buku perpindahan kalor pendidihan dan aliran dua fase
TRANSCRIPT
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
1/69
2012PERPINDAHAN KALOR PENDIDIHAN DAN
ALIRAN DUA FASE
Raldi A. Koestoer, dkk.
2012PERPINDAHAN KALOR
PENDIDIHAN DAN
ALIRAN DUA FASE
Mahasiswa Pascasarjana DTM-FTUI 2012Editor : Raldi Artono Koestoer
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
2/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
i
Perpindahan Kalor Pendidihan dan
Aliran Dua Fase
Raldi Artono Koestoer
M. Fajri Hidayat Dian Palasro
Okwaldu Purba Nurrohman
Mekro Permana Pinem Sulaiman Achmad
Ali Abdurrahman Sungkar Kurniawan Teguh Waskito
Fathin Dwi Wicaksono Mokhtar
Ihsan Ahmad Zulkarnain Muhammad Andira Mulia Siregar
Helmi Dadang Ardiansyah Dwika Budianto
Asryan Abrar Ramadhian Sentot Novianto
Mokhamad Issubekti
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Cetakan Pertama
Universitas Indonesia
Fakultas Teknik
Departemen Teknik Mesin
Kampus Baru UI Depok 16424
Website:http://www.mech.eng.ui.ac.id
Raldi Artono Koestoer
e-mail:[email protected]
website:http://koestoer.wordpress.com/
http://www.mech.eng.ui.ac.id/mailto:[email protected]://koestoer.wordpress.com/http://koestoer.wordpress.com/mailto:[email protected]://www.mech.eng.ui.ac.id/ -
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
3/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
ii
Judul Buku :
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Al ir an Dua Fase
Oleh : Mahasiswa Pascasarjana Departemen Teknik Mesin FTUI 2012
Penerbit :
Diperkenankan untuk mengutip, mengkopi, menggandakan sebagian ataupun
seluruh isi buku ini untuk kepentingan pendidikan
Editor : Raldi Artono Koestoer
Penyunting : Ali Abdurrahman Sungkar
Desain sampul : Nurrohman
Materi : Mahasiswa BHT-TPF Program Pascasarjana Teknik Mesin FTUI 2012
dengan bangga kami
persembahkan untuk Bangsa I ndonesia
Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Indonesia
Tahun 2012 Cetakan I
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
4/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
iii
Kata Pengantar I
Alhamdulillah setelah melalui banyak pertemuan di dalam kelas BHT-TPF
(Boiling Heat Transfer and Two Phase Flow)yang merupakan bagian dari kuliah
Pascasarjana (S2) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Indonesia, lahirlah sebuah karya terjemahan yang merupakan buku kecil dengan
judul Perpindahan Kalor Pendidihan dan Ali ran Dua Fase.
Hasil kerja bersama dari 17 orang mahasiswa S-2 Teknik Mesin Universitas
Indonesia ditambah dengan satu supervisor, yang berupa dokumen elektronik (e-
book) ini dimaksudkan untuk menambah perbendaharaan karya ilmiah dalam
bidang BHT-TPF dan diharapkan untuk menjadi rujukan bagi anak bangsa yang
nanti akan bergelut dalam bidang ilmu ini. Berbasiskan pada rujukan utama buku :
Engineering Data Book III Chapter 12 oleh John R. Thome dan rujukan
pembanding bukuAliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis oleh Raldi A. Koestoer
dan Sasanti Proborini.
Kami berusaha untuk menerjemahkan sebisa mungkin semua istilah dalam
BHT-TPF ke dalam bahasa Indonesia yang baik dan benar sehingga kami membuat
daftar istilah terjemahan dari bahasa Inggris ke bahasa Indonesia. Selain itu,didalam buku ini diberikan nomenklatur agar mempermudah pengguna buku ini
untuk memahami fenomena dalam aliran dua fase ini. Setelah terbitnya buku Aliran
Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis pada tahun 1994 dan yang sebenarnya buku itu
aslinya selesai dibuat tahun 1992 (proses pencetakan memakan waktu hampir 2
tahun), berarti bahwa selama kurun waktu hampir 20 tahun belum pernah ada lagi
terbit buku dalam bahasa Indonesia tentang aliran dua fase. Maka muncullah ide,
mengapa tidak kita re-make remix dan remajakan sekaligus ditambah saja buku
yang sudah lama itu. Sebagian besar ternyata masih relevan juga, namun
bagaimanapun juga riset dan pengembangan ilmu pengetahuan bergerak majusehingga perlulah kita tambah dengan berbagai hal yang merupakan hasil
pengembangan satu dekade terakhir ini utamanya setelah tahun 2000-an.
Diwakili oleh 17 anak muda, terlihat bahwasanya generasi yang muncul
baru ini amat antusias untuk menggali ilmu pengetahuan dan teknologi, sehingga
kami merasa bersyukur ibarat kata pepatah cina: gelombang yang di belakang telah
menyusul gelombang yang di muka, dengan demikian sepertinya sudah syah
amanah ini diserah terimakan pada generasi penerus, yang akan mengembangkan
ilmu ini serta tak lupa mengamalkan, mengaplikasikan, dan mengimplementasikan
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
5/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
iv
guna kepentingan bangsa Indonesia masa kini dan masa datang. Ada kalanya kita
memerlukan biaya besar untuk mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi,
namun dengan cara yang cerdas kita tetap bisa mengembangkannya bahkan bisa
menunjukkan kemanfaatan yang lebih hanya dengan biaya yang minim dan terbatas.Allah memiliki semuanya, Allah pemilik ilmu yang memercikkan sedikit kepada
kita untuk kita amalkan. Allah pula yang membuka pintu hati, pintu pikiran, dan
kunci pemahaman sehingga kita bisa mengerti dan selanjutnya meneruskan estafet
pengembangannya agar bisa bermanfaat bagi masyarakat banyak di Indonesia
khususnya dan di dunia pada umumnya.
Semoga apa yang telah dibuat bersama ini menjadi titik tolak bagi kita
bahwa bila ada kemauan pastilah kita bisa berbuat sesuatu. Tak lupa kami
mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah berkontribusi dan
membantu sehingga karya ini bisa menjadi kenyataan, dan khususnya untuk kelas
BHT-TPF ini, berdelapan belas, Jangan pernah berhenti berkarya.
Depok, 06 Desember 2012
Prof. Dr. Ir. Raldi Artono Koestoer, DEA
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
6/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
v
Kata Pengantar II
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena dari rahmat dan
ridho-Nyalah buku dengan judul Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua
Fase ini dapat diselesaikan. Didalam menjalani kuliah perpindahan kalor lanjut
bersama dengan Prof. Dr. Ir Raldi Artono Koestoer, DEA kami fokus terhadap
pembahasan Boiling Heat Transfer-Two Phase Flow (BHT-TPF). Proses kuliah
selama setengah semester diwarnai dengan aktivitas diskusi dan tanya jawab,
sebagai mahasiswa secara khusus kami mengucapkan banyak terima kasih kepada
Prof. Raldi Artono Koestoer yang telah membimbing kami dalam kuliah bahkan
menjadi mobilisator untuk menerjemahkan buku ini sehingga dapat dimanfaatkanbagi bangsa Indonesia.
