KARAKTERISASI ALIRAN DUA FASE (CAIR-GAS) SEARAH VERTIKA KE ATAS

DALAM SALURAN : “ POLA ALIRAN “

Henry Nasution

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Bung Hatta Jl. Gajahmada, Gunung Pangilun Padang - 25143

Telp. (0751)-51341 Fax.(0751)-54257, Email : henry_nst@yahoo.com

Abstrak

Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi-fase yang dibedakan atas fase-fase

aliran (gas-cair, cair-padat dan padat-gas), arah aliran (searah dan berlawanan arah) dan kedudukan saluran (tegak, mendatar atau miring). Tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan visualisasi aliran. Pengujian dilakukan dengan kondisi kecepatan aliran cairan konstan dan gas berubah-ubah, kecepatan aliran gas konstan dan cairan berubah-ubah serta kecepatan aliran cairan dan gas konstan (berubah secara bersamaan). Sehingga diperoleh karakterisasi aliran pada pipa vertikal berdiameter satu inci dengan arah aliran searah keatas.

Penelitian dilakukan dengan menggunakan pipa transparan berdiameter 24 mm dengan fluida gas adalah udara dan fluida cair adalah air. Pola aliran diamati pada kecepatan aliran air 0,14 m/s sampai 1,40 m/s, sedangkan kecepatan aliran udara 0,114 m/s sampai 2,680 m/s. Eksperimen dilakukan pada tekanan 1 atm dan temperatur 20 oC.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa perubahan kecepatan aliran udara dan air besar pengaruhnya pada pola aliran yang dihasilkan.

Keywords : Aliran dua fase, aliran searah vertikal ke atas, aliran dalam pipa, pola aliran. 1. Pendahuluan Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi-fase. Studi tentang aliran dua fase dapat kita perhatikan atas beberapa bagian, yaitu wujud fase, arah aliran dan kedudukan saluran yang diperhatikan. Aliran dua fase ini banyak dijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada ketel uap, kondensor, alat penukar panas, reaktor nuklir, pencairan gas alam, pipa saluran dan lain-lain. Pola aliran dua fase dalam saluran mendatar akan berbeda dengan yang vertikal. Dalam saluran mendatar gas akan cenderung berada diatas, karena lebih ringan. Pola aliran dalam saluran vertikal dapat terdiri dari (gambar.1) :

Bubble Slug or Churn Annular Wispy Plug Annular

Gambar 1, Pola aliran searah vertikal ke atas

Dari gambar.1 diatas dapat dijelaskan : a. Aliran gelembung (bubble), dimana fase gas atau uap disebarkan sebagai gelembung yang

mempunyai ciri tersendiri dalam fase cairan secara kontiniu dan kadang-kadang gelembung mempunyai ukuran yang sama (uniform).

b. Aliran kantung udara (slug), gas yang mengalir membentuk gelembung besar (kadang-kadang gelembung kecil terdistribusi di cairan).

c. Aliran acak (churn), disini terjadi gerakan osilasi sehingga cairan menjadi tidak stabil. d. Aliran cincin (annular), dimana sebagian fase likuid berlaku sebagai film didinding pipa dan

sebagian lagi berupa tetesan yang terdistribusi dalam gas yang mengalir pada bagian tengan pipa.

e. Aliran cincin kabut tetes cairan (wisphy annular), konsentrasi tetesan dalam gas bertambah dan akhirnya bergabung membentuk gumpalan.

