\

Jurnal Teknik Energi, Vol.2 No.2 Okrober 2012 ISSN:2089-2527

ALIRAN DUA FASA LIQUID _ GAS PADA PIPA HORIZONTALDIAMETER 46 mm

Arya Wulung dan Antariksta Pebrianr

Jurusan Tekrik Konversi Energi - Politeknik Negeri Bandunge-mail: aryawulung@yahoo.com; goto antariksa@yahoo.com

Abstrak

Boiler merupakan alat yang berlungsi untuk memanaskan air menjodi stequ. Poda saqt boiler bekerja akanterbentuk gelembung uap oir rang terkadang terperangkap dalam boiler sehinggct dapal mengurangi efisiensisuatu boiler. Dqri contoh kqsus tersebul moka r,lengan pemahaman aliran dua fasa okon didapatkan paramelerkualitatif dalam perqncangan berbctgai aplikasi yang menggunokan sistem alirqn dua fasa, baik unluk sistemadiabatik maupun sistem dengan perubahan fasa seperti padq boiler dan kondensor. Penelitian ini bertujuqnmembuqt visuqlisqsi gambar pola aliran pipa horizontal sqqt aliran duo fasa dalam pipa. Selanjutnyamendeskripsikan bentuk - bentuk gelembung yang ditemukan dqlam qliran dengan metode el,sperimen. Hasilvisualisasi pola aliran dua fase poda kecepalan supervisial liquid (U5) dengan ronge yang sama UsL0.l93m/ssampai 0.256 m/s unluk ke empat jenis aliran Us; ; 0,88 m/s sqmpai 1,7 m/s membentuk pola aliran bubble,pada U51; : 1,7 m/s sampai 2,3 m/s membentuk pola aliran kantong, pqdq Us<; ; 6,7 m/s sampoi 8,7 m/snembenttrk pctla qlirdn strata gelombang dan pada Ux; : 3,2 m/s sampai 5,8 m/s m/s membentuk pola alironpeluru. Numun dalam ekperimen tersebtt tidak ditemukan aliron gelembung gelang seperti yang telahdisebutkan l(eisman.

Kata kunci : uliran, cair-gas, pola

\

PENDAHULUANAliran dua fasa merupakan bagian dari aliranmultifasa yang pengaplikasiannya sendiribanyak terdapat di industry, contohpengaplikasiannya misal pada evaporator,boiler, heat exchonger, pipa pencairan gas, danpipa - pipa pendistribusian lainnya.

Salah satu karakteristik yang paling mendasardari aliran dua fasa adalah terjadinyaseparation pada aliran. Pola aliran yangterjadi ketika separation adalahdisperselterpecahnya gelembung danseparatedlpemisahan gelembung. alirandispersed dalam aliran dua fasa, sepertiterdapatnya bubble dan terbentuknya kabutdalam pipa yang dimana keadaan tersebuttersebar disepanjang pipa dengan ukuranpartikel yang kecil.

Dalam aliran turbulen yang terdiri dari airterdapat gelembung - gelembung yangterdispersi, gelembung yang terpecah - pecah,

dan gelembung yang bersatu. Keadaangelembung dalam sebuah aliran akanberlangsung secara terus - menerus selamaterjadi proses aliran air. Aliran air yang beradadalam pipa yang panjang cenderung memilikikeadaan gelembung yang seimbang antara

Aliran dua fasa dalam pipa dengan permukaanhorizontal memiliki karakteristik tersendiri.yakni ketika aliran fasa liquid mengalir dalampipa akan terjadi kontak dengan fasa udarayang berada dalam pipa. Sehingga pada jarakdan tekanan udara tertentu akan terbentukgelembung - gelembung udara dalam aliran.Perilaku aliran dua fasa tersebut akanmempengaruhi efisiensi suatu aliran fluida,terutama dalam industri karena apabilaefisiensi baik maka biaya produksi akan dapatdi efisienkan pula.Faktor yang perlu diperhatikan dalam aliranmultifasa, diantaranya :

r Arah AliranPerlu diperhatikan apakah aliran dalampipa berlawanan arah (counler cuffenl )atau aliran searah (cocurent ).

o Kedudukan Saluran Pipa

164

tII

t'i

ttt

t

\

t

tIt

ItIt(

keadaan gelembung yang terpecah dangelembung yang bersatu. Gelernbungberdiameter besar (d,,,",) mernilikikecenderungan untuk terpecah ketika proses

aliran berlangsung, sedangkan gelembungberdiameter kecil ( d.; ) memilikikecenderungan untuk bersatu dengangelembung gelembung la inn; a.