Salah satu yang menjadi pertimbangan kami untuk menerjemahkan buku ini
adalah karena kurangnya referensi dalam bahasa indonesia untuk topik BHT-TPF,
padahal di Indonesia sendiri aplikasi ilmu ini sangat banyak dipergunakan. Faktor
ini membuat efek ketergantungan terhadap bangsa lain ketika kita ingin
menggunakan penerapan ilmu ini di Indonesia, sehingga kita kerap kali tertinggal
dalam kemajuan teknologi dunia. Kami meyakini Indonesia sebagai bangsa yang
besar dan berpendidikan mempunyai kapasitas untuk mengembangkan ilmu ini,
hanya saja perlu ide-ide kreatif dan sinergis yang selama ini kurang dimotori dandiperhatikan sehingga dampaknya tidak signifikan.
Buku Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase diharapkan
dapat menjadi salah satu referensi yang menolong dalam permasalahan aliran dua
fase. Lebih jauh dari itu kami merindukan buku ini juga dapat menjadi motivasi dan
inspirasi bagi anakanak bangsa supaya semakin bersemangat dan berjuang dalam
mengembangkan teknologi indonesia.
Depok, 06 Desember 2012
Mahasiswa Pascasarjana Teknik Mesin UI
Dinamika Fluida dan Perpindahan Kalor Lanjut 2012
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
7/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
vi
Daftar Isi
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase .................................................. i
Kata Pengantar I ........................................................................................................ iii
Kata Pengantar II ....................................................................................................... v
Daftar Gambar ......................................................................................................... vii
Daftar Istilah ............................................................................................................. ix
Nomenklatur .............................................................................................................. x
Pola Aliran Dua Fase ................................................................................................. 1
12.1 Pola Aliran dalam Pipa Vertikal ........................................................................ 2
12.2 Pola Aliran dalam Pipa Horisontal..................................................................... 4
12.3 Penggambaran Pola Aliran Adiabatik pada Aliran Vertikal dan Horizontal di
Tabung ............................................................................................................. 7
12.4 Diagram Pola Aliran pada Proses Evaporasi di dalam Tabung Horisontal ...... 15
12.4.1 Contoh Diagram Pola Aliran Fluida Terpilih untuk Evaporasi di PipaHorisontal ...................................................................................................... 38
12.5. Diagram Pola Aliran Untuk Kondensasi pada Pipa Horisontal ...................... 40
12.6. Pola Aliran Pada Tabung Horisontal yang Diperluas Permukaan Dalamnya . 42
12.7. Pola Aliran Dan Diagram Untuk Aliran Dua Fase Melalui Susunan Tabung
Horisontal ...................................................................................................... 45
Kesimpulan .............................................................................................................. 50
http://c/Documents%20and%20Settings/user/Desktop/Full%20Version%20(Repaired).docx%23_Toc342846963http://c/Documents%20and%20Settings/user/Desktop/Full%20Version%20(Repaired).docx%23_Toc342846963http://c/Documents%20and%20Settings/user/Desktop/Full%20Version%20(Repaired).docx%23_Toc342846963 -
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
8/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
vii
Daftar Gambar
Gambar 12. 1 Aliran dua fase dalam arah aliran vertikal 3
Gambar 12.2 Pola aliran horizontal dua fase dalam aliran horizontal 5
Gambar 12.3 Pola aliran dalam tabung evaporator vertical dari collier dan
Tahome (1994) 6
Gambar 12.4 Grafik Pola aliran dua fase dari Fair (1960) pada pipa vertikal 8
Gambar 12.5 Grafik pola aliran dua fase dari Hewitt dan Roberts (1969) untuk
tabung vertical 9
Gambar 12.6 Grafik pola aliran dua fase Baker (1954) untuk pipa horizontal 10
Gambar 12.7 Diagram Pola Aliran Dua Fase pada Pipa Horizontal (Taitel dan
Duckler, 1976) 11
Gambar 12.8 Pola aliran sepanjang penguapan pada pipa horizontal Collier dan
Thome (1994) 14
Gambar 12.9 Diagram pola aliran Kattan, Thome dan Favrat ilustrasi batas
transisi bagian aliran 15Gambar 12.10 Bagian Penampang Melintang dan fraksi likuid dan gasdistribusi
tabung 17
Gambar 12.11 Diagram pola aliran dari Thome-El Hajal untuk R-410A pada
5oC pipa berdiameter 13.84 inch dengan nilai yang dievaluasi pada mass
flux 100, 200, dan 300 kg/m2s dan fluks kalor 17.5 kW/m2 24
Gambar 12.12. Foto daerah aliran strata licin Barbieri, Saiz-Jabardo dan
Bandarra Filho (2005). Atas : aliran strata licin; tengah dan bawah: aliran
strata gelombang, diameter pipa: 15,8 mm 25
Gambar 12.13. Foto-foto daerah aliran kaca-lihat Barbieri, Saiz-Jabardo dan
Bandarra Filho (2005) dengan sebuah rangkaian gelombang batas fase di
dalam sebuah pipa 9,52 mm (atas) diikuti dengan gelombang mendaki di
dalam sebuah pipa 15,8 mm (tengah) dan kemudian sebuah gelombang
amplitude besar mencapai bagian atas saluran di dalam pipa 15,8 mm
(bawah) 26
Gambar 12.14 Foto-foto daerah aliran cincin Barbieri, Saiz-Jabardo dan
Bandarra Filho (2005) menunjukkan tiga gambar gelombang-gelombang
batas fase pada sebuah film likuid cincin Atas: pipa 9,52 mm; tengah: pipa
15,8 mm; bawah: pipa 15,8mm 27
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
9/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
viii
Gambar 12.15. Diagram pola aliran baru disimulasikan untuk R-22 pada
5oC,diameter 13.84, laju aliran 100 kg/m
2s dan 2.1 kW/m
2 untuk
menentukan kurva-kurva transisi 29
Gambar 12.16. Pengeringan pada tabung horisontal. (a) daerah pengeringanselama penguapan dalam tabung horisontal mulai di xdi pada bagian atas
tabung dan berakhir di xde pada dasar tabung. (b) Potongan melintang : A-A
permulaan pengeringanpada aliran cincin ; B-B pengeringan; C-C akhir dari
pengeringan dan mulai aliran kabut 30
Gambar 12.17. Pengujian koefisien heat transfer pada diameter 13.84 mm
untuk R-22 pada suhu 5oC dengan fluks kalor awal 57.5 kW/m
2dan laju alir
massa 600 kg/m2s 31
Gambar 12.18 Pola aliran untuk R-22 pada 5oC dalam pipa diameter 13.84 mm
dengan 300 kg/m2s untuk empat fluks kalor: a) 7.5 kW/m2, b) 17.5 kW/m2,c) 37.5 kW/m
2, d) 57.5 kW/m
2 35
Gambar. 12.19. Diagram pola aliran evaporasi untuk n-butane dan propana pada
pipa horisontal 36
Gambar 12.20. Diagram pola aliran kondensasi dalam pipa untuk R-134a pada