Dalam penelitian ini telah dilakukan pengamatan tentang konfigurasi aliran (pola aliran, pengukuran kecepatan kantung udara, penurunan tekanan dan fraksi hampa (void fraction)). Pola aliran diperoleh dengan melakukan perubahan kecepatan aliran gas (Jg) dan kecepatan aliran cairan (Jl). Karakterisasi aliran dua fase sangat penting untuk proses perpindahan panas dan mekanisme aliran. Tujuan mempelajari aliran dua fase, suatu prediksi untuk menggambarkan peformance peralatan seperti penurunan tekanan, fraksi hampa, koefisien perpindahan panas dan massa serta fenomena fisik dari peralatan (Collier, 1980). Contoh lainnya adalah lapisan film pada peristiwa evaporasi. Dimana lapisan film yang tipis akan menyebabkan melepuhnya pipa. Bila kantung gas yang dihasilkan lebih panjang maka lapisan film yang terbentuk akan semakin tipis. 3. Pola Aliran. Dalam sistem aliran berlawanan arah (counter - current) dengan pipa vertikal ada kondisi batas dimana kecepatan aliran kedua fase tidak dapat dinaikkan lagi, bila melewati kondisi kritisnya maka akan terjadi penggenangan (flooding), tidak ada lagi cairan yang turun kebawah dan aliran menjadi searah ke atas (Indarto et al, 1991). Pada aliran searah (co-current) perubahan kecepatan aliran gas dan cairan tidak berpengaruh terhadap arah aliran. Pentingnya pengaturan debit aliran atau kecepatan aliran gas dan cairan maksudnya adalah untuk memperoleh daerah-daerah aliran yang diharapkan untuk masing-masing kondisi. Dengan varibel kecepatan aliran gas dan cairan diperoleh pola aliran seperti aliran gelembung, aliran kantung gas atau sumbat cairan, aliran acak, aliran cincin kabut tetes cairan dan aliran cincin. (Hewitt & Roberts, 1969 ; Golan & Stenning, 1969 ; Sekoguchi ; Wilmarth dan Ishii, 1994). Namun demikian, pola aliran yang diperoleh dengan dimensi yang berbeda-beda, wujud fase, arah dan kedudukan saluran juga akan diperoleh pola aliran seperti yang dilakukan peneliti-peneliti terdahulu (Bennet et al, 1965 ; Sekoguchi , 1979 ; Baker , 1954 ; Bell , 1954 ; Mandhane et al, 1974 ; Barnea et al , 1980 ; Gould , 1972 dan lain-lain). 4. Metodologi Fluida gas yang dipergunakan adalah udara bertekanan dari kompresor (P = 1 atm, T = 20 0C) dan fluida cair adalah aqua (T = 27,6 0C). Pipa terbuat dari plexiglass untuk visualisasi aliran dan pengukuran kecepatan kantung udara. Sebelum pengukuran, dilakukan kaliberasi pada aliran satu fase dengan mengukur penurunan tekanan (∆P), pada jarak 1,4 m diantara penjebak tekanan. Pengukuran pada aliran dua fase dilakukan dengan kondisi kecepatan aliran air konstan dan udara berubah-ubah, kecepatan aliran udara konstan dan air berubah-ubah serta kecepatan aliran air dan udara konstan (berubah secara bersamaan). Alat percobaan yang dipergunakan seperti pada gambar.2, air dialirkan keatas dengan menggunakan pompa yang melewati katup pengatur debit aliran, penampung air dan flowmeter. Udara bertekanan dari kompressor melewati regulator udara, katup pengatur debit aliran, rotameter udara, penampung udara dan kemudian diinjeksikan melelui injektor. Dalam separator akan terjadi pemisahan, udara keluar dan air kembali ke bak penampung. Agar visualisasi aliran dapat dilakukan dengan baik maka air diberi zat pewarna. Dalam pengukuran kondisi tekanan tetap dijaga konstan (1 atm). Diketahuinya debit aliran udara dan air serta diameter pipa maka diperoleh kecepatan superfisial aliran udara dan air. Berdasarkan visualisasi aliran maka diperoleh pola aliran untuk masing-masing kondisi perubahan kecepatan.

(1)

(12)

(8) (11) (10)

(7)

(9)

(2)

(5) (6)

(3)

(4)

udara dari

kompresor

Gambar 2, Instalasi percobaan

Keterangan gambar : 1. Separator 2. Manometer air raksa 3. Pipa transparan 4. Penjebak udara 5. Injektor udara 6. Penampung udara 7. Rotameter udara 8. Regulator 9. Flowmeter untuk air 10. Penampung air 11. Pompa 12. Bak sirkulasi dan penampung

4. Pembahasan Pengukuran dilakukan pada kecepatan aliran air mulai dari 0,14 m/s sampai dengan 1,40 m/s dan kecepatan aliran udara 0,114 m/s sampai 2,680 m/s. Cara paling jelas untuk menentukan pola aliran adalah menyusun aliran dalam pipa transparan dan mengamati jenis aliran. Meskipun pola aliran dapat diamati dengan jelas oleh pengamat, masih ada unsur subyektif dalam mengelompokkan untuk masing-masing aliran yang terjadi. Pola aliran yang diperoleh berdasarkan variasi kecepatan aliran air konstan dan udara berubah-ubah (gambar.3), kecepatan aliran udara konstan dan air berubah-ubah (gambar.4), serta kecepatan aliran air dan udara konstan yaitu berubah atau ditingkatkan secara bersama-sama (gambar.5)

