## KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH ANGLE MIXING CHAMBER TERHADAP UNJUK KERJA
STEAM EJECTOR REFRIGERATION

## Bachtiar Setya Nugraha
Dosen Program Studi S1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muria Kudus E-mail: muria@umk.ac.id

## Abstrak
Sistem steam ejector  refrigeration merupakan  siklus  refrigerasi  dengan  memanfaatkan  energi  yang terbuang.  Siklus steam  ejector  refrigeration menggunakan  fluida  air  sebagai  refrigeran  sehingga  lebih  ramah lingkungan, selain itu sistem steam ejector dinilai lebih efektif di banding sistem-sistem yang lain karena tidak banyak  memerlukan  sumber  energi  yang  besar.  Sistem steam  ejector  refrigeration memiliki  beberapa  bagian utama,  antara  lain  : boiler,  ejector,  condensor, dan evaporator. Sedangkan  bagian-bagian ejector terdiri  dari primary nozzle, mixing chamber, throat, dan subsonic diffuser . Ejector adalah bagian  yang paling berpengaruh terhadap  performansi  siklus  ini,  kinerja ejector dapat  dilihat  dari  besarnya  nilai entrainment  ratio yaitu perbandingan  laju  aliran  massa  dari boiler dengan  laju  aliran  massa  dari evaporator .  Peningkatan  nilai entrainment ratio dapat meningkatkan nilai COP sistem refrigerasi, oleh karena itu dilakukan penelitian  desain dan  variasi  dari  bagian ejector untuk  mengetahui  bentuk  geometri  maximum  yang  berpengaruh    terhadap entrainment  ratio serta  COP  dari  siklus  tersebut.  Penelitian  dilakukan  dengan  memodifikasi  sudut mixing chamber sebesar  3,5°,  5°,  7°,  13°  dan  memvariasikan  kondisi  operasi  tekanan  dari boiler yaitu  pada  tekanan tekanan boiler 5 kg/cm 2 , 4 kg/cm 2 dan 3 kg/cm 2 . Hasil eksperimen menunjukkan bahwa  sudut 7° menghasilkan nilai entrainment ratio sebesar 0,71 pada tekanan boiler 5 kg/cm 2 . Kunci kata : COP, entrainment ratio, steam ejector refrigeration, sudut mixing chamber

## Abstract
Steam  ejector  refrigerator  is  refrigeration  system  uses  dumped  energy  to  generate  useful  refrigeration. Cycle steam is refrigeration's ejector  utilizing water fluid as refrigerant so more environmentally friendly. Use steam ejector evaluated effective at other systems equal because not many need for example big energy. Steam jet ejector refrigeration system have part consist of : boiler, ejector, condensor and evaporator. Meanwhile, part steam  ejector  consist  of  :  primary  nozzle,  mixing  chamber,  throat  and  subsonic  diffuser.  Ejector  is  the  most important part to the performance of this cycle, the ejector performance can be seen from the large value of the entrainment ratio. Entrainment ratio is the ratio between the mass flow rate from the boiler with the mass flow rate  from  the  evaporator.  Increasing  the  value  of  entrainment  ratio  can  increasing  the  value  of  COP  from  a refrigeration  system.  therefore  done  by  design  and  variation  research  of  part  ejector.  In  this  research, experiment  was  done  by  modification  the  corner  of  mixing  chamber  for  3,5°,  5°,  7°,  13°.  ejector  and  also  by varying  the  operation  pressure  of  the  boiler  at  pressure  5  kg/cm 2 ,  4  kg/cm 2 dan  3  kg/cm 2 .  The  results  of  the experiment show that the entrainment ratio optimum 0,71 in angle  for 7° at boiler pressure 5 kg/ cm 2 . Keywords :angle mixing chamber, COP, entrainment ratio, steam ejector refrigeratio