suhu 40oC di pipa horisontal dengan diameter dalam 8 mm oleh El Hajal,
Thome dan Cavallini (2003) 38
Gambar 12.21. Pola aliran cincin untuk R-134 a pada 50C dan 500 kg/m
2dari
Bandarra Filho dan Saiz-Jabardo (2006) pada keluaran tabung evaporator.Foto atas : tabung licin; foto bawah : tabung microfin . Diameter tabung:
9.52 mm 40
Gambar 12.22 Diagram pola aliran dari Kattan, Thome dan Favrat (1998a)
diperbaiki oleh Meyer dan Cowokers untuk mengillustrasikan pengamatan
terbaru mereka pada tabung licin dan dua tabung microfin untuk tiga
refrigerant 42
Gambar 12. 23. Pola aliran pada tabung bundle dari Chischolm (1983). Diagram
diatas adalah untuk aliran vertical dan gambar bawah aliran horisontal 44
Gambar 12.24. Diagram aliran Shell-side dari Grant dan Chisholm (1979) 45
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
10/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
ix
Daftar Istilah
Pressure Drop = Jatuh Tekanan
Likuid = Likuid
Vapor = Uap
Froth = Buih
Dispersed = Terpecah-pecah
Bubbly = Gelembung
Slug = Sumbat likuid
Churn = AcakAnnular flow = Aliran Cincin
Wispy Annular = Cincin Kabut Tetes Likuid
Mist = Kabut
Stratified = Strata/Strata Licin
Stratified Wavy = Strata Licin Gelombang
Intermittent = Terputus-Putus
Plug = Kantung Gas
Subcooled = Daerah Prajenuh
Superheated = Panas Lanjut
Flux = Fluks
Nucleate Boiling = Didih Nukleat
Dryout = Pengeringan= Fluks Kalor Kritis
Qonb/Qpnb =QPDN
Interface = Antar muka
Bundle = Susunan
Shell = Cangkang
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
11/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
x
Nomenklatur
: Laju aliran massa, kg/s
x : Kualitas uap
: Massa jenis (kerapatan), kg/m3
: Viskositas, Ns/m2, cP
: Kalor laten penguapan, J/kg
: Parameter tidak berdimensi fase cair
: Tegangan permukaan, N/m
X : Parameter Martinelli
Fr : Bilangan Froude
dp/dz : Gradien penurunan tekanan, N/m3
T : Parameter baru yang dikenalkan oleh Baker (1954)
K : Parameter baru yang dikenalkan oleh Baker (1954)
g : Percepatan gravitasi (9.81 m/s2)
Re : Bilangan Reynolds
h : Koefisien perpindahan kalor, W/(m
2
K) : Gesekan
P : Parameter batas aliran, m
: Koefisien Fluks Geser
: Sudut pembentukan fluks kalor kritis
f : Koefisien gesek
: Kecepatan massa, kg/m2s
: Fraksi hampa
S : Daerah identifikasi antara koefisien perpindahan kalor dengankualitas uap (Moti et. al. 2000)
We : Bilangan Weber
Q : Energi Kalor, kW
: Tegangan geser, N/m2
A : Luas permukaan, m2
m : Eksponen dalam model Blasius fase tunggal
Subscript
i : inner (dalam)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
12/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
xi
Gd : Fase gas yang dinormalisasikan oleh diameter
Ld : Fase likuid yang dinormalisasikan oleh diameter
Sat : Saturasi
Ph : Fisikmin : Minimum
strat : Strata licin
tt : Turbulen-turbulen
R : Parameter yang dikenalkan oleh Chisholm (1985)
B : Parameter yang dikenalkan oleh Chisholm (1985)
FKK : Fluks kalor kritis
IA : Terputus-putus menuju cincin
S : Strata licin
exp : Percobaandi : Dryout out inception, atau, Awal pengeringan
de : Dryout out exception, atau, Akhir pengeringan
G : Gas
L : Likuid
ONB : Onset of Nucleate Boiling
PNB/PDN :Departure of Nucleate Boiling/Permulaan Didih Nukleat
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
13/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
1
Pola Aliran Dua FaseRingkasan : Untuk aliran dua fase, distribusi aliran pada masing-masing
fase likuid dan uap menjadi aspek yang sangat penting. Distribusi masing-
masing alirannya memiliki karakteristik yang dapat dilihat pada pola aliran
dua fase. Koefisien perpindahan kalor dan kerugian jatuh tekanan sangat
berhubungan dengan struktur aliran dua fase dari fluida sehingga prediksi
pola aliran dua fase adalah sebuah aspek penting dalam pemodelan evaporasi
dan kondensasi. Saat ini pemodelan perpindahan kalor untuk memperkirakan
pendidihan didalam pipa dan kondensasi adalah berdasarkan pada pola aliran
lokal dan oleh sebab itu, untuk keperluannya memerlukan diagram pola
aliran yang baik untuk mengidentifikasi tipe pola aliran yang terjadi pada
kondisi aliran lokal. Analogi untuk memprediksi transisi dari aliran laminar
ke aliran turbulen dalam aliran satu fase digunakan diagram pola aliran dua
fase untuk memprediksi transisi dari satu tipe pola aliran dua fase denganyang lainnya.
Dalam bab ini, terlebih dahulu, karakteristik geometri dari pola aliran dalam
pipa akan dideskripsikan untuk aliran vertikal dan aliran horisontal.
Selanjutnya, beberapa kutipan yang lebih luas diagram pola aliran terdahulu
untuk aliran vertikal dan horisontal akan ditampilkan. Selanjutnya, diagram
pola aliran saat ini dan persamaan rezim aliran transisi khususnya untuk
aliran adiabatik dan terutama untuk evaporasi dan kondensasi dalam pipahorisontal akan ditampilkan. Kemudian, pola aliran pada aliran dua fase
melalui ikatan pipa akan disebutkan dan diagram pola aliran yang diusulkan
untuk aliran tersebut akan ditampilkan.
12.1 Pola Aliran dalam Pipa Vertikal
Untuk aliran keatas gas dan likuid dalam pipa vertikal, fase likuid dan gas
terdistribusi kedalam beberapa struktur aliran yang dapat diamati. Struktur
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
14/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
2
aliran ini ditunjukkan dalam pola aliran pada gambar 12.1 dan dideskripsikan
sebagai berikut :
a. Aliran gelembung: Beberapa gelembung dapat diamati sebagai gas yang
terpecah-pecah dalam bentuk gelembung-gelembung kecil dalam fase
likuid kontinu. Gelembung-gelembung ini mempunyai ukuran dan bentuk
yang bervariasi tetapi memiliki kekhasan berbentuk seperti bola dan lebih
kecil dari diameter pipa itu sendiri.
b. Aliran sumbat likuid: Dengan peningkatan fraksi hampa gas, jarak dari
gelembung-gelembung sangat dekat seperti gelembung-gelembung
tersebut bertubrukan dan bersatu membentuk gelembung-gelembung yang
lebih besar, yang sama dalam dimensi dengan diameter pipa. Gelembung-
gelembung ini umumnya ditunjukkan sebagai gelembung Taylor.
Gelembung Taylor dipisahkan dari satu dengan yang lainnya oleh sumbat
likuid, yang terdapat gelembung-gelembung kecil. Gelembung Taylor
dikelilingi oleh film likuid tipis dengan dinding pipa, yang mana mengalir
kebawah sesuai gaya gravitasi, walaupun aliran netto fluidanya adalah
keatas.
c. Aliran acak: Peningkatan kecepatan aliran, struktur aliran menjadi tidak
stabil dengan fluida mengalir keatas dan kebawah dalam gerak osilasi
tetapi dengan aliran netto keatas. Ketidakstabilan adalah hasil dari
keseimbangan relatif dari gaya gravitasi dan gaya geser yang berlaku
dalam arah yang berlawanan pada film tipis fluida gelembung Taylor.
