Utomo, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 120-126
Analisa Variasi Tekanan Fluida Primer, Tekanan Discharge dan Posisi Keluaran Nozzle (NXP) pada Steam Ejector Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic (CFD)
MSK Tony Suryo Utomo*, Susilo Adi Widyanto, Abibrojo Sekar Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp +622474600 *E-mail: msktonysu@yahoo.co.id

## Abstract
Numerical  steam  ejector  simulation  is  performed  by  varying  the  pressure  of  the  primary  fluid, discharge  output  and  nozzle  exit  position  (NXP).  The  variation  of  primary  fluid  and  discharge  has been done to obtain the average value of steam ejector called entrainment ratio (ER), critical pressure and maximum discharge. The NXP treatment  was performed to  determine the best  nozzle position  of the steam with the highest ER ejector. The primary fluid pressure varied is 2.66 bar, 3.00 bar and 3.50 bar. Discharge pressure is varied from 0.20 bar to ejector. NXP varied from the -3 mm or -0.11 Den to + 35 mm or 1.3 Den positions. The modeled fluid is an ideal gas with the assumption that the fluid is in saturated  steam condition. The turbulance modeling used k-ε to  model  flow  with high  Re values  and may  allow for more accurate  results. Geometry  modeling  was made using  CAD software Solidworks 2015, geometry exported to  Ansys 16.2 and in  meshing  using  y + adaption. The results indicate that the  primary  pressure  causes  a  rise  in  critical  pressure  but  entrainment  ratio  of  the  score  decreases. The increase of the discharge pressure decreases the shock distance to the nozzle output. Shockwave is produced  by  dramatic  increase  in  pressure  as  the  flow  goes  from  supersonic  to  subsonic.  When  the discharge  pressure  value  got  near  to  the  critical  pressure  the  weaker  shockwave  approached.  NXP from  positions  of  -3  mm  to  +35  mm  indicates  the  position  of  NXP  +  19  mm  or  0.7  D en shows  the highest ER value, at the NXP -3 mm or -0.11 D en the ER value is the lowest.
Keywords : Steam ejector, entrainment ratio, primary fluid pressure, discharge pressure, critical pressure

## Abstrak
Dilakukan simulasi numerik steam ejector dengan memvariasikan tekanan dari fluida primer, tekanan discharge dan  posisi  keluaran nozzle (NXP).  Perlakuan  variasi  tekanan  fluida  primer  dan  tekanan discharge dilakukan untuk mendapat nilai nilai performa steam ejector yang disebut entrainment ratio (ER),  tekanan  kritis  ( critical  pressure )  dan  tekanan discharge maksimum.  Perlakuan  variasi  NXP dilakukan  untuk  mengetahui  posisi  keluaran nozzle terbaik  dari steam  ejector dengan  nilai  ER  yang paling tinggi. Tekanan fluida primer yang divariasikan yaitu 2.66 bar, 3.00 bar dan 3.50 bar. Tekanan discharge divariasikan  dari  0.20  bar  sampai ejector mengalami  aliran  balik.  NXP  yang  divariasikan yaitu  dari  posisi  -3  mm  atau  -0.11  D en sampai  +  35  mm  atau  1.3  D en .  Hasil  simulasi  menunjukkan bahwa  kenaikan  tekanan  fluida  primer  menyebabkan  naiknya critical  pressure tetapi  membuat  nilai entrainment  ratio turun.  Kenaikan  tekanan discharge menyebabkan  turunnya  jarak shockwave ke posisi keluaran nozzle . Shockwave tercipta karena kenaikan tekanan yang signifikan secara cepat, saat tekanan discharge mendekati  nilai critical pressure menunjukkan shockwave yang  semakin  lemah. Hasil  variasi  NXP  dari  posisi  -3  mm  ke  +35  mm  menunjukkan  kenaikan  dan  penurunan  dari entrainment  ratio,  posisi  NXP  +  19  mm  atau  0.7  D en menunjukkan  nilai  ER  paling  besar  sedangkan posisi NXP -3 mm paling kecil. Fluida yang dimodelkan ialah gas ideal dengan asumsi fluida berada pada  kondisi  saturasi  uap.  Pemodelan  aliran  menggunakan k- 𝜀 standard untuk  memodelkan  aliran dengan  nilai Re yang tinggi dan dapat  menerapkan perlakuan dinding agar hasil  yang didapat akurat. Pemodelan  geometri  dibuat  dengan  menggunakan software CAD  yaitu  Solidworks  2015,  geometri di eksport ke Ansys 16.2 dan di meshing dengan perlakuan adapsi y + .
