133
EFEK VARIASI DEBIT ALIRAN PRIMER DAN SKUNDER DALAM
MENCAPAI KEVAKUMAN PADA LIQUID JET GAS PUMP
Oleh: Eswanto
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Medan Jl. Gedung Arca No.52 Medan 20217, Indonesia.
E-mail: eswanto@itm.ac.id
Abstrak
Liquid Jet Gas Pump (LJGP) adalah suatu peralatan sederhana dengan memanfaatkan dua fluida berbentuk liquid dan gas. Peralatan ini dalam proses kerjanya tanpa menggunakan bagian-bagian yang bergerak sehingga konstruksinya menjadi sederhana dan mudah didapatkan dalam proses desain maupun instalasinya. LJGP mempunyai peralatan utama yaitu section chamber, nosel throat dan diffuser. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan kondisi vakuum pada alat LJGP. Metode penelitian dilakukan dengan eksperimen menggunakan fluida air dan udara pada area ratio 0,65, panjang throat 3,5dT. Data
yang diamati adalah debit aliran primer yaitu 6-10 GPM dengan interval 1 GPM dan debit aliran sekunder (secondary flow) 5-30 L/s. Sedangkan untuk mensirkulasikan fluida air ke LJGP,digunakan pompa sentrifugal dengan kapasitas 340 L/menit (400 watt). Hasil penelitian yang telah dilaksanakan menunjukkan bahwa pada debit aliran 10 GPM tekanan vakum terjadi pada kondisi paling rendah yaitu 14,56 kPa pada 5 scfh. Kondisi tersebut menginformasikan bahwa semakin besar atau bertambahnya tingkat pemasukan debit aliran primer menyebabkan terjadinya kondisi vakum yang rendah. Sedangkan kondisi vakum tertinggi diperoleh pada debit aliran 7 GPM pada 30 scfh, dimana nilainya mencapai 96,95 kPa. Peningkatan debit aliran sekunder menyebabkan penurunan kecepatan aliran motive pada sisi keluar nosel dengan dimensi throat konstan 3.5dT. Menurunnya kecepatan tersebut akan diiringi dengan menurunnya tekanan vakum. Sementara itu bertambahnya debit aliran primer menyebabkan terjadinya peningkatan tekanan vakum dan debit aliran sekunder.
Kata kunci :debit aliran primer, debit aliran sekunder, Gas, liquid, LJGP
1. Pendahuluan.
Liquid Jet Gas Pump (LJGP) adalah suatu peralatan sederhana dengan memanfaatkan dua fluida berbentuk liquid dan gas. Peralatan ini dalam proses kerjanya tanpa menggunakan bagian-bagian yang bergerak sehingga konstruksinya menjadi sederhana dan mudah didapatkan dalam proses desain maupun instalasinya. LJGP mempunyai peralatan utama yaitu section chamber, nosel throat dan diffuser . Beberapa referensi komponen-komponen penyusun LJGP ditunjukkan pada tabel 1.Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan kondisi vakum pada alat LJGP.
LJGP merupakan jenis vacuum pump ejector yang berfungsi membangkitkan kevakuman gas (tekanan di bawah tekanan atmosfir).Vacuum pump ejector banyak diaplikasikan pada industri besar, menengah, dan kecil. Pada industri skala besar (industri kimia misalnya) vacuum pump ejector digunakan sebagai pompa atau kompresor
untuk fluida korosif dan berbahaya. Sedangkan pada industri kecil dan menengah, vacuum pump ejector dipakai sebagai pompa vakum untuk proses produksi yang mengolah bahan pangan yang memerlukan proses pengolahan pada tekanan rendah. Proses ini dimaksudkan untuk menjaga kualitas produk yang diproduksi, seperti mempertahankan cita rasa dan nutrisi yang terkandung dalam produk tidak rusak atau hilang. Selain itu LJGP juga dapat dimanfaatkan khususnya kegiatan-kegiatan Usaha Kecil Menengah (UKM) yang bergerak dalam proses pengolahan makanan kripik buah dengan tujuan untuk mendapatkan kualitas dari hasil penggorengan kripik buah tersebut sehingga nilai jual dari produk tersebut akan semakin meningkat. Prinsip kerja LJGP pada penggorengan kripik buah adalah memvakum uap air dari buah yang ada dalam wadah penggorengan, sehingga dengan penerapan metode kevakuman akan mempercepat proses penggorengan kripik buah tersebut, selain itu
134 juga akan menghemat waktu dalam penggorengan kripik tersebut.