## 1. PENDAHULUAN
Ejector refrigeration adalah  salah  satu  sistem  refrigerasi  yang  banyak  dikembangkan  akhir-akhir  ini. Sistem  ini  merupakan  salah  satu  aplikasi  dari  pemanfaatan  energi  yang  ramah  lingkungan.  Karena ejector refrigeration dapat  memanfaatkan  panas  buang  dari power  plants ,  ruang  pembakaran  dan  pada  proses-proses industri  lainya  dan  digunakan  untuk  menghaslikan  proses  refrigerasi  atau  pendinginan.  Selain  itu  siklus steam ejector refrigeration memiliki konstruksi yang sederhana serta sedikit bagian bergerak sehingga secara ekonomis lebih rendah biaya perawatan dan operasionalnya dibanding siklus kompresi uap [2]. Selain itu pada  sistem ini juga dapat digunakan air sebagai fluida refrigerant sehingga sangat ramah lingkungan [1].
Meskipun  mempunyai  banyak  kelebihan  tetapi  siklus ejector refrigeration ini  mempunyai  kelemahan yaitu memiliki koefisien kinerja (COP) dan kapasitas pendinginan yang rendah. Sehingga diperlukan studi lebih lanjut guna mengetahui karakteristik dan fenomena yang terjadi dari siklus ejector refrigeration ini. Performansi
refrigerasi dari siklus ini tergantung pada  kemampuan ejector meningkatkan flow  rate refrigerasi  yang  melalui evaporator atau parameter ini biasa disebut entrainment ratio. Sehingga nantinya dapat digunakan sebagai dasar untuk menaikkan koefisien kinerja (COP) dan kapasitas pendinginan dari siklus ini.
Bentuk geometri  dan  kondisi  operasi ejector  refrigeration berpengaruh  terhadap  performansi  yang dihasilkan.  Dengan memodifikasi sudut mixing chamber dengan berbagai variasi , sehingga akan diperoleh sudut mixing  chamber maksimum    yang  dapat  meningkatkan  nilai entrainment  ratio kemudian  berpengaruh  pada meningkatnya COP dari siklus ejector refrigeration .

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
a. Deskripsi Mesin Uji
Dalam  penelitian  ini  menggunakan  mesin  uji steam  ejector  refrigeration siklus  terbuka.  Seperti  yang pernah digunakan oleh Meyer [2], tetapi dengan sedikit penambahan dan pengurangan bagian. Pada mesin uji ini digunakan orifice plate flowmeter untuk mengukur laju aliran massa dari primary maupun secondary flow, serta mesin uji ini tidak menggunakan tabung kondenser karena pada penelitian ini hanya akan mengukur entrainment ratio yang dihasilkan. Sehingga uap yang keluar dari ejector langsung ke atmosfer.
Mesin uji ini memiliki beberapa komponen utama yaitu boiler , ejector dan evaporator . Digunakan pula beberapa alat ukur yang diperlukan serta refrigerant berupa air. Gambar keseluruhan dari mesin uji tampak  pada Gambar 1.
Gambar 1. Gambar mesin uji
b. Deskripsi Pengujian
Dalam  penelitian  ini  ada  dua  proses  pengujian,  proses  pengujian  yang  I  digunakan  untuk  validasi  alat ukur,  dan  proses  pengujian  yang  II  yang  nantinya  akan  diteliti  pengaruh  sudut mixing  chamber terhadap entrainment ratio yang dihasilkan.

## Proses Pengujian I
Pengujian  ini  berfungsi  sebagai  validasi  alat  ukur.  Alat  ukur  yang  akan  divalidasi  adalah orifice  flow meter yang digunakan untuk mengukur laju aliran massa dari uap, kemudian hasil yang diperoleh dibandingkan dengan hasil perhitungan teori. Karena keterbatasan teori yang ada, maka yang akan divalidasi adalah laju aliran massa dari primary flow. Gambar 2 merupakan alat pengukuran primery flow
Kemudian teori yang digunakan untuk validasi adalah teori analisis yang dikembangkan oleh B.J. Huang [4], dan pengujianya meliputi variasi kondisi operasi boiler steam ejector refrigeration yaitu pada tekanan 3, 4, 5 kg / terhadap primary flow yang keluar dari nozzle .
Gambar 2.  Alat pengukuran primary flow

## Proses Pengujian II
Pada  pengujian  ini  akan  diteliti  pengaruh  sudut mixing  chamber terhadap entraintment  ratio yang dihasilkan.  Pada  pengujian  ini  kodisi  operasi boiler juga  divariasikan  pada  tekanan 3,  4,  5 kg / kemudian pada  setiap  tekanan  kita  lakukan  pengujian  dengan  variasi  sudut mixing  chamber kemudian  kita  amati entrainment  ratio yang  dihasilkan  oleh steam  ejector  refrigeration .  Gambar  3    merupakan  alat  pengukuran secondary flow. Pada pengujian ini juga dilakukan pengambilan data untuk distribusi tekanan sepanjang ejector.
Gambar 3.  Alat  pengukuran secondary flow dan distribusi tekanan