Pola aliran ini sebenarnya adalah rezim intermediate diantara rezim aliran
sumbat likuid dan aliran cincin. Dalam pipa berdiameter kecil, aliran acak
mungkin tidak berkembang sama sekali dan aliran secara langsung
melewati dari aliran sumbat likuid ke aliran cincin. Aliran acak khususnya
adalah rezim aliran yang dicegah dalam saluran transfer dua fase, sepertipada aliran dari pendidihan ulang kembali ke lajur distilasi atau dalam
jaringan perpipaan refrigeran, karena massa dari kantung memiliki
konsekuensi merusak pada sistem perpipaan.
d. Aliran cincin: Pergeseran permukaan dari gas berkecepatan tinggi pada
film likuid menjadi dominan melebihi gaya gravitasi, likuid mendorong
keluar dari bagian tengah pipa dan mengalir sebagi film tipis pada dinding
(berbentuk cincin likuid) ketika aliran gas sebagai fase kontinu naik dari
bagian tengah pipa. Permukaan diganggu oleh gelombang berfrekuensi
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
15/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
3
tinggi dan riak-riak. Sehingga, likuid berubah menjadi inti gas sebagai
tetesan-tetesan kecil, sangat banyak sehingga fraksi likuid menjadi sama
ke dalam tetesan-tetesan dalam film. Rezim aliran ini terutama stabil danadalah pola aliran yang diharapkan untuk aliran pipa dua fase.
e. Aliran cincin kabut tetes likuid : Ketika laju aliran meningkat lebih
jauh, perubahan tetesan-tetesan membentuk struktur tidak tetap koheren
sebagai awan atau embun dari likuid dalam inti uap.
f. Aliran kabut : Pada laju aliran gas yang sangat tinggi, cincin film
dipertipis oleh pergeseran inti gas pada permukaan sampai menjadi tidak
stabil dan dihancurkan, seperti semua bagian likuid dalam perubahan
sebagi tetesan-tetesan dalam fase gas kontinu, analogi berkebalikan
dengan rezim aliran gelembung. Tetesan-tetesan likuid sedikit demi
sedikit membasahi dinding pipa secara lokal.Tetesan-tetesan dalam kabut
sering kali terlalu kecil untuk dilihat tanpa penerangan khusus atau
pembesaran.
Gelembung Sumbat
LikuidAcak Cincin Kabut
Tetes LikuidCincin
Gambar 12. 1 Aliran dua fase dalam arah aliran vertikal
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
16/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
4
12.2 Pola Aliran dalam Pipa Horisontal
Pola aliran dua fase pada pipa horisontal hampir sama dengan aliran pada
pipa vertikal, hanya pada aliran horisontal dipengaruhi faktor gravitasi yang
cenderung mendorong likuid ke dasar saluran dan gas ke bagian atas. Pola
aliran gas dan likuid dalam pipa horisontal ditunjukkan dalam gambar 12.2
dan dapat dikategorikan sebagai berikut :
a. Aliran gelembung: Formasi gelembung kecil seragam yang terbentuk
terjadi pada bagian atas pipa karena faktor Buoyancy dan likuid tetap
terdorong ke bawah karena faktor gravitasi. Ketika gaya geser lebih
dominan, gelembung-gelembung cenderung terpecah-pecah secaraseragam dalam pipa. Dalam aliran horisontal, khusus rezim ini hanya
terjadi pada laju aliran massa tinggi.
b. Aliran strata licin : Ketika kecepatan gas makin tinggi maka kantung
gas yang terbentuk akan makin besar dan terjadi separasi antara fase
likuid dan gas dengan gas pada bagian atas dan likuid pada bagian
bawah. Pada aliran strata licin ini aliran batas likuid cenderung datar.
c. Aliran strata gelombang : Ketika pada aliran strata licin kecepatan
makin tinggi maka aliran akan terbentuk gelombang pada aliran likuid.Amplitudo gelombang tergantung pada kecepatan relatif dari dua fase,
bagaimanapun, puncak gelombang tidak sampai bagian atas pipa.
Gelombang naik ke bagian atas pipa, meninggalkan film tipis likuid
pada dinding setelah dilewati gelombang.
d. Aliran terputus-putus : Peningkatan kecepatan gas lebih jauh lagi,
permukaan gelombang menjadi cukup besar untuk membilas bagian atas
pipa. Rezim ini dikarakteristikkan oleh gelombang beramplitudo besar
secara terus menerus membasahi bagian atas pipa dengan gelombangberamplitudo lebih kecil. Gelombang beramplitudo besar sering kali
terdiri dari perubahan gelembung-gelembung. Bagian atas dinding
hampir dibasahi secara terus menerus dengan gelombang beramplitudo
besar dan likuid film tipis tertinggal dibelakang. Aliran terputus-putus
juga terdiri dari rezim aliran kantung gas dan sumbat likuid. Sub
kategori dikarakteristikkan sebagai berikut :
a) Aliran kantung gas : Gelembung-gelembung akan berdesakan dan
membentuk gelembung yang lebih besar/kantung gas pada bagian
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
17/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
5
atas saluran. Rezim aliran ini dipisahkan oleh perpanjangan
gelembung-gelembung gas. Diameter perpanjangan gelembung-
gelembung lebih kecil dari diameter pipa sedangkan fase likuidkontinu sepanjang dasar pipa dibawah perpanjangan gelembung-
gelembung ini.
b) Aliran sumbat likuid : Ketika gelombang yang terbentuk makin
besar maka bagian likuid akan menempel pada dinding bagian atas
dan akan terjadi lagi kantung gas yang relatif besar dinamakan aliran
sumbat likuid. Diameter perpanjangan gelembung-gelembung
menjadi sama ukurannya dengan tinggi saluran. Sumbat likuid
terpisah seperti perpanjangan gelembung-gelembung bisa juga
dideskripsikan sebagai gelombang beramplitudo besar.
e. Aliran cincin: Pada saat kecepatan gas sudah lebih tinggi bagian likuid
yang menempel di dinding atas makin banyak dan menjadikan pola
alirannya terbentuk cincin. Sama seperti pada aliran vertikal, hanya pada
aliran horisontal bagian likuid yang menempel pada dinding bagian
bawah saluran lebih banyak. Permukaan diantara cincin likuid dan inti
uap diganggu oleh gelombang dengan amplitudo kecil dan tetesan-
tetesan dapat terpecah-pecah dalam inti gas. Pada fraksi gas tinggi,
bagian atas pipa dengan film yang lebih tipis mengering lebih dahulu
sehingga cincin film hanya menutup bagian batas pinggir pipa
selanjutnya diklasifikasikan sebagai aliran strata gelombang.
