Experimental Study on Vortex Tubeas Coolingof Machine Panel
Herman Budi Harja 1) , Novi Saksono 2)
KEMENDIKBUD, Teknik Manufaktur, Politeknik Manufaktru Negeri Bandung Kanayakan No.21 Dago, Bandung, 40135 Telp : (022) 2500241, Fax : (022) 2502649 E-mail : h_b_harja@yahoo.com 1)

## Abstract
Generally, The  air conditioning in the panel of CNC machine  always uses electric fan to avoid overheating in electrical components. The availability of compressed air on CNC machines infrastructure  allows the utilization of inovation through the use of vortex tube as a cold air generator.
Vortex tube is a mechanical device that can separate the flow of pressurized air into hot and cold air. The cold air can be used as a substitute for cooler fan.
The experimental study was conducted to examine the corelation between the value ratio value with generated cold  temperatures,  as  well  as  its  application  as  cooling  panel.  Vortex  tube  testing  was  conducted  at  Polman Bandung, it was tested on machine  panel of CNC lathe machine (CKE61130) with a volume panel of 0.26m. 3 The result of study showed that the vortex tube with a ratio value of 0.44 generates the lowest cold temperature. Furthermore  the  experiment  test  showed  that  vortex  tube  can  function  properly  and    maintain  the  air temperature between 25 ° C to 35 ° C.
Keywords: vortex tube, ratio value,  cold temperature, substitute for cooler fan.

## PENDAHULUAN
Salah  satu error  massage yang  muncul  dan menyebakan  berhentinya  operasi  mesin  CNC  adalah disebabkan  oleh  terjadinya overheat yang  dialami komponen-komponen  elektrik  pada  panel  mesin. Pada  umumnya  pendingin  panel  mesin  biasanya menggunakan ventilator  fan sebagai  pendingin, dimana udara  bertemperatur 20°C  yang ditiupkan ke dalam  panel  mesin  didapatkan  dari  udara  ruangan CNC  yang  sering  kali  kualitas  kebersihannya  masih kurang baik (berdebu). Debu tersebut menempel pada komponen  elektrik  di  panel  dan  menghambat perpindahan  panas  komponen  ke  udara  dalam  panel, sehingga terjadi overheat pada komponen.
Seiring  dengan  tuntutan  inovasi  untuk  mencari alternatif  pendingin  panel  mesin  dan  dengan pemanfaatan  ketersediaan  udara  bertekanan  pada infrastruktur  mesin  CNC  yang  telah  melalui  proses air  threatment .  Maka  peneliti  berupaya  membuat alternatif pendingin panel mesin dengan memanfaatkan  luaran  udara  dingin  dari  tabung vortex.Tabung  vortex  merupakan  alat  mekanikal yang  dapat  menghasilkan  luaran  udara  panas  dan dingin dengan input udara bertekanan.
Beberapa  hal  kelebihan  penggunaan  tabung vortex sebagai pendingin adalah:
 Kualitas  luaran  udara  dingin  yang  dihasilkan adalah  kering  dan  bersih  dari  debu  karena supply  input  udara  tabung  vortex  berasal  dari udara  terfiltrasi  yang  selalu  tersedia  pada infrastruktur mesin CNC.
 Nilai  temperatur  luaran  udara  dingin  dapat mencapai temperatur < -10°C.
 Low cost karena tabung vortex tidak memerlukan perawatan dan pergantian part. Penelitian  ini  difokuskan  untuk  melakukan kajian  eksperimental  terhadap  Luaran  kinerja  tabung vortex  melalui  vareasi  nilai  rasio  dimensi  antara diameter  dalam  diafragma  dengan  pipa  vortex  dan vareasi  besar  tekanan  udara inlet kemudian penerapannya sebagai pendingin panel mesin
Gambar 1. Ilustrasi cara kerja tabung vortex[2].