Jurnal Teknik f,nergi, Vol.2 \o.2 Oklobcr 2012

Berikut ini merupakan bentukgelembung dari aliran dua fasahorizontal;

- bentukpada pipa

--l-a

Slug

Gambar I Pola aliran dalam pipa horizontal(Hewit, 1982)

Aliran plug, dimana gelembung - gelembunggas kecil bergabung membentuk kantung gaspada jarak tertentu kemudian gelembung -gelembung gas kecil bersatu untukmenghasilkan p/rg plug yang panjang.

ISS\:2089-2527

Aliran slratified, dimana permukaan bidangsentuh cairan-gas sangat halus, tetapi polaaliran seperti ini biasanya tidak lerjadi

Aliran wave, di mana amplitudo gelombangmeningkat karena kenaikan kecepatan gas.

Aliran s/zg, dimana amplitudo gelombangbiasanya besar hingga menyentuh bagian ataspermukaan dalam pipa.

Aliran bubble dan dispersed bubble flow,dimana gelembung gas cenderung untukmengalir pada bagian atas tube.

Aliran annular, sama dengan aliran annularpada tabung vertikal hanya liquid film lebihtebal didasar tabung dari pada bagian atas.

Setelah diperoleh data - data yangdibutuhkan selanjutnya akan digambarkan petapola aliran fluida dua fasa yang mengalirdalam pipa horisontal, dengan batasan masalahsebagai berikut;

I . Fluida yang digunakan air dan udara.2. Pembuatan peta pola aliran

berdasarkan kecepatan superficial gas(Usc) dan kecepatan superficialair.(U51).

3. Perbandingan jumlah gas dan airdibuat sedemikian rupa sehinggaterdapat beberapa variasi data

4. Kondisi katup air 0', 15",30",45',60- oan /)

S. ilaat ada hear dan nruss transJbrantara fasa.

6. Pengaruh temperature pada viscosityfluids akan diabaikan.

7. Pengaruh getaran diabaikan.

Perubahan aliran dua fasa, dapat dianaliasisdari kecepatan superficial gas ( U56 ) dankecepatan liquid nya ( Usr ), untukmenganalisannya dibutuhkan variablevariable sebagai berikut.Laju aliran massa total melalui tabung adalahjumlah dari massa tahap aliran dua fasa

rh=Iilc+rhl .....(l)Cross section area keseluruhan, didapatdengan menjumlahkan cross section gas dancross section liqluid.

A=AG+AL ... (2)Dimana ;A = Luas area total ( m2 )4.6 = Luas area fasa gas ( m2 )-

!=i=i:i]{=:-.;.:?'.j::i:-i

. Berbagai penelitian terusdikembangkan dengan membuatbeberapa variasi kedudukan/posisipipa, misalnya pipa spiral, horisontal,vertikal, dan pipa dengan kemiringantertentu.

o Fasa - fasa FluidaAliran multifasa dibagi dalambeberapa fasa yakni aliran dua fasahingga lebih dari dua fasa. Aliran duafasa dibedakan dari jenis fluida yangmenyertainya yaitu fasa cair padat,cair - gas, dan gas - padat.

Beberapa peneliti telah meneliti pola aliranpada pipa horizontal diantaranya Hubbard andDukler 1966, Wallis 1969, Weisman 1983membuat semacam peta pola aliranberdasarkan kecepatan superficial yang dapatdijadikan acuan dalam sebuah industry untukmengetahui kualitas aliran dalam pipahorizontal, dari peta dapat terlihat di daerahmana saja atau pada panjang pipa berapa akanterjadi bentuk - bentuk gelembung dalam pipakemudian secara keseluruhan digambarkandengan U56 dan U51. dan hubungan tersebutditujukan dalam memprediksi batas peralihanfasa.