f. Aliran kabut : Sama seperti pada aliran vertikal. Ketika kecepatan
makin tinggi, terbentuk aliran kabut pada aliran dan didominasi fase gas.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
18/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
6
Gelembung
Aliran
Kantung Gas
Strata
Gelombang
Gelombang
Aliran
Aliran Sumbat
Likuid
Cincin
Cincin dengan
Tetes Kabut
Gambar 12.2 Pola aliran horisontal dua fase dalam aliran horisontal
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
19/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
7
12.3. Penggambaran Pola Aliran Adiabatik pada Aliran Vertikal
dan Horizontal di Tabung
Gambar 12.3 Pola Aliran dalam tabung evaporator vertikal dari Collier dan Thome (1994)
Untuk aliran vertikal keatas gambar 12.3 ditunjukkan pola dari arah masuk
dan keluar tabung evaporator. Pola aliran dimulai sebagai aliran gelembung
pada arah masuk dari didih nukleat di tabung. Didih nukleat dimulai di
daerah prajenuh dari tabung dimana gelembung nukleat di lapisan batas
panas lanjut di tabung yang dipanaskan, tetapi terkondensasi di daerah
prajenuh. Didih nukleat menunda kualitas penguapan lokal lebih besar dari
nol dalam kasus area masuk prajenuh dan fluks kalor yang rendah. Setelah
aliran gelembung terjadi, terjadi aliran sumbat dan kemudian aliran cincin
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
20/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
8
yang melapisi dinding tabung dengan likuid. Aliran ini mengering atau
lapisan diselimuti oleh gas sehingga terjadi aliran tetes likuid. Aliran kabut
terjadi hingga kualitas gas sama dengan nol.
Untuk memprediksi pola aliran di dalam tabung maka grafik pola aliran
dipakai, yaitu diagram yang menunjukkan batas perubahan antara pola-pola
aliran dan digambarkan pada sumbu-x dengan parameter tak berdimensi
untuk mewakili kecepatan likuid dan gas. Fair (1960) serta Hewitt dan
Roberts (1969) menjelaskan grafik pola aliran untuk aliran vertikal ke atas
yang ditunjukkan pada gambar 12.4 dan 12.5. Penjelasan yang lebih lebar
lagi pada penggambaran aliran untuk memprediksi perubahan antara aliran
dua fase untuk aliran adiabatik pada tabung horizontal adalah dari Baker
(1954) serta Taitel dan Dukler (1976) yang ditunjukkan pada gambar 12.6
dan 12.7. Kurva perubahan pola aliran haruslah mempertimbangkan daerah
antara aliran laminar dan aliran turbulen. Untuk lebih jelasnya pada
perubahan pola aliran dua fase mengacu pada Barnea dan Taitel (1986).
Gambar 12.4 Grafik Pola Aliran 2 Fase dari Fair (1960) pada tabung vertikal
Fair (1960) mengilustrasikan pada gambar 12.4 yang terpenting adalah
pertama harga pada sumbu x dan kecepatan massa (lb/h.ft2). Dua harga
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
21/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
9
tersebut dipakai untuk dapat dibaca secara vertikal ke atas dan horizontal
yang memotong grafik pada titik tertentu. Lokasi titik ini menunjukkan
dimana aliran sebagai aliran gelembung, aliran sumbat, aliran cincin danaliran kabut dimana garis tersebut menunjukkan transisi antara pola-pola
aliran tersebut.
Untuk memakai penggambaran grafik Hewitt dan Roberts (1969) untuk arah
vertikal keatas ditunjukkan pada gambar 12.5., kecepatan massa dari likuid
mLdan gas (atau uap) mGharuslah memperhitungkan menggunakan kualitas
uap lokal. Kemudian nilai pada koordinat-x dan y menunjukkan perpotongan
antara dua harga tersebut pada grafik pola aliran yang menunjukkan kondisi
alirannya.
Gambar 12.5. Grafik pola aliran dua fase dari Hewitt dan Roberts (1969) untuk tabung
vertikal (G F. Hewitt, 2000)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
22/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
10
Diagram pola Baker (1954) untuk aliran dua fase secara horizontal dalam
silinder/tabung seperti pada gambar 12.6 disajikan dalam satuan
internasional dan inggris. Diagram pola aliran ini komponen utamanyaadalah campuran dari udara/gas dan cair, dimana secara vertikal
menggambarkan aliran gas dan secara horizontal menggambarkan aliran
cairan dalam satuan massa per unit area dalam setiap detik. Untuk
menggunakan grafik tersebut, pertama kecepatan massa dari zat cair dan gas
harus diketahui. Kemudian, parameter fase gas dan parameter fase cair
dapat dihitung. Parameter fase gas adalah:
[12.3.1]
dan parameter fase zat cair adalah
[12.3.2]
Dimana G, L, L, dan adalah sifat-sifat dari fluida dan acuan sifat-sifatnya
adalah:
water (zat cair)= 1000kg/m3;
air (gas)= 1.23kg/m3;
water (zat cair)= 0.001 Ns/m2;
water (zat cair)= 0.072 N/m.
Parameter tersebut dimaksudkan untuk menghitung penyimpangan dari sifat-
sifat zat cair dan gas. Nilai-nilai dari sumbu-x dan sumbu-y kemudian
ditentukan untuk mengidentifikasi rezim aliran tertentu.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
23/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
11
Gambar 12.6. Grafik pola aliran dua fase Baker (1954) untuk pipa horizontal
Grafik Taitel dan Duckler (1976) untuk aliran horizontal dalam tabung
seperti pada gambar 12.7 berdasarkan pada analisis analitik dari mekanisme
transisi aliran bersama dengan pemilihan empiris dari beberapa parameter.
Grafik tersebut menggunakan parameter Martinelli, X, bilangan Froude
untuk gas FrG dan parameter T dan K dan disusun dalam 3 grafik. Parameter
Martinelli adalah:
[12.3.3]
Bilangan Froude untuk fase gas
[12.3.4]
Dengan pararameter T, dimana T adalah:
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
24/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
12
[12.3.5]
Dimana g adalah percepatan gravitasi (g= 9,81 , maka parameter K
untuk persamaan tersebut adalah :
[12.3.6]
Dimana Bilangan Reynolds untuk fase zat cair dan fase gas adalah :
[12.3.7]
[12.3.8]
Gradien tekanan untuk aliran fase k (k adalah salah satu dari zat cair atau
gas) adalah :
[12.3.9]
Untuk , merupakan aliran laminar dengan faktor gesekan yaitu :
[12.3.10]
Untuk , merupakan aliran turbulen dengan faktor koreksi
gesekan yaitu :
[12.3.11]
Untuk dapat menerapkan diagram tersebut, pertama-tama kita harus
menentukan parameter X dan . Dengan menggunakan kedua parameter
ini pada diagram, kita dapat menentukan polanya. Jika koordinatnya berada
pada daerah cincin, maka pola alirannya adalah cincin.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
25/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
13
Jika koordinat X dan jatuh pada daerah sebelah kiri bawah dari grafik,
kita harus menghitung nilai K. Dengan parameter K dan X pada bagian
tengah grafik, maka pola alirannya salah satu dari aliran strata gelombangatau aliran strata licin. Jika koordinat dari X dan jatuh pada bagian kanan
atas dari grafik, kita harus menghitung parameter T. Dengan parameter T
dan X pada bagian bawah grafik, identifikasi polanya salah satu dari aliran
gelembung atau peralihan (aliran kantung gas atau sumbat likuid).
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
26/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
14
Gambar 12.7 Diagram Pola Aliran Dua Fase pada Pipa Horizontal (Taitel dan Duckler,1976)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
27/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
15
Diagram bentuk aliran ini dikembangkan untuk aliran dua fase adiabatis
tetapi sering juga di olah dan digunakan pada proses kondensasi dan
evaporasi diabatis. Seperti pada berbagai ekstrapolasi, penggunaan data inimungkin atau tidak memberikan hasil yang kuat/andal. Untuk deskripsi teori
bentuk aliran transisi, Ulasan yang bagus telah dipresentasikan oleh Taitel
(1990).
