SISTEM REFRIGERASI TABUNG VORTEX

Di susun oleh:M.Serbu.Yudas Y 101611085

Kelas 2.C

JURUSAN TEKNIK REFRIGERASI DAN TATA UDARA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG2011

SISTEM REFRIGERASI TABUNG VORTEX

PENDAHULUAN Tabung vortex ditemukan oleh G.J. Ranque pada tahun

1931 dan kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh prof.Hilsch.

Tabung Vortex adalah salah satu alat yang dapat dipakai untuk pendinginan atau pemanas. Sumber energinya adalah udara yang terkompresi atau bertekanan. Tabung Vortex merubah udara bertekanan menjadi dua aliran udara, yaitu aliran udara panas dan aliran udara dingin.

Bagian bagian tabung vortex

Aliran udara panas dan dingin yang di keluarkan oleh tabung vortex dapat bervariasi. Sebagai contoh: udara masukan pada 100psi dan 21oC dapat diatur untuk mendinginkan sebagian udara menjadi -34oC dan memanaskan sebagian udara hingga 33oC.

Bagian suatu tabung vortex dapat digambarkan sebagai berikut:

Nozzle dapat berjenis konvergen, divergen atau konvergen-divergen, tergantung dari kebutuhan. Suatu nozzle yang efisien adalah yang mempunyai kecepatan yang tinggi dan sekecil mungkin rugi-rugi masukan.

Chamber adalah bagian dari nozzle dan memberikan masukan udara secara tangensial terhadap sisi udara panas.

.

Katup menjaga laju aliran udara pada sisi panas dan juga mengontrol jumlah udara panas yang keluar dari tabung vortex.

Diafragma adalah potongan silinder yang tipis dan mempunyai lubang dengan diameter yang spesifik di tengahnya

Cara kerja tabung vortex Udara terkompresi di lewatkan melalui nozzle sehingga udara

berekspansi pada kecepatan tinggi. Aliran udara pusat kemudian dihasilkan di “Chamber” dan udara bergerak secara spiral sepanjang sisi tabung. Aliran tersebut terhambat oleh katup. Ketika tekanan udara di dekat katup dibuat lebih tinggi dari tekan udara luar dengan menutup katup sebagian, suatu laju aliran udara balik akan mengalir pada bagian sumbu tabung mulai dari sisi tekanan tinggi ke sisi tekanan rendah. Selama proses ini, perpindahan energy berlangsung antara udara balik dan udara maju sehingga aliran udara balik yang terdapat di sumbu tabung mempunyai temperature jauh lebih rendah dari temperature inlet sedangkan aliran udara maju akan memanas dan bertemperatur jauh lebih tinggi dari temperature inlet. Aliran udara dingin akan keluar melalui lubang diafragma ke sisi udara dingin sedangkan aliran udara panas akan keluar melalui bukaan katup. Dengan mengatur bukaan katup, kuantitas dan temperature udara dingin dapat divariasi.

Penomena Transfer Energi pada Tabung Vortex

Ada beberapa teori yang mencoba menerangkan transfer energy dari aliran udara dingin ke aliran udara panas, meskipun demikian tak satupun teori memberikan jawaban yang sempurna dan memuaskan. Berikut ada 2 teori yang coba diketengahkan:

Teori Van Deemter: Udara memasuki tabung melalui nozzle dan membentuk suatu arus pusar bebas.

Disebabkan oleh percepatan sentripetal, arus pusar bergerak sepanjang sisi tabung dan pada saat mencapai katup, rotasi udara hampir berakhir sehingga terdapat suatu titik stagman pada daerah ini. Pada saat tekanan (dekat katup) pada daerah ini melebihi tekanan atmosfir, suatu aliran udara axial balik mulai terbentuk. Aliran udara tersebut berkontak langsung dengan arus pusar bebas yang bergerak dengan kecepatan yang makin meninggi sehingga aliran udara axial (pada sumbu tabung) akan membentuk arus pusar paksa. Energy yang dibutuhkan untuk membentuk dan menjaga arus pusar paksa balik di sumbu tabung diperoleh dari arus pusar pada sisi tabung. Akibatnya terdapat laju aliran energy (momentum) dari lapisan udara sisi tabung ke arus pusar balik di sumbu tabung. Kecepatan rotasi dari arus pusar pada sisi tabung berkurang secara perlahan dari bidang nozzle ke bidang katup, sehingga terdapat bidang-bidang geser relative yang bergerak menuju katup. Akibatnya terdapat perpindahan energy yang kontinyu dari bidang nozzle ke bidang katup. Itu sebabnya pemanasan udara berlangsung pada udara yang menuju katup.