Untuk menjamin kinerja yang optimal penggunaan LJGP, terlebih dahulu dilakukan kajian/penelitian terhadap karakteristik LJGP sesuai dengan sistem yang dilayaninya. Karakteristik LJGP diperoleh dengan cara menguji LJGP pada suatu instalasi pengujian dengan berbagai macam parameter, diantaranya adalah kerugian tekanan (pressure drop) aliran berdasarkan : dimensi throat, kecepatan aliran, berat molekul fluida, suhu fluida kecepatan aliran pada motif, bilangan Reynold, dan spesific heat ratio.Mengingat begitu pentingnya peran pada kondisi primer dan sekunder dalam mencapai kevakuman pada alat LJGP, maka penulis mencoba meneliti variasi debit aliran primer dan sekunder dalam mendapatkan tingkat kevakuman alat tersebut. Penelitian ini pada dasarnya adalah awal dari sebuah penelitian tentang sistem LJGP yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai kebutuhan, sehingga perlu kiranya pada masa yang akan datang penelitian tentang LJGP ini perlu dikembangkan lebih baik lagi. Disisi lainpressure drop juga menjadi fenomena tersendiri dalam mendapatkan kevakuman, khususnya pressure drop yang terdapat pada nozzle sebagai komponen dari LJGP. Kerugian tekanan (pressure drop) pada nosel yang dialiri fluida air dapat dicari menggunakan persamaan Bernoulli, dengan asumsi massa jenis air adalah konstan dan perubahan energi potensial diabaikan.
𝐏𝐢 𝛒𝐋 + 𝐯𝐋,𝐢 𝟐 𝟐 = 𝐏𝐬 𝛒𝐋 + 𝐯𝐋,𝐬 𝟐 𝟐 . … . (𝟏) Dari persamaan kontinuitas diperoleh:
𝐯𝐋= 𝐐𝐋 𝐀𝐧
… … (𝟐)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2) ke (1), persamaan (1) menjadi: Pi− Ps= ρL. Q2L 2A2n (1 −Dn 4 Di4) . . . … (3) Persamaan Bernoulli pada persamaan(3) berlaku untuk fluida ideal sedangkan untuk fluida aktual harus dimasukkan koefisien
discharge nosel (Cd) untuk menghitung kerugian gesekan dalam nosel, sehingga persamaan (3) menjadi: Pi− Ps= ρL.QL2 2Cd2An2(1 − Dn4 Di4) Sehingga: 𝐂𝐝 = { 𝛒𝐋.𝐐𝐋𝟐 𝟐𝐀𝟐𝐧(𝐏𝐢−𝐏𝐬)(𝟏 − 𝐃𝐧𝟒 𝐃𝐢𝟒)} 𝟏/𝟐 ……(4) Dengan :
Pi = tekanan saat masuk nosel (kPa) ρL = densitas fluida pada nosel (kg/m3) Ps = tekanan saat keluar nosel (kPa) vL,1= kec. fluida saat masuk nosel (m/s) vL,s = kec. fluida saat keluar nosel (m/s) QL = debit aliran pada nosel (m3/s) An = luas penampang nosel (m2) Dn = diameter ujung nosel (m) Di = diameter pangkal nosel (m) Cd = koefisien nosel
Penelitian yang dilakukan Bahtiar (2008), menyatakan bahwa efesiensi jet pump dipengaruhi oleh jarak peletakan ujung nozzle dan sisi masuk mixing throat. Efesiensi jet pump maksimum terjadi pada spasi nozzle-mixing throat 16 mm. Peningkatan efesiensi jet pump untuk mendapatkan hasil yang lebih optimum terus dikembangkan, salah satunya melalui riset mengoptimalkan throat sebagai salah satu peralatan utamanya.
Tony suryo utomo, at.al (2011) pada proses simulasinya ejector X dengan diameter throat 2,64 mm dan area ratio 2,3. Hasil simulasi juga menunjukkan bahwa semakin besar diameter throat maka nilai entrainment ratio steam ejector menjadi semakin rendah.
Witte,1(969) dalam penelitiannya mengatakan bahwa terjadi inverse pola aliran yaitu gas continue menjadi liquid continue di dalam throat. Perubahan pola ini disebabkan oleh adanya pertukaran momentum antara aliran. Pada kondisi tertetu dimana aliran masuk throat berkecepatan supersonik setelah terjadi pencampuran kecepan turun menjadi subsonik, maka pada transisi perubahan kecepatan ini akan terjadi fenomena mixing shock.
Tabel 1.Komponen penyusun Liquid Jet Gas Pump.