12.4 Diagram Pola Aliran pada Proses Evaporasi di
dalam Tabung Horisontal
Pada proses evaporasi di dalam pipa horisontal, Grafik 12.8 dari Collier danThome (1994) merepresentasikan aliran tipikal yang terdapat pada setiap
rezime, termasuk penggambaran secara melintang dari pola alirannya.
Sedangkan pada proses kondensasi, rezime-rezime alirannya menyerupai
rezime-rezime pada proses evaporasi dengan pengecualian bahwa bagian
atas dinding pipa tidak kering didalam aliran yang bertipe strata licin
melainkan dilapiskan dengan film kondensasi tipis yang tercipta karena
proses kondensasi.
Gambar 12.8 Pola aliran sepanjang penguapan pada pipa horizontal, Collier dan Thome
(1994)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
28/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
16
Diagram Kattan-Thome-Favrat. Pada heat exchanger atau pemindah kalor
yang bertipe pipa berdiameter kecil, Kattan Thome dan Favrat (1998a,
1998b, 1998c) memberikan modifikasi pada diagram pola Steiner (1993),yang diagram itu sendiri merupakan modifikasi dari diagram Taitel-Dukler
dimana cara untuk memprediksi onset dari pengeringan pada pipa dalam
aliran evaporasi cincin diberikan. Diagram pola aliran tersebut akan dibahas
pada bab ini seperti tentang penggunaannya untuk memprediksi koefisien
didih pada aliran lokal. Batas-batas dari perpindahan rezime-rezime aliran
pada diagram pola aliran Kattan-Thome-Favrat digambarkan di gambar 12.9
(Dimana, bubbly flowatau aliran gelembung berada pada kecepatan massa
yang sangat besar dan tidak digambarkan). Diagram ini memuat perubahan
batas pada grafik linear-linear dengan cara memplotkan kecepatan massa
terhadap fraksi gas untuk fluida dan channel aliran tertentu, dimana akan
dapat lebih mudah dipergunakan dibandingkan dengan format log-log atau
diagram-diagram lainnya.
Persamaan pada perpindahan kurva batas diantara aliran cincin terputus-
putus dan aliran strata gelombang ditunjukkan sebagai berikut,
(12.4.1)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
29/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
17
Gambar 12.9 Diagram pola aliran Kattan, Thome dan Favrat ilustrasi batastransisi bagian aliran
Porsi kualitas uap yang besar dari kurva ini bergantung kepada rasio dari
bilangan Froud LFr terhadap bilangan Weber LWe , dimana LFr adalah
rasio dari inersia terhadap tegangan permukaan. Sedangkan LWe ,
melambangkan rasio dari inersia terhadap gaya gravitasi. Perbatasan
kecepatan massa, atau mass velocity threshold, untuk transisi dari aliran
cincin ke aliran kabut ditunjukkan dengan persamaan berikut,
(12.4.2)
Dimana ratio We terhadap Fr, , adalah
(12.4.3)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
30/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
18
Dan faktor gesekannya yaitu adalah
(12.4.4)
Untuk menghitung kecepatan minimum pada perubahan aliran kabut, atau
mist flow, nilaiminx diberikan ke persamaan di atas. Di mana x >
minx sehingga,
(12.4.5)
Transisi perubahan dari aliran strata gelombang ke aliran strata penuh,
direpresentasikan oleh persamaan berikut
(12.4.6)
Dan batas perubahan pola aliran menjadi aliran gelembung adalah
(12.4.7)
Eksponen empiris tanpa dimensi, )(1 qF dan )(2 qF , pada persamaan batas
gelembungmemperhitungkan efek dari fluks kalor pada onset fluks kalor kritis
pada film annulus, sebagai contoh, pada transisi aliran cincin menjadi aliran
cincin dengan fluks kalor kritis parsial, dimana nantinya akan
diklasifikasikan sebagai aliran strata gelombang. Kedua eksponensial ini
dapat dijabarkan sebagai berikut,
(12.4.8a)
(12.4.8b)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
31/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
19
KoefisienPDNq
ini adalah korelasi Kutaleladze untuk fluks kalor pada
perpindahan dari didih nukleat yang digunakan untuk menormalisasikan
fluks kalor lokal
(12.4.9)
Batas vertikal diantara aliran terputus-putus dan aliran cincin diperkirakan
terjadi pada satu nilai tertentu pada parameter Martinelli, ttX ketika sama
dengan 0.34, dimana ttX adalah
(12.4.10)
Untuk menghitung x , garis daerah batas pada perpindahan aliran terputus-
putus ke aliran cincin padaIAx adalah
(12.4.11)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
32/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
20
Gambar 12.10. Bagian Penampang Melintang dan fraksi likuid dan gas distribusi
tabung.
Gambar 12.10 memberikan dimensi geometris pada aliran dimanaLP adalah
wetted perimeter pada pipa atau perimeter basah untuk mengukur bagian
yang membasahi bagian tabung, GP adalah perimeter bagian kering dari
tabung yang bersentuhan hanya dengan uap, h adalah tinggi lapisan likuid
penuh di lapisan strata licin, dan iP adalah panjang dari fase antar muka.
Lalu LA dan GA adalah area-area perpotongan melintang yang
berkorenspondensi. Dengan menormalisasikan perimeter perimeter di atas
terhadap diameter bagian dalam pipa id , 6 persamaan tanpa dimensi dapat
diperoleh,
(12.4.12)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
33/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
21
Untuk5.0Ldh :
(12.4.13)
Untuk5.0Ldh :
(12.4.14)
Dan untuk 10 Ldh ,
(12.4.15)
Namun persamaan numerik di atas terdapat kelemahan, karena nilai hsangatsulit didapatkan dalam percobaan, maka metode iterasi digunakan untuk
mempermudah perhitungan hLd. Dari Nilai-nilai tersebut untuk membuat
diagram pola aliran dengan memasukkan nilai dari (12.4.1) sampai (12.4.11).
Sedangkan untuk parameter Martineli pada persamaan (12.4.10) dapat
diganti dengan persamaan (12.4.16)
(12.4.16)