Teori Prof. Parulekar: Udara memasuki tabung secara tangensial dan membentuk arus

pusar bebas. Arus pusar tersebut bergerak sepanjang dinding tabung yang disebabkan karena gaya sentrifugal. Udara hampir berhenti berputar pada daerah mendekati katup dan tekanan pada daerah ini melebihi tekanan udara luar di ujung yang lain sehingga aliran udara balik di sumbu tabung mulai terbentuk. Aliran udara balik tersebut berkontak langsung dengan arus pusar bebas yang bergerak maju sepanjang permukaan bagian dalam arus pusar sehingga arus pusar bebas memaksa aliran udara axial di sumbu tabung untuk berotasi seperti arus pusar tersebut yang berotasi pada kecepatan tinggi membentuk arus pusar paksa. Energy yang dibutuhkan untuk membentuk arus pusar paksa pada aliran di sumbu tabung diperoleh dari arus pusar bebas di sisi tabung. Meskipun demikian, aliran energy tersebut jauh lebih kecil dibandingkan dengan perpindahan energy dari sumbu tabung ke sisi tabung, sehingga akibatnya terdapat netto perpindahan energy radial keluar dan menuju katup. Jadi aliran udara disisi tabung akan menjadi panas sedangkan aliran udara di sumbu tabung akan menjadi dingin.

Analisa tabung vortex

Jika system adalah isentropic

jika ,

Jika proses mengalami ekspansi insentropik dari tekanan inlet Pi ke tekanan atmosfir Pa di ujung dingin, maka drop temperature statik karena ekspansi dapat di jabarkan sebagai berikut:

sehinggaMaka efesiensi adiabatic tabung vortex dapat di jabarkan

sebagai berikut:

=

Efek pendinginan

Work input untuk compressor udara

Dimana efisiensi adiabatic compressor udara

Maka:

Jika

Jika

Sehingga :

0.2>COP>0.15 pada kondisi normal

Keuntungan-keuntungan dan kerugian-kerugian tabung vortex Keuntungan-keuntungan system refrigerasi tabung vortex adalah sebagai

berikut: Hanya menggunakan udara sebagai refrigerant, dan sifatnya adalah

system terbuka, sehingga tak ada masalah kebocoran Tabung vortex bersifat sederhana sehingga terhindar dari system control

yang rumit. Tabung vortex tidak memiliki bagian-bagian yang bergerak atau bergetar Memiliki bobot yang sangat ringan dan membutuhkan ruangan yang

sangat kecil (kecuali kompresor udara). Murah pada biaya awal dan juga biaya operasional dimana udara

terkompresi sudah tersedia bebas Perawatannya sangat sederhana dan tak dibutuhkan ahli untuk

operasionalnya sehari-hari Tabung vortex sangat kecil dan menghasilkan udara panas sekaligus udara

dingin. Sangat berguna bagi industry-industri dimana membutuhkan kedua-duanya secara simultan.

Temperature -50oC dapat mudah dicapai dan lebih berguna diaman udara kering terkompresi sudah tersedia bebas dan dimana pendinginan setempat diperlukan seperti instrument elektronik

Kerugian-kerugian system refrigerasi tabung vortex

COP nya sangat rendahKapasitas terbatas, dan hanya sebagian kecil dari

udara terkompresi yang diubah menjadi udara dingin.

Karena udara meninggalkan tabung pada kecepatan sonic, maka tabung vortex beroperasi dengan suara mendesis.

Ada kemungkinan tersumbat oleh kumpulan-kumpulan salju tipis yang terbentuk akibat udara mengandung uap air terutama pada aplikasi-aplikasi temperature sangat rendah

Aplikasi-aplikasi tabung vortex

Penggunaan tabung vortex untuk aplikasi-aplikasi kapasitas kecil selalu di tinjau apakah udara terkompresi sudah tersedia. Berikut diberikan beberapa aplikasi yang umum di pakai.

1. Pakaian UdaraPakaian tersebut digunakan oleh para operator atau pekerja

Yang memasuki tangki, lubang, tabung untuk perbaikan dll, atau hal-hal yang dapat membahayakan seperti gas-gas beracun, debu-debu kimiawi dll.