---

165

A1 = Luas area fasa air ( m2 )Kecepatan massa aliran ( G ) dapat dihitungdengan persamaan;

ril-^:!tl. .,A

GLrn1

Arn

a"

Volume aliran dinyatakan sebagai berikut,Qc: Ac .u6 = G6.v6 ..........( 6 )Qr:Ar_.u1 = G;.q- (7)

1-u = - ( m'/kg )..... .... .. .... ...( 8 )

PRasio massa aliran (x), dapat disebut pula"kualitas" dari fraksi, dinyatakan denganrumus sebagai berikut;

-- rh6 G6x: "": : - .....................( I )ftCSehingga untuk mendapatkan kecepatansuperficial gas dan liquid, digunakan

ISS\r2089-2527

massa fluida (rh), kecepatan massa aliran (G),dan kecepatan superficial (Us)

Selanjutnya pipa acrylic disambungkan denganpipa PVC, pompa dan bak penampung sepertipada Gambar 2. Pada pemasangan seluruhrangkaian digunakan v)ulerpuss agar posisirangkaian utama pengujian tidak miring.Selain itu untuk mengurangi danmenghilangkan getaran dari pompa makadibuat suatu dudukan pompa sebagai peredamgetaran.

Alat yang digunakan dalam penelitian inidirakit sendiri dengan mengacu pada refrensipenelitian dan jumal-jumal terkait. Alatpengujian ini merupakan satu kesatuan darikomponen-kornponen berikut:

Gambar 2. Skema Sistem lnstalasi Pengujian

...... ( 3 )

.......(4 )

...... ( s )

persamaan,xIil v-

Usc :;i = C6.v6

_. ( l-x) rhv1usl = A = Gl.Yr

(10)

( ll )

METODA PENELITIANUnit pengujian yang dilakukan pada penelitianini terdiri dari dua unit, yaitu pengujianlangsung dan pengujian tak Iangsung.

Pada unit pengujian langsung, seluruh variableyang diukur langsung pada saat penelitian,nilainya bisa langsung diketahui tanpa perluperhitungan lebih lanjut. Unit pengujianlangsung terdiri dari pengukuran temperature

10C;, waktu yang diperlukan untuk mengisibejana gelas ukur (s) dan volume fluida yangtertampung digelas ukur (ml).

Alat bantu yang digunakan adalah termometer(0C), stopwatch (s), dan kamera. Seluruh unitpengujian langsung digunakan sebagai inputdata untuk mendapatkan nilai unit pengujiantak langsung.

6l6

Jurnal'Ieknik Inergi, Vol.2 No.2 Okrober2012

1. Bak penampung dengan kapasitasmaksimal 100 liter untuk menampung airyang disirkulasikan.

2. Pompa air Shimidzu dengan karakteristikhead 33 meter dan kapasitas aliran 34liter/menit , yang digunakan untukmemompa dan mensirkulasikan air.

3. Katup pengatur l%" untuk mengaturkecepatan aliran yang masuk pipapengujian dan l'/i' untuk ,/ pass agarkecepatan aliran yang bersirkulasi dalamrangkaian konstan dan mencegahterjadiny a w ot er h amrner.

4. Kompresor dengan merk Inggersol,digunakan untuk injeksi udara yangbersirkulasi dengan air.

5. Air flow dengan kapasitas pengukuranmaksimall0 L/menit, digunakan untuk menentukandan mengukur kapasitas aliran udara yang

Pada unit pengujian tak langsung, seluruhvariable nilainya didapat dari perhitungan dandigunakan untuk bahan pengamatan atauanalisis. Pada pengujian ini variable yangdihitung tediri dari debit aliran (Q), kecepatanaliran (V), bilangan Reynolds (Re), laju aliran

- .. -.,1

bersirkulasi.6. Pipa acrylic spiral dengan diameter luar 50

mm. diameter dalam 46 mm sepanjang2000 mm yang digunakan sebagai pipapengujian.

7. Kamera digital digunakan untukmengabadikan dan menvisualisasikanaliran air dan udara (campur) yangbersirkulasi.

Dimensi pipa acrylic horizonlal memilikidiameter luar pipa (OD) = 50 mm, tebalpipa (t) = 4 mm, diameter dalam (Di) = {fmm, dan panjang pipa horizontal (P) =2000 mm.