## TINJAUAN PUSTAKA

## Tabung Vortex
Tabung  Vortex  sering  dikenal  dengan  nama Ranque-Hilsh  tube karena  ditemukan  pertama  kali oleh  George  J  Rangque  pada  tahun  1933  kemudian diperbaiki  oleh  Rudolf  Hilsch  pada  tahun  1947[1]. Tabung vortex merupakan alat mekanikal yang dapat beroperasi seperti mesin pendingin AC dengan tanpa adanya  bagian  komponen  yang  bergerak  atau berputar  dengan  cara  memisahkan  aliran  udara bertekanan  menjadi  daerah  udara  dingin  dan  panas kemudian  dialirkan  pada  lubang  saluran  yang berbeda.
Cara  kerja  tabung  vortex  seperti  ditunjukkan
pada  gambar  1  adalah  udara  bertekanan  dilewatkan pada  saluran  masuk  secara  tangensial  dengan kecepatan  tinggi,  kemudian  udara  yang  berekspansi pada chamber menghasilkan aliran pusaran udara dan bergerak secara spiral sepanjang tabung  hingga pada ujungnya  yang  terdapat  katup  tirus.  Pada  saat  katup ditutup  sebagian,  maka akan  terjadi laju aliran  udara balik  pada  sumbu  tabung  mulai  dari  sisi  tekanan tinggi  ke  sisi  tekanan  rendah.  Selama  proses  ini, perpindahan energi thermal berlangsung antara udara balik  dan  udara  maju  sehingga  aliran  udara  balik yang  terdapat  pada  sumbu  tabung  mempunyai temperatur lebih rendah dari temperatur udara masuk, sedangkan  aliran  udara  maju  akan  memanas  dan bertemperatur  lebih  tinggi  dari  temperatur  udara masuk.  Aliran  udara  balik  yang  dingin  akan  keluar melalui saluran udara dingin , sedangkan aliran udara panas  akan  keluar  melalui  bukaan  katup.  Dengan mangatur  bukaan  katup,  besar  lubang  keluaran  dan temperatur udara dingin dapat diubah-ubah [3].
Tabung vortex dapat menghasilkan udara panas dan  dingin  dengan  waktu  yang  bersamaan.  Tabung vortex ini  terdiri  dari  sebuah  tabung  panjang  yang memiliki lubang masuk tangensial di dekat salah satu ujung  dan  katup  kerucut  pada  ujung  lainnya,  seperti ditunjukkan gambar 2.
Gambar 2. Konstruksi tabung vortex
Gambar 3. Komponen tabung vortex
Konstruksi  tabung  vortex  terdiri  dari  7 komponen seperti Gambar 3 berikut :
1. Kepala tabung
2. Tabung vortex
3. Cold end connector
4. Diafragma vortex
5. Hot end vortex
6. Dudukan katup
7. Katup
Beberapa  percobaan  tabung  vortex  telah
dilakukan oleh para peneliti untuk mencari rancangan kinerja  tabung  vortex  yang  baik.Data  yang  diambil untuk  dibandingkan  diantaranya  adalah,  diameter tabung,  besarnya  tekanan  udara  yang  masuk  di saluran inlet dan  selisih  temperatur  yang  terjadi. Maziar  dan  Yunpeng  melakukan  percobaan  dengan mengubah-ubah  rasio  antara  diameter  penutup  sisi panas  dan  diameter  tabung  hal  yang  sama  dilakukan juga  oleh  Singh,  Tathgir  dan  Grewal  [3].  Selain  itu Maziar  dan  Yunpeng    juga  melakukan  penelitian temperatur  keluaran  dengan  mengubah-ubah  sudut vortex [4].

## Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas yang terjadi antara permukaan  padat  dengan  fluida  yang  mengalir  di sekitarnya,  dengan  menggunakan  media  penghantar berupa fluida (cairan/gas). Menurut keadaan alirannya  perpindahan  panas  konveksi  dikategorikan menjadi  dua  yaitu  konveksi  bebas  dan  konveksi paksa,  aliran  fluida  pada  konveksi  bebas  disebabkan oleh  adanya  variasi  masa  jenis  yang  selalu  diikuti dengan adanya perbedaan temperatur fluida, sedangkan  aliran  fluida  konveksi  paksa  seperti  pada Gambar  4  terjadi  disebabkan  beberapa  cara  yang berasal  dari  luar  misalnya  menggunakan  fan,  pompa ataupun  tiupan  angin.  Perpindahan  panas  atau pendinginan  pada  panel  mesin    merupakan  konveksi paksa  dimana  aliran  fluida  berasal  dari  elektrik  fan atau seperti pada kajian penelitian ini konveksi paksa menggunakan  tiupan  luaran  udara  dingin  tabung vortex.
Gambar 4. Skema konveksi paksa [5].