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Entraintment Ratio Pada Setiap Nozzle Exit Position . Setelah  didapatkan primary dan secondary  flow maka  selanjutnya  dapat  dihitung entraintment  ratio, compression ratio dan expansion ratio dari siklus steam ejector refrigeraition tersebut menggunakan Persamaan 1, 5 dan 6. Dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel 3.1.
3.2 Tekanan Dan Kecepatan Sepanjang Ejector Pada Setiap Nozzle Exit Position
Setelah  didapatkan entraintment  ratio dari  system  kemudian  dapat  dihitung  tekanan  dan  kecepatan sepanjang ejector pada  tiap  –  tiap  tekanan  operasi boiler untuk  setiap nozzle  exit  position. Dan  hasilnya  dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 1. Entraintment Ratio , Compression  Ratio, dan Expansion Ratio
Variasi sudut mixing chamber ( Pa) (kg/s) CR EXR 3,5° 591657 92182,51 101325 0,00662 0,003346 1,099178 6,418322 0,50545 493591 94961,06 101325 0,005723 0,00284 1,067016 5,197825 0,49623 395524 97380,03 101325 0,004849 0,002201 1,040511 4,061654 0,45391 5° 591657 90057,74 101325 0,00662 0,003553 1,125112 6,569752 0,53671 493591 94634,17 101325 0,005723 0,003072 1,070702 5,21578 0,53681 395524 97429,07 101325 0,004849 0,002517 1,039987 4,05961 0,51904 7° 591657 90711,51 101325 0,00662 0,004672 1,117003 6,522403 0,70580 493591 95042,78 101325 0,005723 0,00368 1,066099 5,193356 0,64303 395524 97085,84 101325 0,004849 0,002226 1,043664 4,073962 0,45897 13° 591657 90711,51 101325 0,00662 0,004392 1,117003 6,522403 0,66817 493591 94879,34 101325 0,005723 0,003571 1,067935 5,202302 0,62401 395524 97085,84 101325 0,004849 0,002201 1,043664 4,073962 0,45398
3.3 Grafik Distribusi Tekanan Sepanjang Ejector.
Gambar  4  adalah  grafik  distribusi  dari  kecepatan  dan  tekanan  sepanjang ejector ,  dari  grafik  ini  dapat dilihat tekanan rendah yang dihasilkan pada posisi keluar nozzle akan semakin tinggi pada posisi y, m dan 3 . Hal ini menunjukan bahwa aliran yang keluar dari nozzle bertemu aliran dengan tekanan yang lebih tinggi dari evaporator seningga tekanan pada posisi y menjadi semakin tinggi dan mengalami pencampuran pada tekanan konstan  sampai  posisi m dan  akhirnya  tekanan  akan  mulai  terpengaruh  dengan  tekanan condenser sehingga menjadi  semakin  tinggi  pada  posisi 3. Dari  Gambar  5.1  juga  dapat  dilihat  bahwa  semakin  tinggi  tekanan  dari boiler akan menghasilkan tekanan keluar nozzle yang semakin rendah.
3.4 Grafik Distribusi Kecepatan Sepanjang Ejector.
Gambar  4.    adalah  grafik  yang  menunjukan  perubahan  kecepatan  pada  posisi 1,  y,  m dan 3 didalam ejector berdasarkan hasil perhitungan yang telah diperoleh.
Dari  Gambar  4  dapat  dilihat  kecepatan  tinggi  yang  keluar  dari  nozzle  berangsur  –  angsur  turun  pada posisi y,  m dan 3. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  momentum  aliran  semakin  turun  menuju ejector  exit,  dan juga dapat  dilihat  bahwa  semakin  tinggi  tekanan  dari boiler akan  semakin  tinggi  pula  kecepatan  aliran  yang dihasilkan, selain itu dapat dilihat juga bahwa kecepatan campuran aliran Vm tertinggi  pada posisi NXP = 100 mm
Gambar 4.  Grafik distribusi kecepatan dan tekanan sepanjang ejector
3.5 Grafik Pengaruh Nozzle Exit Position terhadap Entraintment Ratio Dari  Gambar  5  dapat  dilihat  bahwa  semakin  tinggi  tekanan boiler menghasilkan entraintment  ratio semakin tinggi pula. Hal ini disebabkan dengan tekanan boiler yang tinggi akan menghasilkan kecepatan keluar nosel  dengan  kecepatan  aliran  yang  lebih  tinggi  pula.  Sehingga  kecepatan  aliran  akan  tetap  tinggi  meskipun sudah bertemu dengan secondary flow sampai posisi y dan bercampur dengan secondary flow sampai posisi m , seperti terlihat pada grafik distribusi kecepatan.
Sedangkan efek dari sudut mixing chamber, dapat dilihat dari grafik bahwa entraintment ratio cenderung tinggi  pada  sudut  5°  dan  paling  tinggi  pada  sudut  7°.  Gambar  5    menunjukkan  bahwa  sudut mixing  chamber optimal adalah 7° yang menghasilkan nilai entrainment ratio 0,71 pada kondisi operasi tekanan boiler 5 kg/cm 2
Gambar 5.  Perbandingan entraintraintment ratio.