135
2. Metodelogi Penelitian.
Metode penelitian yang dilakukan adalah metode eksperimen.Dalam penelitian ini menggunakan rangkaian instalasi LJGP, sebagaimana terlihat pada gambar 3 berikut beserta dengan alat ukurnya.Sedangkan konstruksi ejector dapat dilihat pada gambar 2.Pada penelitian ini geometri yang digunakan untuk membuat LJGP adalah geometri maksimum.Teknik pengumpulan data yang dilakukan pada saat eksperimen adalah dengan memvariasikan tekanan pada motive, secondary, dan discharge flow pada LJGP dengan menggunakan panjang throat 3.5dT. Perubahan tekanan aliran dilakukan dengan mengatur debit air dan udara yang keluar dari flowmeter. Tabel 2 adalah parameter yang digunakan pada penelitian kevakuman alat LJGP.Kondisi urutan atau tahapan-tahapan pelaksanaan secara eksperimen ditunjukkan pada gambar 1. Tabel 2. Parameter penelitian
No Parameter Nilai 1 Panjang throat, LT =3.5 (mm) 3.5dT 2 Diameter throat, dT = 8.7 mm 3 Debit motive (GPM) 6, 7, 8, 9, 10 4 Debit Sekunder (SCFH) 0-30
Gambar 1.Diagram alur penelitian
Gambar 2. Konstruksi ejector.
136
3. Hasil dan Pembahasan
Tabel 3. Data Hasil Eksperimen
Gambar 4. Grafik hubungan debit sekunder terhadap tekanan vakum.
Gambar 4 merupakan hasil dari pengujian dengan memvariasikan debit aliran pada bagian primer dan pada bagian sekunder yang telah dilakukan dengan panjang throat 3.5dT. Hasil pengujian yang telah dilakukan kemudian dibuat dalam bentuk grafik, agar lebih mudah dalam pemahaman dan analisa.Pada penelitian ini tekanan aliran yang dianalisis adalah tekanan primer (tekanan motive) dan tekanan sekunder (tekanan vakum). Tekanan primer adalah tekanan fluida (air) yang dihasilkan pompa, untuk selanjutnya mengalir masuk ke LJGP melewati nosel. Tekanan primer ini bernilai positif. Sedangkan tekanan sekunder adalah tekanan pada suction chamber yang bernilai negatif (vakum). Kevakuman ini terjadi karena kecepatan fluida (air) yang keluar dari nosel memiliki kecepatan yang relatif tinggi, sehingga tekanan pada suction chamber lebih rendah dari tekanan atmosfir lingkungan.
Perbedaan tekanan antara suction chamber yang lebih rendah (vakum) dan lingkungan yang lebih tinggi menyebabkan udara dari lingkungan bergerak masuk ke suction chamber. Jumlah udara yang masuk
untuk setiap satuan waktu ke suction chamber tersebut didefinisikan sebagai debit aliran sekunder. Sedangkan banyaknya fluida (air) yang masuk ke nosel dalam setiap satuan waktu yang menyebabkan udara masuk ke suction chamber didefinisikan sebagai debit aliran primer (debit motive). Gambar 4 menunjukkan bahwa saat dimasukkan debit aliran sekunder maka debit aliran primer juga divariasikan. Hasil yang didapat adalah pada debit aliran 10 GPM tekanan vakum terjadi pada kondisi paling rendah yaitu sebesar 14,56 kPa pada 5 scfh. Kondisi tersebut menginformasikan bahwa semakin besar atau bertambahnya tingkat pemasukan debit aliran primer menyebabkan terjadinya kondisi vakum yang rendah. Sedangkan kondisi vakum tertinggi diperoleh pada debit aliran 7 GPM pada 30 scfh, dimana nilainya mencapai 96,95 kPa. Peningkatan debit aliran sekunder menyebabkan penurunan kecepatan aliran motive pada sisi keluar nosel dengan dimensi throat konstan 3.5dT. Menurunnya kecepatan tersebut akan diiringi dengan menurunnya tekanan vakum. Sementara itu bertambahnya debit aliran primer menyebabkan terjadinya peningkatan tekanan vakum dan debit aliran sekunder. Hal ini terjadi karena untuk meningkatkan debit aliran primer, tekanan primer juga harus ditingkatkan. Peningkatan tekanan primer akan menghasilkan kecepatan aliran primer yang juga meningkat. Meningkatnya kecepatan aliran primer akan menyebabkan tekanan vakum juga meningkat, dan akibatnya debit aliran sekunder juga meningkat.
