Analisis Fenomena Separasi Energi Ranque –Hilsch Vortex Tube Menggunakan Kaji Eksperimental dan Simulasi Numerik

RADI SURADI KARTANEGARA, Ir. Samsul Kamal, MSc, PhD

2012 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melihat pengaruh variasi tekanan udara masuk dan variasi jumlah nozel yang digunakan pada Ranque-Hilsch vortex tube (disingkat menjadi RHTV), kemudian akhirnya mendapatkan hubungan antara penurunan dalam suhu dingin (Tc) dan efisiensi pendinginan(v) terhadap perubahan fraksi massa dingin aliran (c ).Untuk mendapatkan bagaimana hasil kinerja RHTV ini , dilakukan dalam dua langkah proses, yaitu eksperimental dan proses simulasi numerik. Dalam eksperimental di laboratorium, RHTV yang digunakan memiliki diameter dalam 10mm dan 100 mm panjang. Tekanan udara masuk yang digunakan adalah bervariasi antara 2, 3, 4 dan 5 bar dan nosel yang dipasang di RHTV bevariasi jumlahnya yaitu 2, 3 dan 4 nosel (di mana jumlah luas area penampang dari berapa pun banyak noselnya dibuat sama). Dalam proses simulasi numerik, perangkat lunak yang digunakan adalah CFD Numeca Fine 7.3 dengan model turbulensi K-ε, dari hasil simulasi numeriknya kemudian dipakai untuk membandingkan hasil eksperimen dari RHTV yang menggunakan 3 dan 4 nozel pada tekanan 5 bar dan pada fraksi dingin sekitar 48,1% yang kemudian hasilnya dianalisa bagaimana distribusi sifat udara di dalam RHTV. Hasil experimental pada fraksi dingin antara 20% sampai dengan 90% dan pada berbagai tekanan udara masuk, RHTV dengan nosel 3 umumnya mempunyai kinerja Tc dan v yang rendah dibanding dengan Nosel 2 dan 4 , sedangkan RHTV dengan nosel 4 umumnya mempunyai kinerja yang paling baik dari RHTV lainnya , kecuali pada tekanan 5 bar RHTV dengan nosel 2 ataupun 4 mempunyai kinerja yang relatif sama. Secara umum, hubungan pengaruh variasi tekanan masuk pada perubahan Tc dan v terhadap perubahan peningkatan c pada setiap RHTV akan semakin meningkat ketika tekanan masuknya ditingkatkan pula. Hasil simulasi numerik menunjukkan distribusi temperatur dalam arah aksial dari RHTV meningkat menuju arah keluaran akhir panas, tetapi untuk keluaran akhir dingin terjadi penurunan temperatur. Hasil lainnya juga menunjukkan fenomena proses kompresi di RHTV baik secara radial di penampang melintang dan secara aksial kearah keluaran akhir panas, sedangkan ke arah keluaran akhir dingin terjadi proses ekspansi .Hasil yang lain adalah, distribusi temperatur dan tekanan di RHTV dengan 4 nosel lebih rendah daripada RHTV dengan 3 nosel, hal ini sesuai dengan hasil eksperimental.

The purpose of this study was to look at the influence of the inlet air pressure variations and variations in the number of nozzles used in Ranque-Hilsch vortex tube (shortened to RHTV), and then finally get the relationship between the decrease of temperature at the end of cold oulet section (Tc) and cooling efficiency (v) toward in changes of the cold mass fractions (c). To obtain of RHTV results performances, two steps process was carried out, ie experimentally and numeric simulation In experiment at laboratorium, The RHTV which used has a 10 mm diameter and 100 mm long. Inlet air pressure used is varied between 2, 3, 4 and 5 bar and amount of nozzles mounted on RHTV varies ie 2, 3 and 4 nozzle (where the total of cross-sectional area of nozzle used created equal). Whereas in the process of numerical simulations, which use CFD software Numeca Fine 7.3 with K-ε turbulence model, from numerical simulation results used to compare experimental results RHTV using 3 and 4 nozzles at a pressure of 5 bar and on cold fraction around 48.1% which is then analyzed to see the nature of the distribution of air in the RHTV Experimental results on cold fraction between 20% to 90% and at various pressures, RHTV with 3 nozzles generally has lower performance than RHTV with 2 and 4 nozzles, while RHTV the nozzle 4 has better performance than RHTV the nozzle 2. On the pressure of 5 bars, RHTV with 2 or 4 nozzles have the same relative performance In general, the influence of variation inlet pressure which used on relationship of Tc and v toward an increase c on each RHTV will increase when the inlet pressure increased as well.. The results of numerical simulation shows the temperature distribution in axial directions of RHTV increased towards the end hot sectiont, but for section of cold end the temperatur decline occurs. The results also show the phenomenon of the compression process in RHTV both radially in the tube cross section and axially toward hot end section, while toward of cold end section the expansion process occurs. Another resulsts shows, that the temperature and pressure distribution on RHTV with 4 nozzles are lower than RHTV with 3 nozzles, this agrees with the experimental results.

Kata Kunci : Ranque-Hilsch vortex tube (RHTV), Numeca, silmulasi numerik, model turbulensi K-ε, nosel, tekanan