## Perhitungan Daya Thermal
Koefisien  perpindahan  panas  yang  terjadi  di atas  permukaan  pelat  dihitung  dan  diselesaikan dengan kekekalan  massa,  momentum dan persamaan energi  .  Hal  tersebut  dapat  dihitung  menggunakan persamaan Nuselt [5].
𝑁𝑢 = ℎ𝐿 𝑘 = 𝐶𝑅𝑒 𝐿 𝑚 𝑃𝑟 𝑛 (1)
Dimana  C,  m  dan  n  adalah  konstan  sedangkan L  merupakan panjang pelat. Temperatur  yang terjadi
dari perpindahan panas dirumuskan :
𝑇 𝑓 = 𝑇𝑠+𝑇∞ 2 (2)
Apabila  nilai  Re  <  5x10 5 dan  nilai  Pr  ≥  0,6  , maka terdefinisi sebagai aliran laminer sehingga nilai konstanta C pada persamaan Nuselt adalah :
𝑁𝑢 = ℎ𝐿 𝑘 = 0,664 𝑅𝑒 𝐿 1 2 𝑃𝑟 1 3 (3)
Nilai Re dapat dirumuskan : 𝑅𝑒 = 𝑉 ~ 𝐿/ѵ (4)
Dimana V merupakan kecepatan angin [m/s], L adalah  panjang  pelat  [m]  dan  viskositas  kinematik udara ѵ [m 2 /s] Perhitungan  daya  thermal  dapat  dihitung menggunakan rumus :
𝑄 = ℎ 𝐴 𝑇 𝑓 (5)
Q  adalah  daya  thermal  [Watt], ℎ merupakan  nilai konstanata koefisien perpindahan panas konveksi dan luas penampang pelat dinotasikan 𝐴 [m 2 ].

## METODOLOGI PENELITIAN DAN FASILITAS YANG DIGUNAKAN
Metodologi penelitian dilakukan dengan urutan langkah-langkah kegiatan:
 Perancangan dan Pembuatan tabung vortex.
 Penentuan  rasio  dimensi  diameter  dalam difragma  dan  pipa  tabung  vortex  untuk menghasilkan  luaran  udara  dingin  yang  dapat dicapai  melalui  kajian  eksperimen  dengan memvariasikan  diameter  dalam  diafragma  dan variasi besaran input tekanan udara.
 Pengambilan  data  temperatur  panel  mesin berpendingin blower
 Pengujian penerapan pendingin tabung vortex di panel mesin

## Perrancangan dan Pembuatan Tabung Vortex
Pada tahap ini tabung vortex dirancang dan dan dibuat  untuk  dapat  menguji  beberapa  parameter dimensi  dan  tekanan,  beberapa  parameter  yang diubah pada penelitian ini adalah besar tekanan input udara  yang  dialirkan  berbeda  dan  4  vareasi  besar diameter  dalam  diafragma  yaitu  4mm,  6mm,  8mm dan  12mm  seperti  pada  Gambar  5.  Kemudian komponen-komponen  tabung  vortex  tersebut  dibuat melalui  proses  pemesinan  milling,  turning  dan drilling.  Setelah  itu  komponen-komponen  tersebut dirakit  sehingga  menjadi  produk  prototipe  (Gambar 6).
Gambar 5. Diafragma vortex