Gambar 5. adalah grafik hubungan flow ratio terhadap efisiensi. Pada debit motive yang tinggi cenderung memberikan nilai efisiensi yang lebih baik pada semua tingkat rasio aliran. Efisiensi menurun pada seluruh variasi debit motive terhadap penurunan rasio aliran, dimana terlihat pada gambar 5 efesiensi maksimum pada debit motive 6 gpm adalah sebesar 10,543 % pada 17 scfh dengan tingkat kevakuman mencapai 85,828 kPa. Secara umum hasil yang didapatkan dari pengujian dengan panjang throat3,5dT menunjukkan pola yang sama, kemudian pada titik tertentu akan mencapai titik optimum, dan dapat disebut dengan efesiensi maksimum liquid jet gas pump. Pada gambar 3 di atas juga menjelaskan bahwa variasi debit gas dan liquid berpengaruh terhadap
137 pressure ratio pada alat LJGP, fenomena ini terlihat dari grafik dengan kondisi optimum yang dihasilkan tidak sama. Kevakuman pada alat LJGP dapat tercapai pada keadaan tertentu dengan meningkatnya debit gas dan liquid yang diberikan. Peningkatan kecepatan aliran primerakan menyebabkan bilangan Reynold juga akan meningkat, yang berdampak pada peningkatan efisiensi (Stepanoff, 1957). Pada gambar 6.adalah hubungan rasio aliran (flow ratio) terhadap rasio tekanan (pressure ratio), kecendrungan pada setiap debit motive yang diberikan membentuk fenomena yang tidak jauh berbeda dengan debit motive yang lainnya. Fenomena yang diperlihatkan gambar 6 menunjukkan bahwa peningkatan rasio aliran menyebabkan terjadinya penurunan rasio tekanan sehingga dampaknya kecepatan aliran motive juga menurun.Menurunnya kecepatan aliran motive ini menyebabkan tekanan vakum menurun dan tekanan motive meningkat (rasio tekanan menurun).
Gambar 5. Grafik hubungan flow ratio terhadap efisiensi.
Gambar 6.Grafik hubunganFlow Ratio TerhadapPressure Ratio.
4. Kesimpulan.
Dari hasil dan pembahasan yang telah diuraikan tersebut diatas dapat disimpulkan bahwa kondisi tekanan vakum paling rendah terjadi pada debit aliran 10 GPM yaitu 14,56 kPa dan 5 scfh. Kondisi tersebut menunjukkan bahwa semakin besar atau bertambahnya tingkat pemasukan debit aliran primer menyebabkan terjadinya kondisi vakum yang rendah. Sedangkan kondisi vakum tertinggi diperoleh pada debit aliran 7 GPM pada 30 scfh, dimana nilainya mencapai 96,95 kPa. kondisi ini menerangkan bahwa peningkatan debit aliran sekunder menyebabkan penurunan kecepatan aliran motive pada sisi keluar nosel dengan dimensi throat konstan 3.5dT. Menurunnya kecepatan tersebut akan diiringi dengan menurunnya tekanan vakum sebagai konsekwensi dari rendahnya kecepatan fluida yang mengalir. Sementara itu bertambahnya debit aliran primer menyebabkan terjadinya peningkatan tekanan vakum dan debit aliran sekunder. Sedangkan efisiensi menurun pada seluruh variasi debit motive terhadap penurunan rasio aliran, efesiensi maksimum pada debit motive 6 gpm. Secara umum hasil yang didapatkan dari pengujian dengan dimensi panjang throat3,5dT menunjukkan pola yang sama, kemudian pada titik tertentu akan mencapai titik optimum.
Daftar Pustaka.
Bahtiar; 2008: Pengaruh jarak peletakan antara ujung nozzle dan sisi masuk mixing throat terhadap efisiensi jet pump; Universitas Brawijaya, Malang. Toni suryo, at.al., 2011, “simulasi ejector X
dengan diameter throat 2,64 mm dan area ratio 2,3”
Cunningham R. G., (1995), Liquid Jet Pump for two Phase Flows, ASME Journal Fluids Engineering, 117, 309-316. Witte.J.H,1969, Mixing shocks in Two Phase
Flow, J.Fluid.Mech. vol.36, 639-655. Stepanoff. A.J, 1957, Centrifugal and Axial
Flow Pump, 2nd ed, p402-424, John Wiley &Sons, Inc, New York.
Yadav.R.L., Patwardhan.A.W., (2008), Design Aspects of Ejectors: Effects of Suction Chamber Geometry, Chemical Engineering Science,Vol. 63, 3886-3897
138
Ucapan Terima kasih
Ucapan Terima Kasih kepada DIKTI melalui DIPA Kopertis Wilayah 1 dalam pemberian Hibah Dosen Pemula tahun pelaksanaan 2015