Gambar.3 Pola aliran pada kondisi kecepatan aliran air konstan dan udara berubah-ubah Keterangan gambar :

1. Jg = 0,114 m/s, dengan Jl = 0,14 m/s - 1,40 m/s 2. Jg = 0,290 m/s 3. Jg = 0,557 m/s 4. Jg = 0,826 m/s 5. Jg = 1,087 m/s 6. Jg = 1,349 m/s 7. Jg = 1,611 m/s 8. Jg = 1,876 m/s 9. Jg = 2,153 m/s 10. Jg = 2,430 m/s 11. Jg = 2,680 m/s

Gambar.4 Pola aliran pada kondisi kecepatan aliran udara konstan dan air berubah-ubah

Keterangan gambar : 1. Jl = 0,14 m/s, dengan Jg = 0,114 m/s - 2,680 m/s 2. Jl = 0,28 m/s 3. Jl = 0,42 m/s 4. Jl = 0,56 m/s 5. Jl = 0,70 m/s 6. Jl = 0,84 m/s 7. Jl = 0,98 m/s 8. Jl = 1,12 m/s 9. Jl = 1,26 m/s 10. Jl = 1,40 m/s

Gambar. 5 Pola aliran pada kondisi kecepatan aliran air dan udara konstan Keterangan gambar :

1. Jl = 0,14 m/s dan Jg = 0,114 m/s 2. Jl = 0,28 m/s dan Jg = 0,290 m/s 3. Jl = 0,42 m/s dan Jg = 0,557 m/s 4. Jl = 0,56 m/s dan Jg = 0,826 m/s 5. Jl = 0,70 m/s dan Jg = 1,087 m/s 6. Jl = 0,84 m/s dan Jg = 1,349 m/s 7. Jl = 0,98 m/s dan Jg = 1,611 m/s 8. Jl = 1,12 m/s dan Jg = 1,876 m/s 9. Jl = 1,26 m/s dan Jg = 2,153 m/s 10. Jl = 1,40 m/s dan Jg = 2,430 m/d 11. Jl = 1,40 m/s dan Jg = 2,680 m/s

Berdasarkan variasi kecepatan aliran tersebut, dari gambar.3 4 dan gambar. 5 dapat dikelompokkan pola aliran sebagai berikut :

Gelembung.I Gelembung.II Transisi Kantung Transisi Gelembung dan udara Kantung udara Kantung udara dan aliran Cincin

Udara

Air

Gambar. 6 Pola aliran untuk pipa vertikal

Aliran gelembung.I bentuknya seperti kepala topi, diantara gelembung kadang-kadang terdapat sedikit gelembung kecil dan gerakannya lebih cepat, jarak antara gelembung satu dengan gelembung berikutnya cukup pendek. Sedangkan gelembung.II bentuknya lebih besar, diantara keduanya terdapat gelembung kecil, jarak antara gelembung lebih besar dari gelembung.I. Aliran transisi antara aliran gelembung dan aliran kantung udara berbeda dengan aliran gelembung.II, pada aliran transisi ini gelembung lebih panjang dan gelembung kecil cukup dominan. Aliran kantung udara berbentuk gelembung besar, antara gelembung besar satu dengan lainnya terdapat gelembung-gelembung kecil dan diantara sisi gelembung besar terdapat cairan yang membentuk lapisan film yang turun secara perlahan-lahan. Aliran transisi antara aliran kantung udara dan aliran cincin adalah berbentuk kantung-kantung udara yang panjang dan bergerak dengan cepat tetapi masih terdapat gelembung-gelembung kecil diantara kantung-kantung udara tersebut, juga berbentuk gelembung seperti kepala topi yang bergerak dengan cepat tetapi masih terdapat cairan diantara dan sisi gelembung. Aliran cincin belum dapat terbentuk karena kecepatan udara belum cukup tinggi untuk mendukung terjadinya film secara kontiniu. Dari gambar.3, 4, dan 5 dapat diperhatikan, pada kecepatan aliran udara kecil (0,114 m/s sampai 1,087 m/s) pola aliran yang diperoleh adalah aliran gelembung.I dan gelembung.II dengan kecepatan aliran air 0,42 m/s sampai 1,40 m/s, aliran transisi antara aliran gelembung dan kantung udara pada kecepatan aliran air 0,14 m/s sampai 1,40 m/s. Aliran kantung udara diperoleh pada kecepatan aliran udara (0,114 m/s sampai 1,61 m/s dengan kecepatan aliran air 0,14 m/s sampai 1,40 m/s. Sedangkan pola aliran transisi antara aliran kantung udara dan aliran cincin diperoleh pada kecepatan aliran udara sedang (1,35 m/s sampai 2,68 m/s) dengan kecepatan aliran air 0,14 m/s sampai 1,40 m/s. Kesimpulan Visualisasi pola aliran dengan variasi kecepatan aliran akan menghasilkan pola aliran yang juga bervariasi. Jika debit aliran udara yang lebih dominan dari pada air, maka kecendrungan pola yang terbentuk adalah kantung kantung udara yang semakin lama akan semakin panjang, sampai membentuk pola aliran yang lain. Tetapi sebaliknya akan berbentuk gelembung-gelembung jika debit aliran air yang lebih dominan dari pada udara. Pada visualisasi aliran ketiga metoda ini perlu dilakukan, tetapi untuk pengukuran seperti penurunan tekanan dapat dilakukan salah satu dari ketiga metoda (kecepatan aliran air konstan dan udara berubah-ubah, kecepatan aliran udara konstan dan air berubah-ubah atau kecepatan aliran air dan udara konstan, berubah secara bersamaan).