## Gambar 6. Prototipe tabung vortex

## Pengujian Tabung Vortex
Pengujian  tabung  vortex  dilakukan  pada  dua kondisi  yaitu  (1)  pengujian  tabung  vortex  itu  sendiri untuk  melihat  pengaruh  nilai  rasio  antara  dimensi diameter  dalam  diafragma  dan  pipa  vortex,  serta pengaruh  besar  tekanan  udara  inlet  terhadap  luaran temperatur dingin; (2) Pengujian Pemanfaatan tabung vortex  sebagai  pengganti  blower  pendingin  panel mesin.
Pada pengujian pertama tabung vortex dirangkai  dengan  skema  seperti  pada  Gambar  7 dimana udara  bertekanan  yang  berasal  dari kompressor  dialirkan  melalui  filter  terlebih  dahulu kemudian pengaturan besar tekanan yang masuk pada tabung  vortex  dilakukan  menggunakan pressure regulator .
Pengambilan  data  temperatur  pengujian  seperti temperatur  udara  lingkungan,  temperatur  tabung vortex,  temperatur  luaran    udara  dingin  dan  udara panas  diukur  menggunakan  thermometer  Lutron TM903A  4  channel  dengan  resolusi  0,1°C  serta dilengkapi software Data Acquisition Software . Sebelum pengujian ke-2, sebagai data awal observasi pengambilan data perubahan temperatur  di  dalam  panel  mesin  berpendingin  fan terlebih  dahulu  dilakukan.  Data  observasi  ini nantinya  akan    dibandingkan  dengan  data  perubahan temperatur panel mesin berpendingin tabung vortex.
Keseluruhan  pengujian  pada  penelitian  ini dilakukan  di  laboratorium  CNC  Jurusan  Teknik Manufaktur  kampus  Politeknik  Manufaktur  Negeri Bandung. Penerapan pendingin vortex dipasang pada panel  mesin  bubut  CNC  CKE61130i(Gambar  8) dengan  volume  ruang  udara  dalam  panel  sebesar 0,26m 3 dengan dimensi panel mesin panjang 0,054m,
lebar 0,38m  dan tinggi 1,26m.
Gambar 7. Skema Pengujian tabung vortex.
Gambar 8. Panel mesin bubut CNC CKE6130i

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  pertama  tabung  vortex  adalah  untuk melihat pengaruh  nilai rasio  dimensi antara diameter dalam  diafragma  (IDD)  dengan  diameter  pipa  (idp) terhadap  luaran  temperatur  dingin  tabung  vortex dengan  memberikan  vareasi  besar  tekanan  input. Secara  grafik  perubahan  luaran  temperatur  dingin terlihat pada Gambar 9 dan Gambar 10.
Gambar9.  Grafik  Perubahan  Temperatur  Luaran  Udara Dingin Pada Vareasi Tekanan Input dan diameter
Gambar10.  Grafik  Perubahan  Temperatur  Luaran  Udara Panas Pada Vareasi Tekanan Input dan diameter diafragma
Dari  Gambar  9  dan  Gambar  10  menunjukkan bahwa  dengan  vareasi  tekanan  input  udara  yang berbeda,  temperatur  dingin  terendah    didapakan  dari diameter diafragma 6mm atau pada nilai rasio antara diameter dalam diafragma (idd) dan pipa vortex (idp) sebesar 0,44.
Dengan  nilai  rasio  tersebut  didapatkan  luaran temperatur  udara  dingin  -19°  pada  tekanan  input udara  6  bar.  Semakin  tinggi  besar  tekanan  input udara  yang  diberikan  akan  menghasilkan  luaran temperatur dingin yang lebih rendah. Pada penelitian ini  besar  tekanan  input  lebih  dari  6  bar  belum dilakukan  dikarenakan  kendala  ketersediaan  supply tekanan  udara  di  laboratorium.  Besar  luaran temperatur  panas  tabung  vortex  akan  semakin  tinggi seiring dengan semakin besarnya nilai rasio dan atau besar  tekanan  input  udara  tabung  vortex.  Pada diameter  dalam  diafragma  12mm  atau  pada  nilai rasio 0,87 dan tekanan input udara 6 bar, besar luaran temperatur panas tabung vortex 70°C.