Kata kunci : Steam ejector , entrainment ratio , kontur kecepatan, critical pressure
1. Pendahuluan
Steam  ejector merupakan  salah  satu  jenis  dari  pompa  dinamik  yang  prinsipnya  menciptakan  ruang  bertekanan rendah (vakum) oleh fluida penggeraknya ( motive fluid ) sehingga fluida sekunder yang berada pada tekanan lebih tinggi akan terhisap ke ruang  vakum tersebut  [1],  salah  satu fungsi steam ejector adalah untuk proses desalinasi. Desalinasi adalah  proses  pemurnian  atau  pengurangan  garam  terlarut  di  dalam  air  laut  yang  lebih  besar  dari  1000  ppm  hingga 40.000 ppm menjadi air tawar dengan konsentrasi garam terlarut di bawah 1000 ppm [2].  T hermal vapor compressor
Utomo, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 120-126
(TVC) atau steam ejector adalah salah satu komponen dari desalination plant , fungsinya yaitu untuk membuat kondisi vakum atau mengkestrasi uap pada proses desalinasi [3].
Keefektifan steam  ejector bergantung  pada  nilai  yang  disebut entrainment  ratio (ER) [4].  Penelitian  –  penelitian sudah  dilakukan  untuk  melihat  pengaruh  geometri  terhadap  nilai  ER  menggunakan  rumus  empiris,  ataupun  melalui eksperimen sampai tahun 1990 [5]. Pada  penelitian  ini steam  ejector dengan  geometri  baru  dimodelkan  dan disimulasikan  menggunakan software CFD dengan  memvariasikan terhadap tekanan  fluida primer, tekanan discharge dan  memvariasikan  posisi  keluaran nozzle (NXP).  Penggunaan  CFD  pada  penelitian  ini  dipilih  karena  memiliki beberapa keuntungan salah satunya yaitu dapat menunjukkan data aliran massa, kontur kecepatan dan distribusi tekanan dari steam  ejector secara  jelas.  Penggunaan  CFD  ini  akan  membuat  gambaran  pengetahuan  tentang  suatu  hal  yang terjadi  pada  suatu  proses  atau  sistem  seperti  fenomena  aliran  pada steam  ejector menjadi  semakin  jelas.  Keuntungan lain yang dapat diperoleh yaitu sangat memungkinkan untuk menganalisanya.
Tujuan dari penelitian  ini  yaitu untuk  mendapatkan  nilai -  nilai performa dari steam ejector yang  disebut dengan entrainment ratio (ER) dan tekanan kritis ( critical pressure ), sedangkan perlakuan variasi NXP untuk mengetahui posisi keluaran nozzle terbaik dari steam ejector dengan nilai ER yang paling tinggi.

## 2. Metode penelitian
2.1. Diagram alir
Untuk memudahkan dalam melakukan penelitian ini maka dibuat diagram alir penelitian seperti ditunjukkan pada Gambar 1 berikut.

## 2.1. Pemodelan CFD
Geometri  yang  akan  diteliti  terlihat  pada  Tabel  1,  dengan properties dari  fluida  ditunjukkan  pada  Tabel  2  dan pemodelan turbulensi menggunakan k-epsilon standard .
Tabel 1. Geometri Steam Ejector untuk Dianalisa Model Constant Pressure Mixing Panjang Total 969.82 mm Inlet Primer D 50 mm Inlet Sekunder D 68.50 mm Throat Ducting D 50 mm Converging inlet D 59.23 mm Throat Nozzle D 11.64 mm Exit Nozzle D 26.94 mm
Tabel 2. Properties dari Fluida [4]
Variasi  yang  dilakukan  terdiri  dari  variasi  tekanan  fluida  primer,  tekanan discharge dan  posisi  keluaran nozzle (NXP)  berdasarkan  Tabel  3.  Hasil meshing ditunjukkan  pada  Gambar  3,  dengan  diterapkannya  adapsi  perlakuan dinding enhance wall treatment dan sudah dilakukannya uji grid independence . Jumlah mesh setelah dilakukan adapsi sebesar 65407 elemen dengan skewness maksimum 0.3733.