Ucapan Terima Kasih Diucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Indarto, DEA dan Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa PAU-IT Universitas Gadjah Mada, atas kesempatan dan bimbingan yang diberikan kepada penulis. Daftar Pustaka

[1] Andreussi, P., Minervini, A. dan Paglianti, A., 1993, “ Mechanistics Model of Slug Flow in Near- Horizontal Pipe “, AIChE Journal, 39, no.8, 1281-1291. [2] Collier, John G., 1980, “ Convective Boiling and Condensation “, McGraw-Hill New York. [3] Delhaye, J.M., Giot, M. dan Reithmuller, M.L., 1981, “ Thermohydraulics of Two Phase System For Industrial Design And Nuclear Engineering “,McGraw-Hill New York. [4] Hetsroni, Gad, 1982, “ Handbook of Multiphase Systems “, McGraw-Hill, New York. [5] Indarto, 1992, “ Aliran Dua Fase Cair-Gas Dalam Saluran Tegak, Kursus Singkat Analisis Proses Perpindahan Panas “, PAU-IT UGM, Yogyakarta. [6] Kakac, S., Veziruglo, T.N., 1976, “ Two Phase Flow And Heat Transfer “, Proceeding of NATO Advanced Study Institute, vol.I, Hemisphere Publishing Corporation, Wasington. [7] Koestoer, Raldi Artono, 1994, “ Aliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis “, Pradnya Paramita, Jakarta. [8] Lusseyran, F., Indarto, G.Cognet, 1988, “ Caracterisation Des Regimes En Ecoulement Disphasique Gaz-Liquide En Conduite Verticale Par La Mesure Du Frottement Parietal, 8e Congres Francais Des Mechanique, Perancis. [9] Nasution, Henry, 1997, “ Karakterisasi Aliran Dua Fase (Gas-Cair) Searah Vertikal Ke Atas Dalam Saluran Berdiameter Satu Inci “, Tesis S-2,Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. [10] _____________, 1997, “ Pengukuran Kecepatan Kantung Udara Dalam Aliran Gas-Cair Searah Vertikal Keatas, Seminar Ilmiah Keteknikan Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. [11] _____________, 1998, “ Karakterisasi Aliran Dua Fase (Gas-Cair) Searah Vertikal Ke Atas Dalam Saluran Berdiameter Satu Inci “, Forum Teknik, 21, no.1, 81-90. [12] ____________, 1998, “ Aliran Dua Fase (Cair-Gas) “, Jurusan Teknik Mesin, FTI Universitas Bung Hatta, Padang. [13] ____________, 1998, “ Aliran Kantung Gas Searah Vertikal Keatas, Jurusan Teknik Mesin, FTI Universitas Bung Hatta, Padang. [14] ____________, 1999, “ Rekayasa Alat Pengukur Kecepatan Kantung Udara Dalam Aliran Dua Fase (Cair-Gas) Searah Vertikal Ke Atas “, LPPM, Universitas Bung Hatta, Padang. [15] Wallis, Graham B., 1969, “ One Dimensional Two Phase Flow “, McGraw-Hill, New York. [16] Wang, S.K., et al, 1990, “ Statistical Analysis of Turbulent Two-Phase Pipe Flow “, Journal of Fluids Engineering, 112, 89 – 95.