Kajian CFD Pengaruh Sudut Control Valve terhadap Peningkatan Temperatur Udara Panas dan Penurunan Temperatur Udara Dingin pada Vortex Tube

Illahi, Alfi Nurdina Hikmah (2026) Kajian CFD Pengaruh Sudut Control Valve terhadap Peningkatan Temperatur Udara Panas dan Penurunan Temperatur Udara Dingin pada Vortex Tube. Other thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 2039221077-Undergraduate_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (2MB) | Request a copy

Abstract

Vortex tube merupakan salah satu teknologi pendinginan alternatif yang berpotensi besar untuk dikembangkan karena mampu memisahkan aliran udara bertekanan menjadi aliran udara panas dan dingin secara instan tanpa melibatkan komponen bergerak (no moving parts) maupun refrigeran kimia berbahaya. Performa pemisahan termal dan efisiensi energi pada perangkat ini sangat dipengaruhi oleh karakteristik kinematika aliran internal yang dikontrol oleh geometri katup keluaran panas (hot exit control valve). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh modifikasi sudut konis katup kontrol terhadap distribusi tekanan, karakteristik pusaran aliran, penurunan temperatur dingin (ΔTc), serta efisiensi isentropik pendinginan pada vortex tube. Metode yang digunakan adalah simulasi numerik berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan membandingkan dua variasi geometri sudut katup, yaitu 25° dan 35°, di sepanjang 11 titik operasional fraksi massa udara dingin (cold fraction, \in)
Hasil simulasi menunjukkan bahwa reduksi sudut konis katup dari 35° menjadi 25° secara signifikan meningkatkan stabilitas tekanan balik (back pressure) internal dan memperkuat gaya sentrifugal inti pusaran aliran balik. Penurunan temperatur fluida dingin maksimal secara konsisten dicapai pada kondisi cold fraction minimum (\in = 0,21 pada titik UV1). Pada titik optimal tersebut, konfigurasi katup sudut 25° menghasilkan penurunan temperatur dingin sebesar 69,07 K, jauh lebih superior dibandingkan sudut 35° yang hanya mencapai 47,59 K. Sejalan dengan capaian termal aktual, efisiensi isentropik pendinginan puncak pada \in\ = 0,21 didominasi oleh katup sudut 25° dengan nilai mencapai 66,00%, sedangkan katup sudut 35° hanya mampu mencatatkan efisiensi sebesar 46,00%. Sudut yang melebar pada katup 35° memicu kelonggaran area annular yang menyebabkan fluida panas meloloskan diri terlalu cepat, mereduksi kekuatan pusaran, serta menimbulkan fenomena pencampuran kembali (remixing) yang menurunkan efektivitas pemisahan energi. Hasil penelitian ini memberikan landasan teoretis yang kuat bahwa katup konis lancip 25° merupakan parameter geometri optimal yang direkomendasikan untuk pengembangan teknologi pendinginan mandiri berkeandalan tinggi, khususnya untuk kebutuhan penanganan logistik medis darurat (seperti penyimpanan vaksin/obat portabel) di wilayah krisis infrastruktur atau pascabencana.
====================================================================================================================================
The vortex tube is an alternative cooling technology with great development potential due to its capability to instantly separate a pressurized air stream into hot and cold streams without involving any moving parts or hazardous chemical refrigerants. The thermal separation performance and energy efficiency of this device are heavily influenced by the internal flow kinematics, which are controlled by the geometry of the hot exit control valve. This study aims to analyze the effect of modifying the control valve cone angle on the pressure distribution, vortex flow characteristics, cold temperature reduction (ΔTc), and isentropic cooling efficiency within a vortex tube. The method employed is a numerical simulation based on Computational Fluid Dynamics (CFD), comparing two variations of valve cone angles, 25° and 35°, across 11 operational points of the cold mass fraction (cold fraction, \in). The simulation results indicate that reducing the valve cone angle from 35° to 25° significantly enhances the stability of the internal back pressure and strengthens the centrifugal force of the core reverse vortex flow. The maximum cold fluid temperature reduction is consistently achieved at the minimum cold fraction condition (\in = 0.21 at point UV1). At this optimal point, the 25° valve configuration produces a cold temperature reduction of 69.07 K, which is far superior to the 35° angle which only reaches 47.59 K. In line with the actual thermal performance, the peak isentropic cooling efficiency at \in\ = 0.21 is dominated by the 25° valve angle with a value of 66.00%, whereas the 35° valve angle only records an efficiency of 46.00%. The wider angle of the 35° valve leads to a loose annular area, causing the hot fluid to escape too rapidly, weakening the vortex strength, and inducing a remixing phenomenon that degrades energy separation effectiveness. The findings of this study provide a solid theoretical foundation demonstrating that a sharp 25° cone valve is the recommended optimal geometric parameter for developing high-reliability self-sustained cooling technologies, particularly for emergency medical logistics management (such as portable vaccine/medicine storage) in infrastructure-crisis or disaster-affected regions.

Item Type:	Thesis (Other)
Uncontrolled Keywords:	Vortex Tube, Katup Kontrol, Computational Fluid Dynamics (CFD), Cold Fraction, Efisiensi Isentropik Pendinginan. =========================================================================================== Vortex Tube, Control Valve, Computational Fluid Dynamics (CFD), Cold Fraction, Isentropic Cooling Efficiency.
Subjects:	T Technology > T Technology (General) > T57.62 Simulation T Technology > T Technology (General) > T58.8 Productivity. Efficiency T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ265.E23 Thermodynamics.
Divisions:	Faculty of Vocational > Mechanical Industrial Engineering (D4)
Depositing User:	Alfi Nurdina Hikmah Illahi
Date Deposited:	01 Aug 2026 03:59
Last Modified:	01 Aug 2026 03:59
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/141326

Actions (login required)

View Item