Sebagai pelindungan dan helm untuk pekerjaan-pekerjaan seperti sand blasting, las, penanganan bahan-bahan beracun. Yang bekerja di tambang-tambang

Syarat-syarat design: Nyaman, ringan, kompak, dan sederhana

2.PenerbanganKabin pesawat biasa didinginkan dengan menggunakan system refrigerasi siklus udara Bootstrap. Tabung Vortex juga dapat dipergunakan, hanya saja dengan efisiensi lebih rendah membutuhkan udara yang lebih banyak untuk kapasitas yang sama. Yang terpenting adalah bahwa penggunaan tabung vortex dapat mengurangi berat yang cukup berarti.

3. Pendinginan Pisan-pisan Rotor Turbin GasPendinginan pisan-pisan rotor turbin gas pada pesawat dan kapal dapat menggunakan tabung vortex dengan mengalirkan udara ke sejumlah lubang radial pada pisan-pisan rotor tersebut sehingga meningkatkan efisiensi dan spesifik output.

4.Pendinginan di LaboratoriumKotak penyimpanan yang didinginkan dengan menggunakan tabung vortex juga dapat digunakan di laboratorium-laboratorium dan institusi riset.

5. Pendinginan dan pemanasan secara simultanTabung vortex paling baik digunakan dimana pendinginan sekaligus pemanasan dibutuhkan secara simultan, seperti misalnya pada pesawat untuk memanaskan rati atau kue dan minuman penumpang pesawat.

6. Alat-alat PemotongTabung vortex juga dapat digunakan mendinginkan alat-alat pemotong seperti:

DrillingMillingTurningReclaimingSawing

Apalagi untuk benda-benda kerja yang tebut dari bahan-bahan tertentu yang paling baik dipotong tanpa adanya lubrikasi.

7. Pendinginan setempat (Spot Cooling):Pendinginan setempat mislanya untuk instrument-instrumen elektronik pada pesawat-pesawat supersonic dapat menggunakan tabung vortex karena ringan, tidak makan tempat, sederhan baik konstruksi maupun control.

8.Pendinginan Box PanelPada pabrik-pabrik peleburan dimana temperature sekitar tinggi, akan berakibat buruk pada alat-alat, instrument-instrumen, alat-alat elektronik dll dan juga control-kontrol motor. Pada musim panas, control motor sering terputus bahkan jika motor tidak melampaui beban (overload). Hal tersebut dapat di tanggulangi dengan Tabung Vortex

Contoh soal

1.7. Soal-soal

1. Apa yang dimaksud dengan Tabung Vortex?

Jawab: Tabung Vortex (Vortex Tube) adalah tabung yang digunakan untuk mendapatkan efek pendinginan dan pemanasan pale saat yang bersamaan.

2. Bagaimana cara kerja dari Tabung Vortex? Jawab: Prinsip kerja dari Tabung Vortex adalah pemasukan udara (sebagai fluida kerja) bertekanan tinggi pada nosel yang terpasang dalam arah tangensial dibagian tabungnya. Dengan adanya "efek throttling "dari nosel dan "aliran udara berbentuk vortex" yang terjadi didalam tabungnya, maka udara tersebut akan terpisah menjadi 2 bagian. Bagian pertama luar melalui orifice yang menghasilkan efek pendinginan sedang bagian kedua keluar melalui katup pengatur dengan suhu yang lebih tinggi dari suhu ruangan.

3. Berapakah selisih suhu dingin apabila suhu keluaran yang dinginnya -5°Cdan suhu inletnya 20°C? Jawab : ∆Tc = Ti – Tc

= 20 – (- 5) = 25°C

4. turunkanlah rumus dari efisiensi adiabatik tabung vortex !Jawab:

REFERENSI

http://en.wikipedia.org/wiki/Vortex..tube

http://digilib.tf.itb.ac.id/gdl.php?mod=browse&op=read&id=jbptitbtf-gdl-s1-2007-misbachulm-1462&PHPSESSID=dc3c05fda22217039401a15ced56

http://www.energeticforum.com/renewable-energy/4202-bernoulli-principal-vortex.html

http://www.isccompressedair.com/products/vortex-spot-cooling/vortex-tubes/

http://www.kimbersafety.com/products.php?cat=97&pg=6