Tabel 3. Variasi yang Diujikan
Variasi yang dilakukan Keterangan Variasi Tekanan Fluida Primer Variasi  tekanan  dilakukan  dengan  mengkondisikan variasi tekanan fluida primer pada tekanan 2.66 Bar, 3.00 Bar dan 3.50 Bar. Variasi tekanan discharge divariasikan dari tekanan 0.20  bar sampai  mencapai  kondisi reversed flow . Variasi Posisi Keluaran Nozzle (NXP) Variasi  posisi  keluaran  nozzle  (NXP)  dilakukan  dengan dengan memvariasikan NXP di titik -3 sampai + 35 mm.
Property Model Density Ideal gas model Cp (specific heat) 2170 J/KgK Conductivity 0.0276 W/mK Viscosity 1.31619 x 10 -5 kg/ms Molecular weight 18.015 kg/kmol Temperature 129.47°C
NXP = 0
+ D en =26.94mm - L
Utomo, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 120-126
Gambar 2. Hasil meshing dan adapsi y + .
3. Hasil dan Pembahasan
3.1  Hasil Variasi Tekanan Fluida Primer dan Tekanan Discharge
Pada kasus ini tekanan fluida primer divariasikan pada 2.66, 3.00 dan 3.50 bar, tekanan fluida sekunder dijadikan tetap pada 0.16 bar sementara tekanan discharge divariasikan dari 0.20 bar sampai ke kondisi reversed flow dan posisi keluaran nozzle diletakkan pada posisi NXP 0.
Gambar  3  menunjukkan  pengaruh  variasi  tekanan discharge terhadap  nilai entrainment  ratio .  Saat  tekanan discharge 0.2 sampai 0.24 bar, aliran dianggap masih berada pada kondisi choked flow , sedangkan tekanan 0.26 sampai 0.28 bar aliran berada pada kondisi unchoked flow . Critical pressure dianggap berada pada tekanan discharge 0.24 bar. Saat tekanan fluida primer sebesar 3.00 bar, tekanan discharge 0.2 sampai 0.28 bar dianggap masih berada pada kondisi choked flow , sedangkan tekanan 0.30 bar aliran berada pada kondisi unchoked flow . Pada tekanan fluida primer sebesar 3.50 bar, tekanan discharge 0.2 sampai 0.30 bar dianggap masih berada pada kondisi choked flow , sedangkan tekanan 0.32 dan 0.34 bar aliran berada pada kondisi unchoked flow .
Dari  Gambar 3  tersebut dapat dilihat  bahwa  nilai  entrainment ratio paling  besar saat kondisi  choked  flow adalah pada  saat  tekanan  fluida  primer  sebesar  2.66  bar,  sementara  tekanan  fluida  primer  3.50  bar  entrainment  ratio  yang dihasilkan  paling  kecil.  Namun critical  pressure paling  besar  adalah  saat  tekanan  fluida  primer  3.50  bar,  sementara critical pressure paling kecil adalah saat 2.66 bar.
Gambar 5 menunjukkan perbedaan kontur aliran yang dihasilkan dengan memvariasikan tekanan discharge dengan tekanan fluida primer sebesar 2.66 bar. Tekanan discharge 0.20 bar memiliki shock train yang paling panjang dan jarak shock wave yang paling jauh diukur dari posisi keluaran nozzle . Seiring dengan penambahan tekanan discharge sampai pada tekanan 0.32 bar panjang shock train tersebut semakin pendek begitupula dengan jarak posisi keluaran nozzle ke shock wave . Tekanan discharge 0.26, 0.28 dan 0.32 bar menunjukan shockwave yang tidak terbentuk dan menunjukkan bahwa aliran berada pada kondisi unchoked flow dan reversed flow .
Gambar 4. Kontur kecepatan ( mach number ) tekanan fluida primer 2.66 bar dengan variasi tekanan discharge (a) 0.20 Bar (b) 0.22 Bar (c) 0.24 Bar  (d) 0.26 Bar (e) 0.28 Bar (f) 0.32 Bar.