Diagram pola aliran ini dibuat dari database lima refrijeran, antara lain dua
komponen tunggal fluida yaitu R-134a dan R-123, dua campuran mendekati
azeotropik yaitu R-402A dan R-404A, serta satu campuran azeotropik, yaitu
R-502. Kondisi pengetesan antara lain fluks massa dari 100 sampai
500kg/m2s, kualitas uap dari 4 sampai 100%, fluks kalor dari 440 sampai
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
34/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
22
36500 W/m2, tekanan saturasi dari 0.112 sampai 0.888MPa, Bilangan Weber
dari 1.1 sampai 234.5 dan bilangan Froude untuk likuid dari 0.037 sampai
1.36. Diagram pola aliran dari Kattan Thome-Favrat mengidentifikasidengan benar 96.2% dari data pola aliran.
Zrcher, Thome dan Favrat (1997c) memperoleh pola aliran dua fase
tambahan untuk campuran refrijeran zeotropik R-407C pada saturasi tekanan
masuk sebesar 0.645MPa dan diagram secara akurat mengeditifikasi data
pola aliran baru tersebut. Zrcher, Thome dan Favrat (1999) juga
mendapatkan data aliran pola aliran dua fase untuk ammonia dengan pipa
diameter 14 mm sebagai kaca-lihat untuk fluks massa 20 sampai 140kg/m2s,
kualitas uap dari 1-99% dan fluks kalor dari 5000 sampai 58000W/m2,
semua eksperimen pada temperatur saturasi 4oC dan tekanan saturasi sebesar
0.497MPa. Demikian halnya, jangkauan dari fluks massa pada database
diperluas dari 100kg/m2s menurun sampai 20kg/m
2s. Pada bagian ini
ditemukan bahwa kurva transisi dari mstrata licin sangat lambat dan persamaan
(12.4.4) dikoreksi secara empiris dengan menambahkan 20x yang dituliskan
dari persamaan (12.4.17)
(12.4.17)
Dimana mstrata licin dalam kg/m2s. Transisi dari aliran strata licin gelombang
ke aliran cincin pada kualitas uap tinggi ditemukan malah pada keadaan
sangat tinggi dan kenaikan pada tambahan bagian empiris dengan faktor
eksponensial memodifikasi batas pada kualitas uap yang tinggi yang
ditambahkan pada persamaan (12.4.1) menjadi persamaan berikut.
(12.4.18)
Hasil dari modifikasi ini dalam kg/m2s. Perpindahaan batas ini mempunyai
efek pada perhitungan sudut kering drydi perpindahan kalor didih alir model
dari Kattan Thome-Favrat (1998c) dan pergeseran pada permulaan fluks
kalor kritis secara sedikit ke arah kualitas uap yang lebih tinggi yang
berdasarkan dengan data percobaan perpindahan kalor pada ammonia.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
35/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
23
Selain itu, Zrcher, Thome dan Favrat (1999) menemukan bahwa permulaan
dari efek fluks kalor kritis pada diagram Kattan Thome-Favrat sangat kuat
dibanding pada data mereka yang baru, lebih luas penemuan pada ammonia.Mereka merekomendasi untuk mengurangi pengaruh tersebut sebesar
setengah, sehingga nilai dari q pada persamaan (12.4.8a) dan (12.4.8b)
seharusnya diganti dengan q/2.
Barbieri (2005) menunjukkan dengan jelas bahwa terdapat suatu efek
parameter di transisi antara aliran terputus-putus dan cincin. Barbieri (2005)
menyimpulkan bahwa terdapat pengurangan transisi kualitas dengan fluks
massa dan kenaikan pada diameter pipa, dengan kata lain, pada pipa
berdiameter kecil, inersia berhubungan dengan efek dari aliran dapat
menahan likuid film sepanjang sirkulasi dari pipa pada kualitas rendah dan
fluks massa dibanding pada pipa berukuran besar.
Barbieri, Jabardo dan Bandarra (2008) mengembangkan diagram aliran dua
fase dari Kattan Thome-Favrat berdasarkan hasil riset sebelumnya. Mereka
membuat korelasi atau hubungan antara bilangan Froude untuk likuid dengan
parameter Martinelli. Variasi dari diameter yang dapat mempengaruhi hasil
diinterpresentasikan dalam bilangan Froude. Dengan 4 varisai diameteruntuk tiga variasi fluks massa didapatkan hubungan sebagai berikut.
2.43.75tt
Fr X . Hasil yang ditunjukkan visualisasi menunjukkan hasil yang
memuaskan pada R-134a yang ditampilkan menggunakan diagram Kattan
Thome-Favrat dengan memodifikasi nilai parameter Martinelli.
Parameter-parameter yang diperlukan untuk menggunaan diagram pola
aliran Kattan-Thome-Favrat, antara lain : kualitas uap (x), laju aliran massa
( ), diameter internal pipa (di), fluks kalor (q), densitas likuid ( ), densitas
uap ( ), viskositas dinamik likuid ( ), viskositas dinamik uap ( ),
tegangan permukaan ( ), dan kalor laten penguapan (hLG), semua satuan
dalam unit SI. Pola aliran lokal diidentifikasikan oleh prosedur berikut ini :
a. Selesaikan persamaan (12.4.16) secara iterasi dengan persamaan-
persamaan (12.4.10), (12.4.13), (12.4.14), dan (12.4.15);
b. Evaluasi persamaan (12.4.12);
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
36/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
24
c. Evaluasi persamaan-persamaan (12.4.6), (12.4.7), (12.4.8a), dan
(12.4.9);
d. Evaluasi persamaan-persamaan (12.4.1), (12.4.2) atau (12.4.3), (12.4.4),(12.4.5), dan (12.4.11);
e. Bandingkan nilai-nilai tersebut dengan nilai x dan yang telah
diketahui untuk mengidentifikasi pola aliran.
Perhatikan bahwa persamaan (12.4.18) seharusnya digunakan untuk
menggantikan persamaan (12.4.1), dan persamaan (12.4.17) menggantikan
persamaan (12.4.11) untuk penggunaan versi perumusan yang lebih baru.
Dengan demikian, diagram aliran yang spesifik terhadap karakteristik fluida,
kondisi aliran (fluks kalor) dan diameter internal pipa dimasukkan ke dalam
persamaan. Diagram dapat diprogram ke dalam bahasa komputer dengan
mengevaluasi kurva transisi dalam tahapan kenaikan dari kualitas uap 0,01
untuk mendapatkan suatu tabel data dari titik batas permulaan yang
kemudian dapat ditampilkan sebagai diagram aliran lengkap dengan nilai
terhadap x sebagai koordinat.
Diagram Zrcher-Favrat-Thome. Terkait dengan rumusan diatas,
berdasarkan observasi yang lebih luas terhadap pola aliran untuk ammonia
pada temperatur 5oC di dalam pipa kaca horizontal tembus pandang dengan
diameter 14.0 mm pada saluran keluar dari pipa evaporator dengan diameter
yang sama, Zrcher, Favrat dan Thome (2002) mengemukakan suatu versi
baru dari kurva batas transisi antara aliran cincin dan terputus-putus menjadi
aliran strata licin gelombang, sebagai contoh untuk persamaan (12.4.1),
berdasarkan pada suatu analisis dari efek disipasi di dalam aliran dua fase.