## 3.6 Distribusi Tekanan Sepanjang Ejector
Pada  gambar  6    sampai  gambar  9    menunjukkan  distribusi  tekanan  pada  masing-masing  sudut mixing chamber. Pada keempat sudut memiliki karakteristik tekanan yang hampir mirip, yang berbeda adalah besarnya tekanan  yang  terjadi  pada  masing-masing  titik.  Pada  titik  1  dan  2  tekanan  hampir  berimbang  karena  pengaruh tekanan  pada  bagian  tersebut  sangat  kecil.  Menuju  titik  3  tekanan  sudah  mengalami  perubahan  yang  cukup signifikan menuju titik 4, hingga didapat tekanan maksimal pada titik 9 yang berada pada throat. Pada titik ini memiliki  nilai  tekanan  maksimum  sebesar  104922  Pa  yang  terjadi  pada  tekanan  boiler  5  kg/cm 2 dan  sudut mixing  chamber  7°.  Ini  terjadi  karena  pada  titik  tersebut  merupakan  titik  vakum  terendah  sehingga  tekanan hisapnya semakin besar.
Pada trackline berikutnya  grafik  menunjukkan  terjadinya  penurunan  hingga  nilai  yang  terjadi  hampir sama dengan tekanan atmosfer yang terjadi mulai titik 13 hingga titik 14 yang berada pada sisi diffuser.
Gambar 6.  Grafik distribusi tekanan pada ejector sudut mixing chamber 3,5°
Gambar 7.  Grafik distribusi tekanan pada ejector sudut mixing chamber 5°
Gambar 8.  Grafik distribusi tekanan pada ejector sudut mixing chamber 7°
Gambar 9.  Grafik distribusi tekanan pada ejector sudut mixing chamber 13°
4. KESIMPULAN DAN SARAN
4.1   Kesimpulan
1. Sudut mixing  chamber mempengaruhi  nilai  entrainment  ratio  dari  sistem  refrigerasi  yang  terjadi  karena pengaruh luasan constant area nozzle . 2. Nilai entrainment  ratio  (ω) paling  tinggi  terjadi  pada  sudut  mixing  chamber  7°  menghasilkan entrainment ratio (ω)= 0,71 pada tekanan boiler 5 .
3. Semakin  tinggi  tekanan boiler, semakin  tinggi  kecepatan  yang  terjadi  di  sepanjang ejector maka  semakin besar  daerah  vakum  yang  dihasilkan.  Hal  ini  yang  menyebabkan  laju  aliran  massa secondary  flow yang terhisap semakin banyak sehingga semakin besar nilai entrainment ratio yang dihasilkan.
4. Orifice  plate  flowmeter dapat  digunakan  untuk  mengukur  laju  aliran  massa  sistem  dengan  error  0,12%  - 19,6% terhadap laju aliran massa teoritis.
5. Distribusi  tekanan  terjadi  sepanjang ejector dan  pada  pengujian  didapat  nilai  maximum  pada  titik  9  pada throat sebesar 104922 Pa

## 4.2   Saran
1. Untuk  penelitian  lebih  lanjut  diperlukan  pula  variasi  pengaruh  tekanan condenser sehingga  dapat  diketahui tekanan condenser kritis dan tekanan condenser optimum terhadap performansi sistem.
2. Perlu ditambahkan pemanas yang lebih besar pada boiler agar untuk pengukuran pada tekanan 5 kg/cm 2 bisa didapatkan hasil yang lebih valid.
3. Untuk  meningkatkan  keamanan  sebaiknya  ditambahkan  juga pressure  relief  valve pada boiler guna menghindari tekanan boiler yang terlampau tinggi.
4. Pada pengukuran distribusi tekanan diperlukan orang banyak agar pengambilan datanya lebih akurat.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] Chunnanond K. Aphornratana S, (2003), “ Ejectors: applications in refrigeration technology”, Thammasat University.
[2] Meyer  J,  (2006),  ” Steam  jet  ejector  cooling  powered  by  low  grade  waste  or  solar  heat”  , Stellenbosch University, Belanda.
[3] Changel, (2005), “ Thermodynamics an engineering approach” , 5 th 1ed , McGraw-Hill.
[4] Huang B.J, Chang J.M, C.P. Wang and V.A, Petrenko , A (1999), “1-D analysis of ejector performance” , Int. J. Refrigeration, 22, 354-364.
[5] Pridasawas W, (2003), “ Solar-driven ejector refrigeration system case”, study in thailand, Bangkok.
[6] White, Frank M, (1988), “ Mekanika fluida” edisi keempat , Erlangga, Jakarta.
[7] Nguyen. V.M, (2000), “ Development of a solar-powered passive ejector cooling system” , Nottingham NG7 2RDUK.