Gambar  5  (a),  (b)  dan  (c)  menunjukkan  kontur  kecepatan  1 mach pada  variasi  tekanan  fluida  primer  dengan tekanan fluida sekunder konstan pada 0.16 bar dan tekanan discharge konstan pada 0.20 bar. Terlihat bahwa shock train memanjang seiring dengan penambahan dari tekanan fluida primer, Gambar 5 (a) tekanan fluida primer sebesar 2.66 bar memiliki panjang shock train paling pendek sedangkan Gambar 5 (b) tekanan fluida primer sebesar 3.50 bar memiliki shock train paling panjang.
Gambar 5. Kontur kecepatan ( mach number ) dengan tekanan tekanan discharge 0.20 bar. (a) Tekanan fluida primer 2.66 bar (b) Tekanan fluida primer 3.00 bar (c) Tekanan fluida primer 3.50 bar.
Posisi Shock wave Posisi Shock wave Posisi Shock wave (b) (a) (c)
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Utomo, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 120-126
Gambar 6(a) menunjukkan distribusi tekanan sepanjang sumbu axis dari posisi keluaran nozzle hingga posisi outlet dengan  tekanan  fluida  primer  sebesar  2.66  bar,  tekanan  fluida  sekunder  0.16  bar  dan  divariasikan  dengan  tekanan discharge. Aliran fluida pada tekanan discharge 0.32, 0.28 dan 0.26 berada pada keadaan choked flow dan menunjukkan adanya shockwave yang kuat. Pada kondisi ini nilai entrainment ratio paling tinggi.
Gambar 6. Grafik distribusi tekanan (a) pengaruh variasi tekanan discharge sepanjang sumbu axis . (b) pengaruh variasi tekanan fluida primer sepanjang sumbu axis dengan P d = 0.20 bar, P s = 0.16 bar.
Gambar 6(b) menunjukkan grafik distribusi tekanan dari pengaruh variasi tekanan fluida primer sepanjang sumbu axis hingga  sisi  outlet dengan  tekanan  discharge  0.20  bar  dan  tekanan  fluida  sekunder  0.16  bar.  Gambar  tersebut menunjukkan  bahwa  kenaikan  tekanan  fluida  primer  membuat  jarak shock  train semakin  panjang.  Kenaikan  tekanan fluida  primer  juga  membuat shock  wave semakin  kuat  dan  menyebabkan  nilai entrainment  ratio naik  [4].  Tekanan fluida primer 3.50 bar memiliki shock wave yang paling kuat.
3.2  Hasil Variasi Posisi Keluaran Nozzle (NXP)
Pada variasi posisi keluaran nozzle (NXP) posisi nozzle divariasikan dari posisi  -3  mm sampai +35  mm, tekanan fluida primer dipertahankan sebesar 2.66 bar tekanan fluida sekunder 0.16 bar dan tekanan discharge sebesar 0.20 bar. Gambar  7  menunjukkan  grafik  ER  terhadap  hasil  variasi  posisi  keluaran nozzle (NXP).  Dapat  dilihat  bahwa  aliran massa  bervariasi  tergantung  dari  NXP,  dari  data  tersebut  dapat  dilihat  nilai  ER  ( entrainment  ratio ).  NXP  19  mm mempunyai nilai ER yang paling besar sedangkan NXP -1.5 mempunyai nilai ER yang paling kecil.
Gambar 7. Nilai entrainment ratio dari hasil posisi keluaran nozzle .
Gambar 8(a) menunjukkan kontur kecepatan M  1 dari variasi posisi keluaran nozzle dengan tekanan fluida primer sebesar 2.66  bar, tekanan  fluida  sekunder 0.16  bar dan tekanan discharge 0.20  bar. Dapat dilihat  bahwa NXP  -3  mm dengan  nilai  ER  yang  paling  rendah  mempunyai  panjang shock  train yang  paling  pendek  sedangkan  NXP  +19  mm memiliki shock train yang paling panjang.
(a)
(b)
Utomo, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 120-126
Gambar  8(b)  menunjukkan  distribusi  tekanan  sepanjang  sumbu axis dari  posisi  keluaran nozzle (NXP)  hingga mencapai  sisi outlet dengan  tekanan  fluida  primer  sebesar  2.66  bar,  tekanan  discharge  0.20  bar  dan  tekanan  fluida sekunder 0.16 bar. NXP -3, 11 dan 19 mm dipilih untuk ditampilkan kedalam grafik karena nilai entrainment ratio (ER) pada 3 posisi ini terdapat nilai ER yang paling kecil hingga paling besar. Gambar 8(b)  menunjukkan perbedaan grafik yang tidak signifikan,  ini disebabkan karena perbedaan nilai entrainment ratio yang kecil. NXP +19 mm dengan nilai ER paling tinggi memiliki shock train paling panjang sedangkan NXP -3 mm dengan nilai ER paling rendah memiliki shock train paling pendek. Shock wave paling kuat ditunjukkan pada NXP +19, sedangkan NXP -3 mm menunjukkan shock wave yang paling lemah.
