17
May

Simulasi Evaporator Air Conditioner Menggunakan Ansys Fluent

Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)

PENDAHULUAN

Gambar 1. Evaporator mobil dan AC

Evaporator pada air conditioner berfungsi untuk merubah fase refrigerant dari cair menjadi gas. Perubahan cairan menjadi gas merupakan proses mendidih (boiling). Boiling memerlukan panas untuk merubah fase. Alat ini yang membuat kita bisa tetap merasa dingin dan nyaman ketika berada di ruangan. Evaporator terdiri dari pipa terbuat dari tembaga/alumunium dan fin yang berfungsi untuk meningkatkan laju perpindahan panas.

Gambar 2. Siklus pendinginan

Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan evaporator mobil berbentuk persegi seperti pada gambar 1. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk melihat berapa banyak refrigerant yang mendidih, temperature udara yang keluar melewati evaporator, berapa beban pendinginan evaporator. Fase refrigerant yang keluar dari evaporator 100% fase gas. Persentase fase gas ini yang biasa diatur menggunakan expansion valve tergantung dari beban pendinginan.

PRE-PROCESSING

Gambar 3. Evaporator yang akan disimulasi
Gambar 4. Domain simulasi berupa cairan refrigerant, udara, dan pipa

Evaporator memiliki lebar inti sebesar 27 cm, tinggi inti 21 cm, dan panjang inti 4.4 cm. Evaporator memiliki fin berbentuk plat persegi dengan tinggi 21 cm, lebar 4.4 cm dan ketebalan 0.5 mm. Pipa dan fin terbuat dari tembaga. Untuk mempermudah simulasi maka domain udara di sekitar fin akan dibuat porous zone. Simulasi ini memperhitungkan konduksi di pipa atau biasa disebut Conjugate Heat Transfer (CHT).

Gambar 5. Mesh pipa dan refrigerant
Gambar 6. Mesh udara

Mesh yang digunakan polyhedral mesh. Karena bagian porous zone dan domain refrigerant tempat terjadi perpindan panas dan fase (terjadi di domain refrigerant). maa diberi refinement berupa body sizing.

SETUP

Gambar 7. General page dan models
Gambar 8. Material properties refrigerant cair dan gas
Gambar 9. Multiphase model
Gambar 10. Phase setup
Gambar 11. Phase interaction
Gambar 12. Mass transfer mechanism
Gambar 13. Boundary condition refrigerant dan udara
Gambar 14. VoF stabilization method

Karena ini kasus perpindahan panas dan massa maka perlu mengaktifkan energy. Insert material refrigerant menggunakan Granta MDS database. Insert satu lagi untuk refrigerant fase gas. Nilai properti dapat dicari pada referensi di bawah. Aktifkan multiphase model, jumlah fasa yang digunakan adalah 3 (refrigerant cair, refrigerant gas, dan udara). Pada bagian phase setup, refrigerant gas sebagai primary phase, sisa fasa sebagai secondary phase.

Pada bagian phase interaction mengaktifkan surface tension modeling dan beri surface tension value 0.01 N/m. Surface tension modeling ini berfungsi untuk menangkap fenomena interaksi antara fase cair dan fase gas. Kita perlu mendefinisikan bagaimana cairan ini dapat berubah fasa. Aktifkan evaporation-condensation pada mass transfer mechanism dan ganti saturated temperature menjadi 10°C. Refrigerant masuk ke evaporator dalam keadaan saturated liquid dengan temperature 10°C dan debit massa 0.0734 kg/s.

Pada bagian Methods Task Page, gunakan Pressre-Velocity Coupled Scheme dan aktifkan Stabilization Method seperti gambar 14. Setting tersebut digunakan agar solusi yang dihitung menjadi stabil secara numerik. Karena penulis mensimulasikan secara steady state dan fenomena boiling merupakan fenomena transient maka perlu dilakukan perlakuan khusus secara numerik.

POST-PROCESSING

Gambar 15. Volume fraction refrigerant fasa gas
Gambar 16. Temperature refrigerant
Gambar 17. Temperature udara
Gambar 18. Volume fraction refrigerant fase gas yang keluar
Gambar 19. Beban panas evaporator

Gambar 15 menunjukan proses perubahan fase refrigerant cair ke fase gas. Refrigerant cair menyerap panas dari udara luar. Udara berhembus melewati evaporator temperature 30°C, setelah melewati evaporator temperaturenya menjadi 25°C (gambar 16). Temperature udara 25°C ini yang dihembuskan ke dalam ruangan. Refrigerant mengalami perubahan fase dari 0% gas keluar menjadi 54% gas dan temperaturenya naik dari 10°C menjadi sekitar 25°C. Beban pendinginan dapat dilihat pada flux report, lalu compute total heat transfer rate. Beban pendingin dari evaporator ini sekitar 2 kW.

Gambar 19. Arah perpindahan panas konveksi dan konduksi pada heat exchanger

Conjugate heat transfer simulation mensimulasikan perpindahan panas konveksi-konduksi. simulasi CHT ini memperhitungkan arah perpindahan panas konduksi arah normal pipa dan sepanjang pipa. Arah aliran panas dapat dilihat pada gambar 19. Beban pendinginan dapat dilihat pada flux report, lalu compute total heat transfer rate. Beban pendingin dari evaporator ini sekitar 2 kW.

Gambar 20. Uap refrigerant yang dihasilkan vs jumlah iterasi
Gambar 21. Konservasi massa pada inlet dan outlet

Tujuan penulis mengaktifkan stabilization method tadi adalah untuk mencegah osilasi numerik yang berlebihan. Bisa dilihat pada gambar 20 bahwa %gas refrigerant yang dihasilkan mengalami osilasi. Namun osilasi ini masih dalam batas wajar, kita tinggal mencari berapa Root Mean Square dari %gas refrigerant yang dihasilkan.

Salah satu cara untuk memverifikasi simulasinya benar atau tidak dengan menggunakan mass flux report (konservasi massa). Bisa dilihat tabel pada gambar 21 bahwa mass flow vapor + mass flow liquid = mass flow mixture. Agar massa tetap kekal maka mass flow mixture inlet = mass flow mixture outlet.

Dengan mass flux report ini kita bisa langsung melihat berapa kg gas refrigerant yang dihasilkan. Pada inlet, kondisi refrigerant masih 100% cair. Refrigerant mengalami perubahan fasa akibat udara yang berhembus di luar pipa. Pada bagian outlet jumlah gas refrigerant yang dihasilkan sebesar 0.001278 kg/s (~1.3 g/s). Secara persentase massa, gas refrigerant yang dihasilkan sekitar 1.7%. Itu artinya dari cairan refrigerant yang mengalir sekitar 1.7% yang berubah fasa.

Referensi

Kakac, S., Liu, H., Pramuanjaraoenkij, A. 2012. Heat Exchangers Selection, Rating, and Thermal Design. Boca Raton: CRC Press.

Youtube tutorial proses pendidihan air pada pipa: https://youtu.be/p0kT57HQMXM