## Observasi Perubahan Temperatur Udara Panel Mesin Berpendingin Fan
Pengamatan  perubahan  temperatur  udara dalam  penel  mesin  selama  mesin  beroperasi dilakukan  untuk  mengetahui  kondisi  temperatur udara yang harus dicapai oleh sistem pendingin panel mesin.  Observasi  ini  dilakukan  selama  320  menit pada  3  posisi  area  komponen  yang  terdeteksi  panas tertinggi.
Dari  Gambar  11  menunjukkan  bahwa  selama mesin CNC beroperasi temperatur udara dalam panel mesin  harus  berada  pada  range  temperatur  antara 25°C hingga 42°C.
Gambar 11. Perubahan Temperatur Udara dalam pan Mesin Berpendingin Fan
Gambar  12.  Perubahan  Temperatur  Udara  Panel  Mesin Berpendingin Tabung Vortex

## Perhitungan Daya Thermal Pada Panel Mesin
Beberapa  parameter  perpindahan  panas  dari hasil pengujian panel mesin berpendingin electric fan diketahui temperatur maksimal T f adalah 42°C. hasil pengukuran  kecepatan  angin  luaran  electric  fan adalah 2,5 m/s dan  temperatur T ~ adalah 20°C.
Hasil  perhitungan  daya  thermal  menggunakan persamaan  (3), (4) dan (5) diketahui  nilai  Re=8.020 ,  Nu=53,4  dan  Q=  22,7  Watt.  Hasil  daya  thermal  Q 22,7  Watt  mendekati  nilai  daya  listrik  electric  fan terpasang sebesar 25 Watt.

## Pengujian Tabung Vortex Sebagai Pendingin Panel Mesin
Penerapan  tabung  vortex  sebagai  pendingin panel  mesin  dipasang  pada  kondisi  optimum  hasil pengujian pertama dimana diameter dalam diafragma 6mm  atau  nilai  rasio  0,44  dan  tekanan  6  bar  agar menghasilkan luaran udara dingin terendah -19°C.
Secara  grafik  perubahan  temperatur  udara dalam  panel  mesin  berpendingin  tabung  vortex terlihat pada Gambar 12.
Dari  Gambar  12  menunjukkan  bahwa  dengan memanfatkan luaran temperatur dingin tabung vortex dapat  menjaga  temperatur  udara  dalam  panel  mesin berada di bawah temperatur 35°C dan dapat dijadikan
alternatif pilihan sebagai pengganti fan pendingin.

## KESIMPULAN
 Tabung vortex berhasil dibuat dan dapat befungsi dengan baik  yaitu terlihat pada luaran temperatur dingin yang dihasilkan.
 Nilai optimum rasio dimensi 0,44 antara diameter dalam  diafragma  dengan  pipa  vortex  dapat menghasilkan  luaran  temperatur  udara  dingin terendah.
 Semakin  besar  tekanan  input  pada  konstruksi tabung  vortex  dengan  nilai  rasio  optimum  akan memberi  luaran  temperatur  dingin  tabung  vortex yang semakin rendah.
 Tabung  vortex  mampu  digunakan  sebagai alternatif pendingin panel mesin.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Vera,  G.D.,  2010,  „The  Ranque-Hilsch  Vortex Tube‟.
[2] “Vortex Tube”, available at http://wikipedia.org , diakses Maret 2013.
[3] Singh, P. K., 2004,  „An  Experimental Performance Evaluation of Vortex Tube‟, IE (I) Journal .MC Vol 84.
[4] Maziar  Arjomandi,Yunpeng  Xue,  2007,  „An Investigation  Of  The  Effect  Of  The  Hot  End Plugs On The Efficiency Of The Ranque-Hilsch Vortex  Tube‟, Journal  of  Engineering  Science and Technology, Vol.2, No.3, 211.
[5] Cengel,  Y.,  2014, Heat  Transfer  A  Practical Approach , Second edition.
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6
8 Lu ar an te m p d in gi n [ °C] Tekanan [Bar]
Hubungan besar tekanan input vs perubahan luaran temp dingin
R=Idd/Idp=0,29
R=Idd/Idp=0,44 R=Idd/Idp=0,58