Diagram Thome-El Hajal.Untuk kegunaan dan konsistensi antara diagramaliran dan model perpindahan kalor, suatu metode yang lebih mudah untuk
menggunakan versi dari diagram aliran Kattan-Thome-Favrat dikemukakan
oleh Thome dan El Hajal (2003). Dalam diagram pola aliran yang
ditampilkan sebelumnya, variabel tidak berdimensi ALd, AGd, hLd dan Pid
dihitung dalam suatu metode iterasi menggunakan model fraksi hampa aliran
strata licin yang diiliustrasikan oleh gambar 12.10. Sebaliknya, model
perpindahan kalor didih alir dari Kattan, Thome dan Favrat (1998c)
menggunakan versi Steiner (1993) dari model fluks hanyutan (drift flux)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
37/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
25
Rouhani-Axelsson untuk pipa horizontal dengan fraksi hampa pada bagian
penampang pipa sebagai berikut
(12.4.19)
Model fraksi hampa fluks hanyutan ini mudah untuk diaplikasikan dan
menjadikan fraksi hampa sebagai suatu fungsi eksplisit dari total laju aliran
massa, tdak seperti metode iterasi dari Taitel dan Dukler yang digunakan
pada bagian sebelumnya. Sehingga sangat memungkinkan untuk
menggunakan model fraksi hampa yang sama di dalam diagram pola aliran
dan model perpindahan kalor didih alir. Untuk itu, model Rouhani-Axelsson
merupakan pilihan yang baik sebagai metode analisis umum, paling tidak
untuk refrigeran yang telah terbukti secara eksperimental dengan pengukuran
fraksi hampa 238 untuk R-22 dan R-410A yang dibuat oleh Ursenbacher,
Wojtan dan Thome (2004) untuk tipe aliran strata licin gelombang dan
terputus-putus. Nilai-nilai dari ALddan AGddapat langsung ditentukan oleh
perhitungan pertama fraksi hampa menggunakan persamaan diatas danmenggunakan model fraksi hampa berikut ini :
(12.4.20)
(12.4.21)
Tinggi tidak berdimensi dari zat cair (hLd) dan panjang tidak
berdimensi dari batas fase zat cari (P id) dapat dirumuskan sebagai fungsi dari
sudut strata, (sudut strata disekitar perimeter atas dari pipa terhadap
tingkat strata likuid) :
(12.4.22)
(12.4.23)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
38/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
26
Untuk menghindari segala bentuk iterasi, persamaan geometri untuk sudut
strata ( ) dihitung dari rumusan pendekatan yang dikemukakan oleh
Biberg (1999), dievaluasi dalam bentuk fraksi hampa sebagai berikut :
(12.4.24)
Selama fraksi hampa merupakan fungsi dari laju aliran massa, faktor ini
mempengaruhi posisi dari kurva transisi yang mengandung komponen
didalam diagram aliran Thome-El Hajal. Efek dari laju aliran massa pada
rezim transisi aliran ditunjukkan pada gambar 12.11, dimana pengaruhnya
hanya akan menjadi signifikan pada laju aliran massa yang rendah. Efek
paling kuat dari laju aliran massa diobservasi pada kurva transisi SW-I/A
untuk kualitas uap dibawah 0.1 dan pada laju aliran massa yang sangat
rendah, dimana kurva transisi disertai dengan peningkatan laju aliran massa.
Divergensi ini menjadi kurang signifikan selama kualitas uap meningkat dan
pada laju aliran massa yang lebih tinggi. Kurva batas A-M juga bergerak
naik secara marginal dengan peningkatan laju aliran massa. Dalam
implementasi dari metode ini untuk tujuan perancangan, laju aliran massa
aktual digunakan untuk menghitung kurva transisi ketika kelayakan dalam
perhitungan diagram pola aliran dibawah ini, suatu nilai tetap dari laju aliran
massa digunakan untuk mengevaluasi keseluruhan diagram.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
39/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
27
Gambar 12.11 Diagram pola aliran dari Thome-El Hajal untuk R-410A
pada 5oC pipa berdiameter 13.84 inch dengan nilai yang dievaluasi pada
mass flux 100, 200, dan 300 kg/m2s dan fluks kalor 17.5 kW/m
2.
Beberapa foto kualitas tinggi dari pola aliran dua fase di dalam pipa-pipa
horisontal tersedia dari Barbieri, Saiz-Jabardo, dan Bandarra Filho (2005)
diambil di dalam fasilitas uji dijelaskan di dalam Barbieri dan Saiz-Jabardo
(2006). Foto-foto tersebut untuk 500kg/m2s R-134a di dalam sebuah pipa
kaca transparan pada jalan keluar pipa evaporator (catatan beberapa
kondensasi eksternal pada sisi luar pipa di dalam beberapa foto). Gambar
12.12 menunjukan beberapa foto kualitas tinggi tipe aliran strata licin.
Gambar 12.13 menunjukan rangkaian kejadian-kejadian di dalam daerah
aliran kaca-lihat, ditandai dengan variasi siklik antara gelombang-gelombang
amplitudo rendah (foto atas) dan gelombang-gelombang amplitudo besar
(foto bawah). Gambar 12.14 menyajikan beberapa gambar aliran cincin.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
40/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
28
Gambar 12.12 . Foto daerah aliran strata licin Barbieri, Saiz-Jabardo dan Bandarra Filho
(2005). Atas : aliran strata licin; tengah dan bawah: aliran strata licin gelombang, diameter
pipa: 15,8 mm.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
41/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
29
Gambar 12.13 Foto-foto daerah aliran terputus-putus Barbieri, Saiz-Jabardo dan Bandarra
Filho (2005) dengan sebuah rangkaian gelombang batas fase di dalam sebuah pipa 9,52 mm
(atas) diikuti dengan gelombang mendaki di dalam sebuah pipa 15,8 mm (tengah) dan
kemudian sebuah gelombang amplitude besar mencapai bagian atas saluran di dalam pipa
15,8 mm (bawah).
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
42/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
30
Gambar 12.14 Foto-foto daerah aliran cincin Barbieri, Saiz-Jabardo dan Bandarra Filho
(2005) menunjukkan tiga gambar gelombang-gelombang batas fase pada sebuah film likuid
cincin. Atas: pipa 9,52 mm; tengah: pipa 15,8 mm; bawah: pipa 15,8 mm.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
43/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
31
Diagram Wojtan-Ursenbacher-Thome. Diagram pola aliran Kattan,
Thome dan Favrat (1998a) dikembangkan terutama untuk kualitas uap lebih
dari 0,15 dan juga tanpa keuntungan kampanye eksperimental pada efekfluks kalor pada permulaan dan penyelesaian fluks kalor kritis kualitas-
kualitas uap tinggi. Di dalam pengukuran fraksi hampa dinamis yang dibuat
oleh Wojtan-Ursenbacher-Thome (2004) dan pengamatan-pengamatan video
mereka untuk kecepatan massa antara 70-200 kg/m2s di dalam sebuah pipa
kaca horizontal transparan 13,84 mm, kesimpulan yang dicapai sebagai
berikut:
1. Aliran strata licin penuh tidak terdeteksi pada setiap kecepatan massa
yang diuji;
2. Pada kisaran kualitas uap 0 < x < x IA , pertukaran struktur aliran
sumbat likuid batas fase strata gelombang telah diamati (di mana x IA
adalah garis vertikal memisahkan aliran terputus-putus dan cincin);
3. Transisi dari aliran-aliran sumbat likuid/strata gelombang ke aliran-
aliran strata gelombang penuh tanpa ada sumbat likuid muncul kira-
kira terjadi pada xIA.
4. Hanya aliran sumbat likuid yang diamati untuk zona yang
diidentifikasi oleh diagram Thome-El Hajal menjadi di dalam daerah
strata gelombang untuk
Berdasarkan pengamatan ini, daerah aliran strata gelombang versi diagram
aliran Thome-El Hajal dimodifikasi oleh Wojtan-Ursenbacher-Thome
(2005a) sebagai berikut:
1. Garis transisi baru ditambahkan pada pada
(ini membuat garis transisi horizontal baru ke kiri x IA dan
memodifikasi batas daerah strata licin (S)).
2. Daerah strata gelombang dibagi ke dalam tiga subzona:
- Untuk , ini menjadi zona sumbat likuid
- