SkripSi

i

ANALISA PENGARUH HAMBATAN CINCIN TERHADAP

KARAKTERISTIK ALIRAN DUA FASE

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat

Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata Satu

Jurusan Teknik Mesin

Di susun oleh :

CONDRO SUGIARTO

NIM : 101020200012

JURUSAN TEKNIK MES IN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SIDOARJO

2015

ii

ANALISA PENGARUH DIAMETER HAMBATAN TERHADAP

KARAKTERISTIK ALIRAN DUA FASE

Usulan Penelitian Untuk Skripsi S1

Jurusan Teknik Mesin

Yang diajukan oleh:

CONDRO SUGIARTO

NIM : 101020200012

Telah disetujui

Tanggal persetujuan : 12 Maret 2015

Ketua jurusan Dosen pembimbing

Edi Widodo ST.,MT ALI AKBAR ST.,MT

NIK. 210386 NIP.197302012005011001

iii

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA PENGARUH HAMBATAN

TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN DUA FASE

Yang Diajukan Oleh:

CONDRO SUGIARTO

101020200012

Telah Dipertahankan di Depan Dewan Penguji

Pada Tanggal 03 Febuari 2015 Dan Dinyatakan Telah Memenuhi Syarat

Susunan Dewan Penguji

Ketua : Ali Akbar, ST.,MT

NIP : 197302012005011001

Penguji I

NIK :212476

Penguji II : Edi Widodo, ST.,MT

NIK : 210386

Penguji III : Iswanto, ST.,MT

NIK :207319

Sidoarjo, 03 Febuari 2015

Universitas Muhammadiyah Sidoarjo

Dekan Fakultas Teknik

(Izza Anshory,ST.,MT)

NIK .202239

iv

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Kabupaten Pasuruan, Pada tanggal 27 maret 1992

dari Ayah Adi dan Ibu Dariati. Penulis merupakan putra pertama dari dua

bersaudara.

Tahun 2004 penulis lulus dari MI Mambaul khoir sekar talang Kecamatan

Prigen Kabupaten Pasuruan, dan pada tahun yang sama diterima di SMP Negri 2

Sukorejo Kabupaten pasuruan. Pada tahun 2007 penulis lulus dari SMP Negri 2

Sukorejo Kabupaten pasuruan, dan pada tahun yang sama diterima di SMK Negri

1 Sukorejo Kabupaten Pasuruan di Jurusan Teknik Mekanik Otomotif.Pada tahun

2010 penulis lulus dari SMK Negri 1 Sukorejo Kabupaten Pasuruan. Pada tahun

2010 memutuskan untuk kuliah di UMSIDA (Universitas Muhammadiyah

Sidoarjo) Jurusan Mesin, Fakultas Teknik.

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan

limpahan rahmat dan kesehatan, shalawat serta salam selalu tercurah kepada

Rasulullah Muhammad SAW yang telah memberikan teladan hidup yang baik

kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang

berjudul

memenuhi syarat mendapatkan gelar Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin

Universitas Muhammadiyah Sidoarjo.

Dalam suatu penelitian aliran dua fase ini diharapkan teliti dalam

menganalisa.Penulis mencoba menganalisis permasalahan yang timbul dalam

pengaruh diameter hambatan terhadap karakteristik aliran dua fase berhubungan

dengan pressure drop pada aliran dua fase pada pipa vertikal dan horizontal.

Secara umum parameter parameter yang diperhatikan diantaranya debit fluida

cair dan gas, viskositas fluida, flow patern, tegangan geser antar fase dan

konfigurasi pipa.

Penulis berharap agar skripsi ini akan memberikan manfaat bagi , fakultas,

maupun penulis.Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati, penulis

mengharapkan adanya kritik dan saran yang membangun demi perbaikan di masa

yang akan datang.

Sidoarjo, 2015

Penulis

vi

UCAPAN TERIMA KASIH

Analisa pengaruh

diameter hambatan terhadap karakteristik aliran dua fase

melibatkan banyak pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Pada

kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-

besarnya kepada seluruh pihak yang memberikan kontribusi kepada skripsi ini.

1. Drs. Hidayatullah, M.Si.selaku Rektor Universitas Muhammadiyah Sidoarjo

2. Bapak Izza Anshory, ST.,MT.selaku Dekan Fakultas Teknik

3. Bapak Edi Widodo, ST., MT.selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

4. Bapak Ali Akbar, ST.,MT.selaku Dosen Pembimbing yang telah

meluangkan banyak waktu dan memberikan bimbingan serta perbaikan

dalam penyusunan skripsi ini.

5. Para dosen penguji yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan

masukan dan saran dalam proses penulisan skripsi ini.

6. Kedua Orang Tua yang tercinta,serta keluarga yang selalu mendukung

dalam menyelesaikan skripsi ini.

7. Teman- teman seperjuangan angkatan 2010 yang telah memberikan banyak

bantuan dalam proses selama hampir 4 tahun di kampus.

vii

ABSTRAK

Karakteristik aliran dua fase selalu menarik untuk dikaji karena fenomena-

fenomena yang diakibatkannya. Aliran duafase adalah merupakan bagian dari

aliran multifase. Penggunaan pipa vertikal sangat luas seperti pada sistem

transportasi perpipaan karena fleksibiltasnya untuk jaringan dan distribusi. Pada

penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan pipa vertikal

terhadap karakteristik pressure drop pada aliran dua fase gas-cairan. Penelitian

yang dilakukan secara eksperimental mengunakan pipa transparan dengan

diameter dalam 36 mm pada pipa vertikal serta air sebagai fluida kerja cairan dan

udara sebagai fluida kerja gas. Variasi yang dilakukan adalah kecepatan

superficial cairan antara dari 3 l/m 9 l/m. Pengukuran pressure drop pipa vertikal

diukur dengan menggunakan manometer U sedankan variasi hambatan antara

lain:1,2 cm,1,4cm,1,6 cm.Hasil penelitian dapat diperoleh kesimpulan bahwa

pressure drop aliran satu fase pada pipa vertikal akan semakin meningkat dengan

semakin besar bilangan Reynolds superficial cairan (Resl). Sedangkan pressure

drop pada aliran dua fase lebih rendah dibanding aliran satu fase. Untuk aliran dua

fase dengan peningkatan bilangan Reynolds superficial gas (Resg) atau semakin

pressure drop di bidang uji vertikal

menurun pada setiap bilangan Reynolds superficial cairan(ReSL).

Kata kunci : pipa vertikal, aliran dua fase gas-cairan, pressure drop

viii

Abstract

Characteristics of two-phase flow is always interesting to study because

the resulting phenomena. Duafase flow is part of multiphase flow. The use of

vertical pipe is very broad as in the pipeline transportation system because

fleksibiltasnya for network and distribution. In this study aims to determine the

effect of the vertical pipe to the characteristics of the pressure drop in the flow of

the gas-liquid two-phase. Research carried out experimentally using a

transparent pipe with an inside diameter of 36 mm in the vertical pipe and water

as the working fluid liquid and air as the working fluid gas. Variations that do are

superficial velocity of the fluid between 3 l / m - 9 l / m. Measurement of vertical

pipe pressure drop is measured using a manometer U . variation barriers include:

1.2 cm, 1,4cm, 1.6 cm.research can be concluded that the pressure drop in the

flow of the phase vertical pipe will increase with greater superficial liquid

Reynolds number (Resl). While the pressure drop in the two-phase flow is lower

than single-phase flow. For the two-phase flow with increasing superficial gas

drop in vertical test decreased in every superficial liquid Reynolds number (Resl).

Keywords: vertical pipe, the flow of gas-liquid two-phase, the pressure drop

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ......................................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................................... ii i

KATA PENGANTAR ..................................................................................................... v

UCAPAN TERIMA KASIH ............................................................................................ vi

ABSTRAK ....................................................................................................................... vii

DAFTAR ISI ..................................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL ............................................................................................................. xii

DAFTAR GRAFIK ........................................................................................................... xiii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ xiv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................... 3

1.3 Batasan Masalah ................................................................................................. 4

1.4 Tujuan Penelitihan .............................................................................................. 4

1.5 Manfaat penelitian .............................................................................................. 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................... 6

2.1 Penelitihan Terdahulu ......................................................................................... 6

2.2 Aliran Dua Fase .................................................................................................. 7

2.3 Flooding .............................................................................................................. 8

2.4 Hambatan ........................................................................................................... 10

2.5 Sistem Likuid Gas .............................................................................................. 11

2.5.1 Konfigurasi aliran ...................................................................................... 11

2.5.2 Pola Aliran ................................................................................................ 11

2.5.3 Pipa vertikal .............................................................................................. 12

x

2.5.4 Penentuan Konfigurasi aliran pipa vertikal .............................................. 12

2.5.5 Pipa Horizontal ......................................................................................... 13

2.5.6 Penentuan konfigurasi aliran pipa horizontal ........................................... 14

2.6 Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase Melewati Pengecilan Pipa ....................... 15

2.7 Kecepatan kritis .................................................................................................. 17

2.8 Viskositas ........................................................................................................... 18

2.9 Massa Jenis (Density) ......................................................................................... 18

2.10 Penurunan Tekanan (Pressure Drop) ................................................................. 18

2.11 Aliran Terpisah (Terstratifikasi) ........................................................................ 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..................................................................... 20

3.1 Kerangka Konsep ............................................................................................... 20

3.2 Hipotesa ...............................................................................................................20

3.3 Metode Penelitian .............................................................................................. 20

3.4 Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................................. 22

3.5 Variabel Penelitian .............................................................................................. 22

3.6 Instalasi Penelitian .............................................................................................. 23

3.7 Alat Dan Bahan ................................................................................................... 24

3.7.1 Alat ........................................................................................................... 24

3.7.2 Bahan ........................................................................................................ 25

3.8 Diagram alir penelitian ....................................................................................... 28

3.9 Prosedur Pengambbilan Data ............................................................................. 29

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN .......................................................................... 30

4.1 Data Penelitian .......................................................................................................... 30

4.2 Perhitungan data aliran dua fase ............................................................................... 31

4.2.1 Contoh perhitungan konversi............................................................................ 32

4.2.2 Contoh perhitungan kecepatan superficial air ................................................. 32

4.2.3 Contoh perhitungan kecepatan superficial udara.............................................. 33

4.3 Tabel perhitungan data dengan hambatan 1,2 cm variasi awal air ............................ 34

4.4 Tabel perhitungan data dengan hambatan 1,2 cm variasi awal udara ........................ 35

4.5 Pembahasan ............................................................................................................... 36

4.5.1 Analisa grafik water injektor berbentuk hambatan diameter 1,2 1,4 1,6 ........... 36

xi

4.5.1.1 Hubungan debit udara terhadap tekanan air dengan hambatan 1,2 cm

pada berbabagai debit air .................................................................................. 36





4.5.2.1 Hubungan debit air terhadap tekanan udara dengan hambatan 1,2 cm

pada berbabagai debit udara ............................................................................. 40





4.5.3.1 Hubungan kecepatan superficial terhadap tekanan udara dengan

hambatan 1,2 cm pada berbagai debit air ......................................................... 43





4.5.4.1 Hubungan kecepatan superficial terhadap tekanan air dengan hambatan

1,2 cm pada berbagai debit udara ..................................................................... 46





4.5.2 Debit terjadinya awal flooding .............................................................................. 49

4.5.3 Kecepatan superficial terjadinya awal flooding .................................................... 49

4.6 Analisa pola aliran water injector berbentuk hambatan berdiameter 1,2 cm

1,4 cm 1,6 cm ....................................................................................................... 50

BAB V PENUTUP ........................................................................................................... 55

5.1 Kesimpulan ................................................................................................................ 55

5.2 Saran ........................................................................................................................... 56

xii

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 57

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.3 Data penelitian untuk hambatan 1,2 cm variasi awal air ............................. 34

Tabel 4.4 Data penelitian untuk hambatan 1,2 cm variasi awal udara .......................... 35

xiv

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Hubungan tekanan differensial terhadap debit udara pada hambatan

1,2 cm ......................................................................................................... 36


1,4 cm ......................................................................................................... 38


1,6 cm ......................................................................................................... 39

Grafik 4.4 Hubungan tekanan differensial terhadap debit air pada hambatan 1,2

cm ............................................................................................................... 40

Grafik 4.5 Hubungan tekanan differensial terhadap debit air pada hambatan

1,4 cm ......................................................................................................... 41

Grafik 4.6 Hubungan tekanan differensial terhadap debit air pada hambatan 1,6

cm ............................................................................................................... 42

Grafik 4.7 Hubungan tekanan dalam pipa vs kecepatan superficial udara pada

hambatan 1,2 cm ........................................................................................ 43


hambatan 1,4 cm ........................................................................................ 44


hambatan 1,6 cm ........................................................................................ 45

Grafik 4.10 Hubungan tekanan dalam pipa vs kecepatan superficial air pada

hambatan 1,2 cm ........................................................................................ 46

Grafik 4.11Hubungan tekanan dalam pipa vs kecepatan superficial air pada

hambatan 1,4 cm ........................................................................................ 47

Grafik 4.12Hubungan tekanan dalam pipa vs kecepatan superficial air pada

hambatan 1,6 cm ...................................................................................... 48

Grafik 4.13 Hubungan debit air terhadap debit udara saat flooding ............................. 49

Grafik 4.14 Hubungan kecepatan superficial udara saat awal flooding ........................ 49

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Mekanisme Flooding ..................................................................................... 9

Gambar 2.2 Pola Aliran Pipa Vertikal .............................................................................. 12

Gambar 2.3 Diagram Aliran Hewitt-Robert untuk pipa vertikal ...................................... 13

Gambar 2.4 Pola Aliran Pipa Horizontal .......................................................................... 14

Gambar 2.5 Diagram Tatitel dan dukler untuk pipa vertika ............................................. 15

Gambar 2.6 Profil Satu fase cair ....................................................................................... 16

Gambar 2.7 Profil Perubahan Tekanan ............................................................................. 17

Gambar 2.8 Aliran dua fase terpisah ................................................................................. 19

Gambar 3.1Diagram kerangka penelitian............................................................................21

Gambar 3.2 Instalasi Penelitian........................................................................................ 23

Gambar 3.3 Desain Diffuser Water Injector ..................................................................... 25

Gambar 3.4 Desain Nossel Water Injector ....................................................................... 26

Gambar 3.5 Desain hambatan cincin................................................................................. 27

Gambar 3.6 Diagram alir penelitian .................................................................................. 28

Gambar 4.1 Visualisasi mekanisme terjadinya flooding................................................... 51

Gambar 4.2 Pola aliran dua fase air-udara water injector 1,2 cm debit air 3 lpm ............ 52

Gambar 4.3 Pola aliran dua fase air-udara water injector 1,2 cm debit air 5 lpm............. 53

Gamabr 4.4 Pola aliran dua fase air-udara water injector 1,2 cm debit air 7 lpm............. 54

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

1. Hambatan dengan diameter 1,2 cm ....................................................................... 58

a. Debit air 3 L/m dengan debit udara 8,16,24,32,40 L/s................................... 58

b. Debit air 5 L/m dengan debit udara 8,16,24,32,40 L/s................................... 58

c. Debit air 7 L/m dengan debit udara 8,16,24,32,40 L/s................................... 59

d. Debit air 9 L/m dengan debit udara 8,16,24,32,40 L/s................................... 59











4. Pengolahan data aliran dua fase berlawanan arah udara dan air.............................64

a. Hambatan 1,2 cm .......................................................................................... 64

b. Hambatan 1,4 cm .......................................................................................... 65

c. Hambatan 1,6 cm .......................................................................................... 66

5 Pengolahan dataaliran dua fase berlawanan arah air dan udara .......................... 67

a. Hambatan 1,2 cm ......................................................................................... 67

b. Hambatan 1,4 cm ........................................................................................ 68

c. Hambatan 1,6 cm ....................................................................................... 79

6 Grafik perbandingan hambatan cincin 1,2 cm 1,4 cm 1,6 cm ........................... 70

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Aliran dua fase adalah aliran fluida yang terdiri dari dua macam zat yang

berbeda fase yang mengalir secara bersamaan dalam suatu saluran. Misalnya,

aliran dua fase air dan udara, aliran dua fase cair-padat atau aliran dua fase gas-

padat. Aliran dua fase ini banyak ditemukan pada berbagai instalasi mesin, seperti

instalasi pompa air lumpur yang mengalirkan zat cair dan padat atau pada instalasi

Air Condition yang mengalirkan fluida freon dalam fase gas dan cair.Pada aliran

satu fase, pressure drop dipengaruhi oleh Reynolds number yang merupakan

fungsi dari viskositas, berat jenis fluida dan diameter pipa. Sedangkan aliran dua

fase mempunyai fenomena yang sangat kompleks disamping dipengaruhi oleh

Reynolds number pada aliran dua fase juga dipengaruhi oleh beberapa faktor,

diantaranya adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan dan

pergerakan antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pola aliran

dan hambatan-hambatan yang ada didalam pipa.

Dalam aliran dua fase air dan udara seringkali terjadi fenomena flooding.

Flooding adalah peristiwa pembalikan arah aliran fluida cair yang semula

kebawah menjadi keatas searah dengan aliran udara, faktor-faktor yang

mempengaruhi terjadinya flooding antara lain diameter dan panjang saluran,

kekasaran permukaan dinding saluran, dan system inlet dan outlet saluran. Dalam

aliran dua fase berlawanan arah juga tidak menutup kemungkinan terjadinya

hambatan-hambatan yang terjadi seperti sambungan,kerakdan lain-lainnya yang

bisa menyebabkan terjadinya flooding lebih cepat.Batas aliran berlawanan arah

(counter-current flow limitation) terjadi bila kecepatan aliran air yang mengalir ke

bawah dan udara mengalir ke atas melebihi harga kritisnya, maka sebagian air

akan terangkat ke atas searah dengan aliran udara, fenomena ini disebut onset of

flooding. Fenomena flooding dan karakteristik aliran dapat memengaruhi kinerja

peralatan-peralatan industri seperti kondensor, evaporator, kolom destilasi, reaktor

kimia gas cair. Peristiwa flooding akan sangat berbahaya bila terjadi pada sistem

pendingin reaktor nuklir. Bila inti reaktor menjadi kering sebagian atau

2

keseluruhan, kemudian diusahakan pendinginan dari atas menggunakan air dingin

yang diinjeksikan dari Emergency Core Cooling(ECC). Bila uap hasil pendidihan

(flashing) ini mengalir ke atas dan menghambat aliran air pendingin kebawah

sehingga mengakibatkan gagalnya pendinginan pada inti reaktor tersebut (Collier,

1972). Keadaan ini disebut LOCA (Loss of Cooling Accident). Pada kasus

kegagalan pendingin pada inti reaktor, temperatur permukaan dinding inti reaktor

meningkat secara tiba-tiba sehingga dapat menyebabkan lelehnya material

dinding. Secara bersamaan kenaikan temperatur tersebut menyebabkan

terbentuknya uap yang melebihi dari yang diizinkan untuk mempertahankan

pendinginan seperti yang terjadi pada pipa panas (hot leg). Hot leg adalah pipa

panas yang menghubungkan antara inti reaktor dengan steam generator seperti

pada PLTN tipe Pressurized Water Reactors (PWR). Peristiwa flooding telah

mendapat perhatian khusus dalam berbagai riset di industri nuklir terutama pada

reaktor nuklir jenis PWR. Kecelakaan yang ditimbulkan oleh kerusakan fatique

pada sistem perpipaan adalah kecelakaan yang dialami oleh salah satu PLTN di

Jepang tahun 2004 yang akibatnya antara lain, membuat sebagian masyarakat

ragu terhadap keberhasilan proyek pengembangan nuklir di sana. Sementara itu,

kecelakaan yang disebabkan oleh sistem reaktor pendingin PLTN Fukoshima

Jepang yang tidak berfungsi, menyebabkan tekanan dan suhu gas pada inti reaktor

(reactor core) sangat tinggi. Tekanan dan suhu tersebut menyebabkan ledakan.

Menurut Munson dkk. (2002) kecelakaan yang diakibatkan oleh kurangnya laju

pendinginan pada reaktor nuklir (smal break loss of coolant accident, SBLOCA)

dapat terjadi secara cepat.

Penelitian tentang fenomena flooding banyak diteliti, diantaranya

Mahmudin dkk. (2008) yang menyatakan tebal film dan fenomena dengan

menggunakan suatu instalasi water injector berbentuk annular berlubang banyak.

Proses flooding terjadi pada kecepatan aliran udara 2,904 m/s.water injector

berbentuk annular berlubang banyak menemukan bahwa bila air yang terbawa

oleh aliran udara semakin banyak maka air yang mengalir ke seksi uji semakin

Dalam aliran dua fase udara dan air juga dapat dimungkinkan terjadinya

kerak yang terjadi didalam sistem perpipaan, sambungan pada sistem perpipaan,

3

pengecilan dan pembesaran sistem perpipaan dan lain-lainnya. Yang

menyebabkan terjadinya fenomena flooding.Oleh karena itu fenomena flooding

perlu diteliti untuk diminimalisir hingga aliran air dalam pipa pada aliran dua fase

air dan udara tidak terhenti. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah rekayasa

ulang beberapa kemungkinan yang akan terjadi dalam kurun waktu lama adalah

hambatan. Untuk melengkapi beberapa penelitian terdahulu dan memberikan

sumbangan pemikiran bagi pengembangan ilmu pengetahuan, khususnya tentang

fenomena flooding pada aliran dua fase air dan udara berlawanan arah, maka

penulis merasa perlu melakukan penelitian pada suatu bentuk jika terjadi

hambatan dalam sistem perpipaan terhadap terjadinya fenomena flooding.

Hambatan dalam sistem perpipaan yang ingin diteliti pengaruhnya pada aliran dua

fase air dan udara vertical berlawanan arah adalah hambatan cincin.Tujuan yang

ingin dicapai adalah melihat terjadinya fenomena flooding jika diberi hambatan

dalam sistem perpipaan. Dalam penelitian ini menggunakan pipa acrylic agar

Penelitian ini akan menggunakan beberapa variasi mulai dari hambatan cincin

berdiameter 1,2 cm,1,4 cm,1,6 cm Pengamatan akan dilakukan pada gradient

tekanan, pola aliran, dan batas kecepatan maksimal dari fluida fase air dan udara

dengan adanya hambatan cincin sebelum terjadi flooding penuh.

1.2 Rumusan masalah

Berdasarkan uraian yang tercantum pada latar belakang, maka rumusan

masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimana pengaruh hambatan cincin terhadap fluktuasi perbedaan

tekanan pada aliran dua fase air dan udara vertical berlawanan arah.

2. Pola aliran pada aliran dua fase vertical air dan udara berlawanan arah.

3. Fenomena flooding pada aliran dua fase vertikal air dan udara berlawanan

arah.

4

1.3 Batasan masalah

Agar pengujian yang dilakukan tidak terlalu melebar dari tujuan yang

hendak dicapai, maka ditentukan batasan permasalahan. Adapun batasan

masalahnya adalah sebagai berikut:

1. Media yang digunakan adalah air dan udara.

2. Instalasi pengujian yang dilakukan pada posisi vertikal.

3. Tidak ada heat dan mass transfer antara fase.

4. Karena tidak ada heat dan mass transfer maka viskositas mendekati nol.

5. Pengujian dengan memakai pipa acrylic dengan diameter dalam(Din) = 36

mm dengan ketebalan 2 mm. Pipa acrylic dengan tujuan agar dapat dilihat

visualisasi pola aliran.

6. Fenomena flooding akibat adanya hambatan berupa cincin sebagai

penghambat dalam pipa uji(acrylic).

1.4 Tujuan penelitian

Berdasarkan rumusan masalah penelitian, maka ditetapkan tujuan yang

akan dicapai dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui pengaruh adanya hambatan cincin terhadap terjadinya

flooding pada aliran dua fase air dan udara vertikal berlawanan.

2. Mengetahui bagaimana pengaruh adanya hambatan cincin terhadap

fluktuasi perbedaan tekanan dan pola aliran pada aliran dua fase air dan

udara vertikal berlawanan arah.

3. Mengetahui dengan adanya hambatan cincin kecepatan maksimal fluida

dan tekanan fluida yang dimungkinkan sebelum flooding penuh terjadi

pada aliran dua fase air dan udara vertikal berlawanan arah.

4. Melihat fenomena yang terjadi ketika diameter hambatan cincin dirubah

rubah.

5

1.5 Manfaat penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

1. Mengaplikasikan ilmu yang dipelajari selama kuliah sebagai bentuk

pengabdian pada masyarakat.

2. Dapat memberikan alternatif-alternatif ketika terjadi hambatan pada aliran

dua fase air dan udara berlawanan arah.

3. Sebagai sumber peneliti lainnya dalam merancang dan mengembangkan

penelitian serta dapat memperkaya referensi tentang aliran dua fase

khususnya aliran dua fase air dan udara vertikal berlawanan arah.

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian Terdahulu

Penelitian tentang aliran dua fase dan fenomena flooding banyak diteliti,

diantaranya (Priyo,2010) Aliran dua fase gas cairan yang melewati pipa vertikal

mengalami perubahan karakterisitik flow patern yang dipengaruhi oleh kecepatan

superficial cairan dan kualitas volumetrik gas.Pada setiap kecepatan superficial

cairan untuk kualitas volumetrik gas menengah (medium) terjadi homogeneous

bubbly flow dan dense bubblyflow untuk kisaran kualitas volumetrik gas yang

tinggi.Sedangkan (Muhammad, 2008) mengatakan , ,flooding ditentukan oleh

kecepatan kritis udara, yang membentuk gelombang film pada bagian bawah

saluran pipa uji, dan merambat keatas searah dengan aliran udara, yang

rnengakibatkan lonjakan beda tekanan secara tiba-tiba pada manometer diatas

injektor cairan. Fenomena flooding selalu diawali dengan ketidakstabilan aliran

film diikuti adanya pola aliran seperti droplet, aliran acak serta tetesan-tetesan

air.Saat flooding pola aliran tersebut saling berinteraksi dan membentuk

gelombang. Pada permukaan film yang bergerak ke atas searah dengan aliran

udara dan gradien tekanan meningkat tajam Sementara itu, peningkatan kecepatan

udara yang menyebabkan pengangkatan sebagian film air, dan teramati juga

peningkatan ketebalan film secara mendadak terjadi lebih cepat pada jarak relatif

lebih jauh dari sisi air masuk (z=2200 mm), bila dibandingkan pada z=400 mm

dan z=1600 mm. Peningkatan ketebalan film tersebut diindikasikan sebagai

fenomena hydraulic jump look like (Mahmuddin dkk. 2011).

Untuk mengetahui penurunan tekanan melalui pipa lurus vertikal dengan

pembesaran penampang. Pipa uji terbuat dari pipa fleksiglas berdiarneter 32 mm

dan 19 mm. Pengukuran dilakukan pada debit air dari 6.7X10-5

sampai dengan

23x10-5m

3/s, dan injeksi udara pada debit di mulai dari 12x10

-5 sampai dengan

12.1x10-4m

3/s. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada debit udara yang

rendah terjadi penurunan tekanan, dan terjadi peningkatan penurunan tekanan bila

injeksi debit udara di atas 0.3x10-3

m3/s, Tetapi pada debit udara di atas 12x10

-

4m

3/s besaran ini turun secara draktis. Untuk kualitas udara (x) semakin tinggi

7

penurunan tekanan naik secara linear dan terjadi penurunan tekanan dengan

peningkatan debit air pada kualitas udara konstan. Karakteristik penurunan

tekanan hasil penelitian ini memiliki karateristik sama dengan yang dikemukakan

oleh Velasco.(Mahmuddin dkk. 2008).Alir an berlawanan arah udara dan air di

pipa diameter 24 mm. Alur pengamatan, pengukuran tekanan gradien dan

ketebalan film dilakukan diair Reynolds numbers (ReL) yang bervariasi 322, 465,

630 dan 709 dikombinasikan untuk udara injeksi dengan kecepatan dari 1,845 m/s

sampai 6,148 m/s pada jarak 400 mm, 1600 mm dan 2200 mm dari saluran masuk

air. Gradien tekanan dan ketebalan film tidak meningkatkan sampai sebelum

terjadinya banjir. Jika tidak, propagasi gelombang di permukaan aliran film dari

bagian bawah saluran masuk udara akan meningkatkan ketebalan film secara

bertahap dan tekanan gradien dengan cepat ketika kondisi banjir. Ketebalan film

yang meningkat secara bertahap diindikasikan sebagai tampilan fenomena

hydraulic jump look like.(Mahmuddin, dkk. 2011)

2.2. Aliran Dua-Fase

Aliran dua fase adalah aliran fluida yang terdiri dari dua macam zat yang

berbeda fase yang mengalir secara bersamaan dalam suatu saluran.Misalnya,

aliran dua fase cair-gas, aliran dua fase cair-padat atau aliran dua fase gas-

padat. Aliran dua fase ini banyak ditemukan pada berbagai instalasi mesin,

seperti instalasi pompa air lumpur yang mengalirkan zat cair dan zat padat

atau pada instalasi Air Condition yang mengalirkan fluida freon dalam fase

gas dan cair. Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multifase.Aliran

dari fase yang berbeda ini banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari

maupun dalam proses-proses industri.Aliran dua-fase dimulai dari Heron-

direktur sekolah mekanik Alexandria.Dia memakai sistem dua-fase yang

diikuti dengan perubahan fase untuk merubah energi termik menjadi energi

kinetik.Air yang berada dalam sungkup dipanaskan dan uap yang dihasilkan

naik ke bola dan memisah melalui aliran yang berlekuk-lekuk.Heron belum

puas dengan hasil percobaan ini.Heron menemukan sistem yang lebih baik

untuk membuka dan menutup pintu kuil secara otomatis.Api yang menyala di

altar akan memanaskan air di drum, uap akan masuk ke bejana. Semakin

8

banyak uap maka bejana akan semakin berat sehingga bejana turun dan akan

memutar poros untuk membuka pintun kuil. Jadi pintu kuil akan terbuka dan

tertutup secara otomatis tergantung pada ada atau tidaknya api di altar.

Sedangkan Leonardo da Vinci tidak lagi mempraktekan pemakaian uap air

untuk mengubah energi termik menjadi energi kinetik.Pada tahun 1945 ia

menceritakan pengalamannya dengan meriam uapnya yang bernama

Iarchitonnerre.Meriam tersebut dapat melempar peluru berbobot 45 kg

sejauh 1080 m.Sepertiga bagian dari meriam dipanaskan diatas

anglo.Penguapan mengakibatkan pelepasan peluru.Meriam uap ini telah

digunakan pada saat perang saudara di Amerika dan pada perang dunia I.

Aliran dua fase yang merupakan bagian dari aliran multifase sangat

berbeda dengan aliran satu fase. Pada aliran satu fase, pressure drop

dipengaruhi oleh Reynolds number yang merupakan fungsi dari viskositas,

berat jenis fluida dan diameter pipa.Sedangkan aliran dua fase mempunyai

fenomena yang sangat kompleks dibanding pada aliran satu fase diantaranya

adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan dan pergerakan

antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pola aliran dan lain

sebagainya.Tidak kecuali juga pressure drop pada aliran dua fase banyak

menjadi ketertarikan dalam penelitian.

2.3. Flooding

Fenomena flooding banyak diminati peneliti sebelumnya,baik pada analisa

dimensional maupun percobaan mekanismenya,khususnya kejadian flooding

didalam pipa vertikal aliran berlawanan arah.Bermacam-macam analisa dan

penelitian telah dilakukan dengan tujuan untuk menentukan metode yang akan

digunakan menghitung kondisi saat terjadinya flooding,serta memberikan korelasi

untak memprediksi kecepatan gas flooding,tetapi belum ada suatu model ataupun

eksperimen yang menerangkan secara pasti,mengenai mekanisme flooding yang

berlaku secara umum.Sistem aliran dua fase gas cair berlawanan arah didalam

pipa vertikal banyak dijumpai di industri perminyakan industri kimia,pusat tenaga

nuklir,pusat pembangkit tenaga uap,khususnya pada peralatan kondensor,

evaporator tegak dan menara pendingin.Aliran berlawanan arah terjadi ketika

9

cairan dimasukkan kedalam pipa vertikal lewat injektor berbentuk saluran pada

bagian atas.Sedangkan gas dialirkan keatas dari dasar pipa uji dengan laju aliran

bervariasi dari kecepatan 0 hingga melewati kecepatan kritis.Pada laju aliran

konstan cairan sebagai film akan mengalir kebawah sepanjang pipa uji karena

pengaruh gravitasi. Film cairan ini tidak merata,tetapi berbentuk riak yang sangat

halus.(gambar 2.1a) Jika laju aliran udara dinaikkan,film semakin bergelombang

terutama pada bagian bawah saluran pipa uji (gambar 2.1b). Jika laju aliran udara

terus dinaikkan maka gelombang film pada seluruh permukaan makin besar,

mengakibatkan butiran cairan terbawa kedalam inti udara (gambar 2.1c). Pada laju

aliran udara semakin tinggi, butiran cairan semakin besar dan membentuk

sumbatan yang merambat keatas (gambar 2.1d) massa cairan ini menempel pada

bagian dalam saluran diatas injektor.Fenomena ini terjadi secara tiba-tiba data

peristiwa ini disebut flooding atau titik flooding.

Gambar 2.1 Mekanisme Flooding.

(Sumber: Muhammad; 2008 :106)

Air yang mengalir kebawah masuk kedalam inti akan dilawan oleh uap hasil

pendidihan (flasing) yang mengalir keatas, sehingga mengakibatkan gagalnya

pendinginan. Hal ini disebut sebagai LOCA (Lost of Cooling Accident).Dengan

memprediksi awal terjadinya flooding dan memberikan pertimbangan yang tepat,

kerugian pendinginan tersebut dapat dihindari.

10

2.4. Hambatan

Dalam suatu aliran fluida baik satu fase maupun multi fase selalu terjadi

kehilangan energi (losses) yang mengakibatkan penunurunan tekanan (Olson,

1990).Berkurangnya energi tersebut disebabkan oleh adanya hambatan yang

harus diatasi.Jumlah energi yang hilang sepanjang lintasan aliran perlu diketahui

untuk menentukan besarnya daya penggerak yang digunakan untuk mengalirkan

fluida.

Penurunantekanan sepanjanglintasan aliran merupakan jumlah penurunan tekanan

dari setiap komponen pipa yang dilalui aliran.Salah satu komponen pipa yang

banyak digunakan adalah pengecilan dan pembesaran pipa secara mendadak (sudden

contraction).Komponen pipa ini digunakan untuk menyambung dua pipa yang

berbeda diameternya (sumarli, 2008).Model hambatan cincin dengan

perubahan diameter dalam aliran dua fase secara mendadak dan juga

pengecilan yang dilakukan dalam satu seksi uji masih belum banyak

dilakukan, padahal dalam dunia industri yang menggunakanaliran dua fase

juga tidak menutup kemungkinan terjadi kerak-kerak, sambungan, dan lain-

lain.Perlu adanya tindakan antisipasi (preventive), agar ketika bisa

melakukan pengamatan sejak dini Model persamaan untuk menghitung

besarnya penurunan tekanan pada aliran dua fase melewati pengecilan pipa

masih belum memiliki akurasi yang tinggi. Hal ini ditandai masih terdapat

perbedaan yang signifikan antara penurunan tekanan hasil perhitungan

dengan hasil pengukuran.Misalnya model persamaan yang dikembangkan oleh

Giot (1981) dan Hewitt (1983).

Dalam aliran dua fase udara dan air juga dapat dimungkinkan terjadinya

kerak yang terjadi didalam sistem perpipaan, sambungan pada sistem perpipaan,

pengecilan dan pembesaran sistem perpipaan dan lain-lainnya.Yang

menyebabkan terjadinya fenomena flooding.Oleh karena itu fenomena flooding

perlu diteliti untuk diminimalisir hingga aliran air dalam pipa pada aliran dua fase

air dan udara tidak terhenti. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah rekayasa

ulang beberapa kemungkinan yang akan terjadi dalam kurun waktu lama adalah

hambatan. Untuk melengkapi beberapa penelitian terdahulu dan memberikan

sumbangan pemikiran bagi pengembangan ilmu pengetahuan, khususnya tentang

11

fenomena flooding pada aliran dua fase air dan udara berlawanan arah, maka

penulis merasa perlu melakukan penelitian pada suatu bentuk jika terjadi

hambatan dalam sistem perpipaan terhadap terjadinya fenomena

flooding.Hambatan dalam sistem perpipaan yang ingin diteliti pengaruhnya pada

aliran dua fase air dan udara vertikal berlawanan arah adalah hambatan

cincin.Tujuan yang ingin dicapai adalah melihat terjadinya fenomena flooding

jika diberi hambatan dalam sistem perpipaan.

2.5 Sistem Likuid-Gas

Dalam sistem aliran dua fase yang terdiri dari fase likuid-gas masalah

yang perlu diketahui adalah konfigurasi aliran, penurunan tekanan (pressure

drop) dan fraksi dari volume saluran yang ditempati oleh fase udara atau yang

lebih dikenal dengan fraksi hampa (void fraction).

2.5.1 Konfigurasi aliran

Pemisahan air dan uapnya dalam saliran pipa panas atau dingin dapat

dipresentasikan dalam berbagai bentuk dimana pengetahuan dan prediksi

dibutuhkan untuk menghitung penurunan tekanan dan koefisien perpindahan

kalor antara fluida dua fase dan dinding pipa.Aliran likuid-gas dapat

mengambil berbagi konfigurasi geometris yang dikenal sebagai pola aliran.

Parameter yang penting dalam menentukan pola aliran adalah :

1. Pegangan permukaan atau injektor, yang menjaga dinding saluran tetap

basah dan cenderung untuk membuat tetes-tetes likuid dan gelembung

gas kecil.

2. Grafitasi, yang cenderung mendorong likuid pada dasar saluran.

2.5.2 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

12

atas. Pada aliran searah (counter-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 kabut tetes cairan dan aliran cincin.(Hewitt & Roberts, 1969).

2.5.3 Pipa vertikal

Pola aliran dua fase dalam saluran horizontal akan berbeda dengan

saluran vertikal. Dalam saluran horizontal udara akan cenderung berada diatas,

karena lebih ringan.Pola aliran yang berlaku pada pipa vertikal dengan arah

aliran ke atas, dapat dilihat pada gambar 2.2

Gambar 2.2 Pola aliran pipa vertkal.

(Sumber: Koestoer dan Proborini 1994: 29)

2.5.4 Penentuan konfigurasi aliran pipa vertikal

Diagam Hewitt-Robert (gambar 2.3) merupakan diagram yang paling

sering dipakai untuk meramalkan konfigurasi aliran. Sistem koordinat yang

digunakan adalah sebagai berikut:

(2.1)

(2.2)

Dengan :

= berat jenis (kg/m)

U = kecepatan superficial (m/s)

13

G = fluks massa (kg/ms)

X = kualitas uap

Gambar 2.3 Diagram aliran Hewitt-Robert untuk pipavertikal.


2.5.5 Pipa horisontal

Pola aliran yang berlaku pada pipa horisontal diperlihatkan pada gambar 2.4:

1. Aliran gelembung (bubble), dimana gelembung gas cenderung untuk

mengalir pada bagian atas pipa.

2. aliran kantung gas (plug) dimana gelembung gas kecil bergabung

membentuk kantung gas

3. Aliran serata licin (stratified), dimana permukan bidang sentuh likuid-

gas sangat halus. Tetapi pola aliran seperti ini biasanya tidak terjadi,

batas fase hampir selalu bergelombang

4. Aliran serata gelombang (stratified wavy), dimana amplitudo

gelombang meningkat karena kenaikan kecepata gas

5. Aliran sumbat likuid (slug), dimana amplitudo gelombang sangat

besar hingga menyentuh bagian atas pipa

6. Aliran cincin (annular), sama dengan pada pipa vertikal hanya likuid

film lebih tebal di dasar pipa dari pada dibagian atas.

14

Gambar 2.4 Pola aliran pipa horizontal


2.5.6 Penentuan konfigurasi aliran pipa horisontal

Taitel dan Dukler membagi aliran horisontal menjadi enam tipe

seperti yang terlhat pada gambar 2.4 berdasarkan analisa mekanisme transisi

dan mengusulkan diagram pada gambar, dengan observasi sebagai berikut:

1. Transisi A,antara alian serata dengan cincin atau peralihan (intermitten).

Transisi ini timbul bila terjadi gelombang pada permukaan bebas dimana

likuid menjadi tidak stabil.Formasi dan gelombang akan membawa

formasi dari pola aliran lain dengan mekanisme:

a. Pada nilai rendah, gelombang akan menyapu dan mengelilingi pipa

membentuk cincin.

b. Pada nilai yang besar, gelombang terbentuk pada batas fase dan

disapu oleh fase gas atau menyentuh permukaan atas pipa yang

membawa keregim peralihan.

2. Transisi B,peralihan dengan cincin. Mulai dari aliran strata kita dapatkan

aliran peralihan. Bila level permukaan bebas berada diatas pipa. Bila

tidak maka akan kita dapatkan aliran cincin. Ide ini memungkinkan

kriteria transisi yang berbentuk garis lurus dengan x=1,6

3. Transisi C,strata licin dengan strata gelombang. Tansisi ini menggunakan

teori jefrey relatif terhadap timbulnya gelombang permukaan bebas.

4. Transisi D,peralihan dengan aliran gelembung timbul pada saat agitasi

turbulen menghalangi gas untuk mempertahankan ketinggiannya dalam

pipa karena efek mampu ambang. Taitel dan dukler sampai pada sebuah

transisi dengan koordinat sebagai berikut:

15

Gambar 2.5 Diagram Taitel dan dukler untuk pipa vertikal


2.6. Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase Melewati Pengecilan Pipa

Penurunan tekanan sepanjang lintasan aliran merupakan jumlah

penurunan tekanan dari setiap komponen pipa yang dilalui aliran.Salah satu

komponen pipa yang banyak digunakan adalah pengecilan pipa secara

mendadak (sudden contraction).Model persamaan untuk menghitung besarnya

penurunan tekanan pada aliran dua fase melewati pengecilan pipa masih

belum memiliki akurasi yang tinggi.Hal ini ditandai masih terdapat perbedaan

yang signifikan antara penurunan tekan.Misalnya model persamaan yang

dikembangkan oleh Giot (1981) dan Hewitt (1983):

Persamaan ini menghasilkan besarnya penurunan tekanan 20%

dibanding penurunan tekanan hasil pengukuran.Untuk meningkatkan akurasi

dari model persamaan aliran dua fase melewati pengecilan pipa maka perlu

dilakukan analitis lebih mendalam mengenai profil aliran dan distribusi

tekanan pada lokasi sebelum dan sesudah aliran melewati pengecilan pipa.

Profil aliran satu fase cair melewati pengecilan saluran dapat dilihat

pada gambar 2.6 bahwa sebelum aliran melewati daerah transisi, penampang

pipa terisi penuh oleh aliran fluida.Setelah aliran melewati daerah transisi,

aliran fluida pada dinding pipa mulai memisahkan diri dan luas penampang

16

aliran mulai mengecil sampai pada luas aliran terkecil yang disebut vena

contracta.Lokasi vena contracta berada dibawah dinding kontraksi.Setelah

melewati vena contracta kemudian aliran mengalami pembesaran penampang

sampai aliran memenuhi penampang pipa.

Gambar 2.6 Profil Satu Fase Cair

(Sumber: Sumarli; 2008)

Perubahan luas penampang aliran selama melewati pengecilan pipa

tersebut akan berpengaruh terhadap kecepatan aliran. Berdasarkan persamaan

kontinuitas, besamya kecepatan aliran berbanding terbalik dengan perubahan

luas penampang Dengan demikian dapat diketahui bahwa kecepatan terbesar

berada pada daerah vena contracta.Selain perubahan kecepatan, perubahan

luas penampang aliran juga menyebabkan perubahan tekanan.Menurut

persamaan Bernouli, dalam suatu aliran fluida terdapat energi kinetik, energi

potensial dan energi tekanan (Benedict, 1980) dan (Young, dkk. 1997).

Sedangkan menurut hukum kekekalan energi, dalam suatu aliran sangat di-

mungkinkan adanya transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk lain

dengan syarat total energi tidak akan berubah atau konstan sepanjang aliran

(White, 1994). Dengan demikian jika energi kinetik suatu aliran mengalami

pertambahan maka energi lain pasti akan berkurang dalam jumlah yang sama.

Pada aliran fluida fase cair melewati pengecilan pipa, perubahan

tekanan pada setiap penampang pipa diperlihatkan pada gambar 2.6 Tekanan

fluida mulai menurun setelah memasuki daerah transisi tekanan cenderung

turun sampai pada vena contracta.Penurunan tekanan ini disebabkan oleh

17

kenaikan kecepatan aliran.Setelah melalui vena contracta.Tekananan kembali

naik sampai pada daerah aliran penuh.Profil aliran dan profil tekanan pada

aliran fase cair tersebut hampir sama dengan profil aliran gas kecepatan

rendah sampai menengah.

Gambar 2.7 Profil Perubahan Tekanan.

(Sumber: Sumarli; 2008)

2.7. Kecepatan Kritis

Dilihat dari kecepatan aliran dikategorikan sebagai laminar bila aliran

tersebut mempunyai bilangan Reynolds kurang dari 2300. Untuk aliran

transisi berada pada bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai

bilangan Reynolds kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan

Reynolds lebih dari 4000.Kecepatan kritis yang mempunyai arti penting,

kecepatan dimana semua turbulensi diredam oleh kekentalan

fluidanya.Bilangan Reynolds yang tak berdimensi, menyatakan perbandingan-

perbandingan gaya-gaya inersia terhadap gaya-gaya viskositas (kekentalan).

Untuk pipa bundar dengan aliran penuh, bilangan Reynolds :

Dengan:

= kekentalan kinematik fluida (m2 /det)

= diameter pipa (m) ; r0= jari-jari pipa (m)

= kerapatan massa jenis fluida (kg/m3)

18

= kekentalan absolut (Pa . s)

= kecepatan rata-rata (m/det)

2.8. Viskositas

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap

deformasi atau perubahan bentuk.Viskositas dipengaruhi oleh temperatur,

tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat

cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini

disebabkan gaya gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami

penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang

menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.

2.9. Massa Jenis (Density)

Density atau rapat jenis () suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat

tersebut dan dinyatakan dalam massa persatuan volume, sifat ini ditentukan

dengan cara menghitung nisbah (ratio) massa zat yang terkandung dalam suatu

bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. Hubunganya dapat dinyatakan

sebagai berikut:

Dengan:

m = masa fluida (kg)

= volume fluida (m3)

Nilai density dapat dipengaruhi oleh temperatur semakin tinggi temperatur maka

kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya kohesi dari

molekul-molekul fluida semakin berkurang.

2.10. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)

Penurunan tekanan adalah perubahan tekanan karena aliran duafase

melalui suatu sistem yang merupakan parameter penting dalam perancangan,

baik untuk sistem adiabatik maupun sistem dengan perubahan fase seperti

ketel dan kondensor.Tidak ada korelasi umum untuk penurunan aliran duafase

19

yang akurat, hal ini mungkin disebabkan karena korelasi yang ada digunakan

untuk mewakili berbagai situasi fisik.Walaupun demikian, untuk menghitung

penurunan tekanan diadakan pendekatan seperti aliran dianggap homogen atau

terpisah.

Pada aliran dua fase gas-cair, Collier (1977) dalam penelitianya yang

menggunakan uap basah sebagai fluida kerjanya menyimpulkan bahwa

penurunan tekanan hasil perhitungan teori yang menggunakan model

persamaan aliran homogen yang diterapkan untuk aliran dua-fase hanya

akurat untuk koefisien kontraksi tertentu.Schmidt dan Friedel (1997)

melakukan pengukuran penurunan tekanan sepanjang sumbu saluran dan

penurunan tekanan sebelum dan sesudah dinding kontraksi. Disimpulkan

bahwa semakin besar fluks massa dan kualitas aliran semakin besar pula

penurunan tekanan.

2.11. Aliran Terpisah (Terstratifikasi)

Dalam aliran terpisah (separated), fase-fase secara fisik mengalir

terpisah dengan kecepatan berbeda seperti ditunjukan dalam gambar. Rasio

kecepatan (S) untuk aliran homogen sama dengan satu sedangkan untuk aliran

terpisah S biasanya lebih besar dari satu, jadi fase gas bergerak lebih cepat

dari likuid.

Gambar 2.8Aliran dua fase tepisah

(Sumber: Koestoer dan Proborini; 1994: 40)

20

BAB I II

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Kerangka Penelitian

Aliran dua fase dipergunakan untuk prediksi dan menggambarkan

performance peralatan seperti penurunan tekanan, fraksi hampa, koefisien

perpindahan panas dan massa serta fenomena fisik dari peralatan.Adapun proses

flooding pada aliran aliran dua fase cair-gas vertical berlawanan arah dipengaruhi

beberapa hal :

1. Kecepatan udara.

2. Kecepatan air

3. Desain water injector air dan udara.

4. Desain saluran.

5. Hambatan dalam pipa.

Desain saluran dengan menambahkan cincin sebagai bentuk hambatan

karena pada dunia industri yang menggunakan aliran dua fase juga tidak menutup

kemungkinan terjadinya hambatan. Hambatan yang akan dipergunakan dalam

penelitian ini dengan membuat desain menyerupai sambungan yang mana

diameternya dapat dirubah-rubah dan jumlahnya juga divariasikan mulai 1,2 cm,

1,4 cm, 1,6 cm.

3.2 Hipotesa

Dengan hambatan cincin semakin kecil pada aliran dua fase vertikal

berlawanan arah akan menimbulkan terjadinya flooding lebih cepat bila

dibandingkan tanpa hambatan cincin.

3.3 Metode Penelitian

Metode penelitian yang digunakan adalah metode eksperimental

(experimental method). Dalam penelitian ini menggunakan variasi hambatan

berupa cincin dalam pipa terhadap proses terjadinya flooding. Pengaruh dari

variasi hambatan ini nanti akan dibandingkan sehingga diperoleh suatu kejadian

yang saling berhubungan.

21

Gambar 3.1 Diagram Kerangka Penelitian.

Diameter hambatan cincin 1,2 cm 1,4 cm 1,6

cm

Geometri saluran Air injector

Hambatan

Water injector

Flooding

Kecepatan udara

Sifat fisik cairan

Kecepatan cairan

Desain saluran

hambatan

Kecepatan

maksimal Cairan

saat terjadi flooding

Kecepatan

maksimal udara

saat terjadi flooding

Debit maksimal

Cairan saat terjadi

flooding

Visualisasial

iran

Pola aliran

22

3.4 Waktu danTempat Penelitian

November tanggal 5 s/d 10 2014

Lab. Mesin kampus Muhammadiyah Sidoarjo

3.5 Variabel Penelitian

Variabel-variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1. Variabel bebas (Independent Variable)

Variabel bebas adalah variabel yang besarnya ditentukan oleh

peneliti.Pada penelitian ini variabel bebasnya adalah dengan tidak diberi

hambatan.

Debit udara divariasikan dari 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 L/s.

Sedangkan untuk debit air dimulai dari 3, 4, 5, 6 L/min.

