tabung vortex yang bergerak
o Tidak menggunakan refrigerant konvensional dan sifatnya adalah sistem terbuka, sehingga tidak ada masalah kebocoran
o Murah pada biaya awal dan juga biaya operasional dimana udara terkompresi sudah tersedia bebas
o Memiliki bobot yang ringan dan membutuhkan ruangan yang sangat kecil
o Temperatur yang dihasilkan dapat diatur o Hampir tidak memerlukan perawatan
Kekurangan sistem refrigerasi tabung vortex ini sebagai berikut :
o Memerlukan sumber udara bertekanan yang konstan dan jumlah debit yang besar
o Karena udara meninggalkan tabung dapat mencapai kecepatan sonik, maka tabung vortex beroperasi dengan suara mendesis (bising)
o Kapasitas terbatas dan hanya sebagian kecil udara yang terkompresi yang diubah menjadi udara dingin
o Ada kemungkinan tersumbat oleh pembentukan es tipis akibat kandungan uap air dalam udara terutama pada aplikasi-aplikasi temperatur sangat rendah.