Data-data hasil pengujian dihitung denganRumus perhitungan debit, kecepatan danmassajenis air untuk aliran satu fasa (air tanpainjeksi udara). Sedangkan untuk aliran yangterdiri dari campuran air-udara, dihitungdengan

Persamaan I sampai ll. Hasil perhitungandiplot pada grafik, yang merupakan hasilperhitungan bilangan Reynolds (Re),kecepatan massa aliran (C), kecepatansuperficial air (UsL) yang bervariasi dankecepatan superficial udara (Usg) yangkonstan.

Selanjutnya pengambilan data gambardilakukan dengan kamera digital danhandycam. Hal ini dilakukan untukmemvisualisasikan tampilan aliran air denganpenambahan aliran udara. Hasil visualisasitersebut, diproyeksikan untuk mengetahuiposisi gelembung udara.

HASIL DAN DISKUSI

Hasil erperiment didapatkan data data yangdigunakan untuk menentukan besar kecepatansuperficial liquid (Usr_) dan kecepatansuperficial gas (Usc), sebagai berikut ;

ISS\:20E9-2527

Tabel l. Kecepatan superficial liquidUsr-)

Setelah didapatkan nilai kecepatan superficialliquid selanjutnya menentukan besar kecepatansuperficial gas dengan mengamati pola aliranyang terjadi di pipa horizontal.

Tabel 2. Kece lan su tclal (Usc)

Berikut ini merupakan peta pola aliranhorizontal yang telah didapatkan dari hasilpengujian, akan terlihat batas - batas daerah

Buka

Katup

aLIm

T,i. RE

s

fr,i

kgl

GLkgl

2ms

0" 43246

12973.l

0.4)

255.I

0.256

15. 3824

5

r r663.5

0.38

229.9

0.23r

30. 3724.4

1t332.2

0.37

223.9

0.225

45" 3610972

.20.36

217.3

0.2l8

3523.

8

10425.6

0.35

2089

0.2l0

32234

0.32

1927

0.1

93

Usc (m/s)No Statified

Slug Bubble

1 0.256 6.734 5.855 1.757

2 0.23 l 8.783 1.464 I.t7t3 0.225 4.684 751I 1.464

0.218 8.783 5.27 I .1 57 I.t7t5 0.21 4.684 1.464 l.l7l6 0.193 5.822 1.757

tbt

Jalannya penelitian adalah sebagai berikut: airdialirkan dengan menggunakan sebuah pompasirkulasi melewati katup pengatur. Udarabertekanan dari kompresor dialirkan melewatiairJlow dari 0,02-0,13 m/s, sehingga udaramasuk melalui pipa dan terjadi bubble dalamaliran air yang bersikulasi dalam pipahorizontal.^ Temperature air yang dialirkansebesar 24'C-

Jrrnal Teknik Energi, Vol.2 No.2 Oktober 20t2

Peta pola aliran menggambarkan daerahterjadinya gelembung gelembung dalam pipahorizontal, dilihat dari data data yang telahdidapat maka besarnya kecepatan superficialliquid (U51) menentukan besarnya kecepatansuperficial gas (U56). Semakin besar kecepatansuperficial liquid (U51) maka debit udara yangdimasukan dalam pipa semakin ringgi danakan rnempengaruhi besamya kecepatansuperficial gas (U56) hal tersebut bertujuansupaya terjadi berbagai macam bentukgelembung dalam pipa

Uslm/s

60"

75" 9528.35

Usr-

(m/s )wove

Plug

2.39

5.21

3.22,+

8.783

7.905 0.878

untuk tiap perubahan bentuk gelembung duafasanya

Peta Aliran Pip. Horirontal

0.26''00000

0.20.190.r8

.0.5 0.5 l.s

ISSN : 20E9 - 2527

5,8 m/s. Bentuk slug tiga kali panjangplug, antara s/ag yang satu denganyang lainnya berjarak dekat sehinggapada ujung pipa horisontal s/ugmenggabungkan diri dengangelombang s/ng selanjutnya.

Gambar 6. Gelembung s/lrgDaerah stratified wave dapat terlihatpada range U51 0.193m/s sampai0.256 m/s, dengan range Usc nya 6,7m/s sampai 8,7 m/s. Bentuk stratifiedwave berombak ombak dengan fasacair berada di permukaan bawah pipahorisontal, sedangkan fasa udaraberada di bagian atas pipa.