Hambatan cincin divariasikan mulai dari hambatan cincin berdiameter 1,2

cm 1,4 cm 1,6 cm

2. Variabel terkontrol (Controlled Variable)

Variabel terkontrol adalah variabel yang nilainya ditentukan peneliti dan

dikondisikan konstan. Dalam penelitian ini variabel terkontrolnya adalah

air dan udara sebagai media pengujian, posisi pipa acrylic vertikal,

diameter pipa acrylic 36 mm, tidak ada heat dan mass transfer antar fase,

dan viscositas air dan udara mendekati nol.

3. Variabel terikat (Dependent Variable)

Variabel terikat adalah variabel yang nilainya tergantung dari variabel

bebas dan diketahui setelah penelitian dilakukan.Variabel terikat yang

diamati pada penelitian ini adalah:

a. Pola aliran.

b. Kecepatan maksimal cairan saat terjadi flooding.

c. Kecepatan maksimal udara saat terjadi flooding.

23

3.6 Instalasi Penelitian

Instalasi penelitian yang digunakan pada penelitian ini terlihat seperti

skema pada gambar 3.2

Gambar 3.2 Instalasi Penelitian

24

3.7 Alat dan Bahan Penelitian

3.7.1 Alat

1. Kompressor

Kompressor berfungsi untuk menyuplai udara bertekanan menuju test section.

Data-data kompressor:

Model : CPT-280 A

Max. Working Press : 11 Bar

Hydraulic Test Press : 16,96 Bar

Kapasitas : 200 Liter

Data-data motor 3 Phase Induction

Type : MRH 3107 M; Fuji Electronic CO., ltd

Tegangan : 380 V (3-phase)

Putaran : 1420 RPM

Arus : 4,7 A

Frekuensi : 50 Hz

Daya : 2,2 Kw

2.Pompa air

Pompa air berfungsi untuk menyuplai fluida cair bertekanan menuju seksi uji.

Data-data pompa:

Power Output : 125 watt

Voltage/Frekuensi/Phase : 220V/ 50 Hz/ 1 Phase

Rpm : 2850 rpm

Discharge Head : 15 meter

Suction Head : 9 meter

Kapasitas : 32 liter / menit

3. Water flowmeter dan Air flowmeter

Berfungsi untuk mengukur flow rate udara dan air yang akan masuk kedalam

seksi uji.

4. Manometer

Manometer berfungsi untuk mengukur perubahan gradient tekanan pada seksi uji

untuk mendeteksi terjadinya flooding.

25

5. Handycam / kamera digital

Handycam / kamera digital digunakan untuk mendapatkan pola aliran dari aliran

fluida dua fase.

3.7.2 Bahan

a. Pipa acrylic

Pipa acrylic berfungsi sebagai keluarnya campuran dua fase udara dan air

dari test section menuju connecting line, kemudian menuju separator.

b. Pipa PVC

Pipa PVC berfungsi sebagai connecting line pipe.

c. Regulator

Regulator berfungsi untuk mengatur tekanan input udara dan air dari

compressor dan pompa air, diharapkan tekanan udara dan air masing-masing

sama.

d. Diffuser water injector

Diffuser water injector berfungsi agar cairan bergerak turun secara

menempel pada dinding dalam saluran

Gambar 3.3 Desain Diffuser Water Injector

26

e. Diffuser air injector

Diffuser air injector berfungsi agar udara bergerak keatas dengan awal

berada pada posisi ditengah-tengah pipa uji

Gambar 3.4 Desain Diffuser Air Injector.

27

f. Macam-macam hambatan

Dalam penelitian ini dengan menambahkan variasi hambatan dengan

tujuan untuk mengetahui fenomena yang terjadi ketika terjadi dalam aliran dua

fase udara-air pada vertikal

1,2 1,4 1,6

Gambar 3.5 Desain Hambatan Cincin.

28

Ya

3.8 Diagram alir penelitian

Gambar 3.6 Diagram alir penelitian

Tidak

Des

ain

salur

an

Mulai

Studi pustaka

Perumusan masalah & Hipotesa

Pembuatan Alat Uji Hambatan Cincin Dalam Pipa

Acrylic

Perakitan instalasi penelitian

Penentuan Variabel Penelitian

1. Variabel Bebas :Menggunakan hambatan cincin Pada Pipa Acrylic 2. Variabel Terikat :

a. Pola aliran. b. Kecepatan maksimal cairan saat terjadi flooding. c. Kecepatan maksimal udara saat terjadi flooding.

Merakit alat dan variable terkontrol

Analisis data dan perhitungan

Kesimpulan SELESAI

Pengambilan data tekanan, pola alir, flow rate udara awal

dan maksimal udara flooding

1. Debit air 2. Debit udara 3. Tekanan masuk 4. Video dari camcoder

29

3.9 Prosedur pengambilan data

Langkah-langkah pelaksanaan pengujian :

1. Pasang hambatan cincin berdiameter 1,2 cm,pada instalasi penelitian.

2. Kompresor dijalankan sampai tekanan udara dalam tangki 10 bar.

3. Pompa dijalankan dan dibiarkan sampai akumulator air terisi 3/4 bagian.

4. Dengan menggunakan katup, debit air dapat dipertahankan mulai dari 3, 5, 7,

9 L/min. dan dapat dibaca pada skala flow meter air.

5. Debit udara dinaikkan setiap satu skala flow meter udara dimulai dari skala 8,

16, 24, 32, 40 L/s, atau sampai terjadi flooding.

6. Amati perubahan gradient tekanan diatas injector untuk mendeteksi awal

terjadinya flooding.

7. Dengan menggunakan kamera digital atau handycame pola aliran dapat

direkam dengan baik dan dilakukan dengan cermat untuk mendapatkan

gambar fenomena flooding.

8. Catat Debit udara saat terjadinya flooding dan rekam fenomena alirannya.

30

BAB IV

DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

Pada bab ini dipaparkan hasil pengujian tentang pengaruh variasi diameter

hambatan terhadap fenomena flooding pada aliran dua fase cair-udara vertikal

berlawanan arah.

Tabel 4.1 Data penelitian untuk water injector berbentuk hambatan 1,2 cm

variasi awal debit air

NO DEBIT DEBIT TEK. UDARA -rata

AIR (L/M) UDARA (L/S) MASUK (BAR) (mmH2O)

1. 3

8 10 1

16 10 1,4

24 10 6

32 10 10

40 10 12

2. 5

8 10 1

16 10 2

24 10 5

32 10 12

40 10 13

31

Tabel 4.2 Data penelitian untuk water injector berbentuk hambatan 1,2 cm

variasi awal debit udara

NO DEBIT DEBIT TEK.

UDARA -rata

UDARA

(m^3/jam) AIR (L/M)

MASUK

(Bar) (cmH2O)

1. 8 3 10 1

5 10 1

7 10 1,2

9 10 1

2. 16 3 10 1,4

5 10 2

7 10 2

9 10 2

Data penelitian selengkapnya untuk hambatan 1,2 cm,1,4 cm, 1,6 cm, dapat dilihat

pada lampiran tabel pada bagian lampiran.

Dari data yang diperoleh dalam penelitian diatas kemudian dilakukan pengolahan

atau perhitungan untuk mendapatkan tekanan dalam pipa (), debit air

(liter/menit) dan debit udara (liter/second), massa alir air dan udara ( ), fluks

massa air dan udara ( ), dan kecepatan superficial air dan udara ().

4.2 Perhitungan data aliran dua fase.

Dari data-data diatas akan dilakukan perhitungan terhadap parameter penting

dalam menganalisis fenomena-fenomena yang terjadi dalam aliran dua fase

vertikal dengan variasi hambatan.

4.2.1 Contoh perhitungan konversi rata-rata (mmH2O)ke P rata-rata

( )

Documents

SkripSi