Gambar 8. (a) Grafik kontur kecepatan ( mach number ) dari efek variasi posisi keluaran nozzle (b) Grafik distribusi tekanan pengaruh variasi posisi keluaran nozzle (NXP).

## 4 Kesimpulan
Hasil variasi tekanan fluida primer dengan tekanan discharge dan sekunder konstan pada Gambar 3 menunjukkan bahwa  kenaikan  tekanan  fluida  primer  membuat  nilai entrainment  ratio (ER)  semakin  kecil,  kenaikan  tekanan  fluida primer membuat critical pressure semakin tinggi dan shock train semakin panjang. Pada Gambar 5 ditunjukkan bahwa kenaikan  fluida  primer  membuat shock  wave semakin  kuat.  Critical pressure pada  tekanan  fluida  primer  2.66  bar dianggap pada tekanan discharge 0.24 bar, tekanan  fluida primer 3.00 bar dianggap pada tekanan discharge 0.28 dan tekanan fluida primer 3.50 bar dianggap pada tekanan discharge 0.30 bar. Hasil variasi tekanan discharge dengan tekanan fluida primer dan fluida sekunder konstan yang ditunjukkan pada Gambar  4  menunjukkan shock  train akan  semakin  memendek  seiring  dengan  penambahan  tekanan discharge . Penambahan tekanan discharge menyebabkan jarak shockwave ke keluaran nozzle semakin pendek. Hasil variasi posisi keluaran nozzle (NXP) pada Gambar 7 menunjukkan kenaikan nilai entrainment ratio (ER) dari NXP -3 mm sampai NXP +19 mm, setelah itu nilai ER turun seiring bertambahnya nilai NXP. NXP +19 mm memiliki nilai  ER  yang  paling  tinggi  sedangkan  NXP  -3  mm  memiliki  nilai  ER  yang  paling  rendah.  Dari  kontur  kecepatan ditunjukkan  bahwa  NXP  +19  mm  dengan  nilai entrainment  ratio paling  besar  memiliki shock  train paling  panjang dengan shock  wave paling  kuat  dan  NXP  -3  mm  dengan  nilai entrainment  ratio paling  rendah  memiliki shock  train paling  pendek  dengan shock  wave paling  lemah,  ini  berarti shock  wave yang  lebih  kuat  mengindikasian  nilai entrainment ratio yang lebih besar.

## Daftar Pustaka
[1]   Prabowo  H.,  2011,  “Analisa  Perubahan  Variasi  Tekanan  Inlet  Nozzle  dan  Posisi  Nozzle  Terhadap  Nilai Entraintment Ratio Pada Steam Ejector Menggunakan Metode CFD”. Tugas Akhir, Universitas Indonesia, Hal. 7.
[2]   Geni R., Sumijanto S., 1999, “Perancangan Sistim Pemurnian Air Laut Menjadi Air Tawar Berdasarkan Metoda Desalinasi Multistage Flash Distillation (Msf)”. Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-IV.
[3]  Park I., Choi D., Ha JS., 2005, “Design and application of thermal vapor compressor for multi-effect desalination plant”. Journal of Desalination, Vol. 182, No. 1, Hal. 199-208.
[4]  Ji M., Utomo T., Woo J., Lee Y., Jeong H., Chung H., 2010, “CFD Investigation On The Flow Structure Inside Thermo Vapor Compressor”. Journal of Energy, Vol. 35, No. 6, Hal. 2694 – 2702.
[5]  Jaber M., Dandachi D., 1990, “Steam Air Ejector Performance and its Dimensional Parameters”. A Doctoral Thesis, Loughborough University, Hal. 57.
NXP 19 mm NXP 0 mm NXP 1.5 mm NXP 3 mm NXP 7 mm NXP 11 mm NXP 15 mm NXP -3 mm (a) (b)