.24-

.22

.21

\2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8-5 9.5

lrsc ln/rl

a statifi€dwave tslug .plug abubble

Gambar 3. Peta Pola Aliran Pipa Horisontal

Ditemukan empat jenis aliran gelembung yangterlihat dari daerah kecepatan superficial gas

dan liquid pada peta, sebagai berikuto Daerah bubble dapat terlihat pada

range U51 0.193m/s sampai 0.256 mis,dengan range U56 nya 0,88 m/s sampai1,7 m/s. Bentuk bubble yang didapattidak mengalami penyebarangelembung gelembung kecildisepanjang pemukaan pipa, bentukbubble cenderung terpisah - pisahantara bubble yang satu dengan yanglainnya.

Gambar 4. Gelembung bubble

Daerah plug dapat terlihat pada rangeUsr- 0.193m/s sampai 0.256 m/s,dengan range Us6 nya 1.7 m/s sampai2,3 m/s. Benttk plug yang didapatcenderung terpisah - pisah, ketikadiamati plug akan bersatu denganbubble yang terkadang munculbersamaan dalam aliran pada jaraktertentu sehingga gelembung p/lrgmenjadi lebih panjang pada bagianujung pipa

Ganrbar 7. Gelemblrng stratified wite

\

Gambar 5. Gelembungp/rg

Daerah slug dapat terlihat pada range

Usr- 0.193m/s sampai 0.256 m/s,dengan range U56 nya 3.2 m/s sampai

168

,rurnal Teknik f,nergi, Vol.2 No.2 Oktobcr 2012

Irc-ttf

E

rc

KESIMPI]LANPola aliran dua fasa pipa horisontalrnenggambarkan karakteristik aliran dua fasadengan cara mengamati batas daerah terjadinyagelembung berdasarkan kecepatan superficialliquid (U5y) dan kecepatan superficial gas

(Us6), setelah dilakukan experiment dananalisa data maka didapatkan kesimpulansebagai berikut;

1. Didapatkan visualisasi hasil penelitianyang digambarkan dalam peta pola aliranterlihat batas daerah gelembung stratified,slug, plug, dan bubble berdasarkan U5;dan U56.

2. Tidak ditemukan jenis aliran gelerrbungannular seperti yang dijelaskan dalamliterature, dikarenakan tekanan udara yangdiberikan kurang mecukupi untukmendapat gelernbung tersebut.

3. Dengan range U5s yang sama untukkeempat yakni 0,193 m/s sampai 0,256 mi s

maka pola aliran yang didapat sebagai

berikut:o Usc i 1,7 rn/s samPai 2,3 m/s

didapat aliran gelembung p/r.rg. Usci 3,2 m/s samPai 5,8 m/s

didapat aliran gelembung s/zg

\

t\

t

Jurnal T€knik Energi, \'o1.2 No.2 Okrober 2012

U56 ; 0,88 m/s sampai 1,7 m/sdidapat aliran gelembungslratified wive

4. Semakin kecil nilai U56, sebaliknyatekanan udara yang diberikan semakinbesar-

DAFTARPUSTAKAGhanjar, A. J. 2005. Non - Boiling Heat

Transfer in Gas - Liquid Flow in Pipesa Tutorial,vol XXVI, no. I .

Wijayanti, Yureana. 2008. Pengaruh DebitTerhadap Dinamika Gelembung UdaraDalam Kolom Aerator, Pebruari vol.8,no.2, pp : 133 - 147

M.M. Razzaque er al. ( 2003 ), .. Bubble size

in coalence dominant regime ofTurbulent Air - Water Flow ThroughHorizontal Pipes,"lntemational Joumal

ISS\:2089-2527

of Multiphase Flow , vol. 29 ,pp.l45 l-147 t.

Monji, H., Matsui, G. and Saito, T., "pressureDrop Reduction of Liquid - ParticlesTwo-Phase Flow with Nearly EqualDensity", Proceeding of the 2 ndInternational Conf. on MultiphaseFlow, Kyoto, Japan, 1995.

Watanabe, K-, *Hydraulic and PneumaticConvqtances of Solid Particles by aSpiral Tube" The fourth Korea - JapanPowder Technology Seminar, 1991,pp. l11 - 124.

J. Weisman, dkk.,( 1979)."Effecs of fluidproperties and pipe diameter on two-phase flow patterns in horizontallines."lnternational Joumal OfMultiphase Flow, volY , pp 437 - 462.

109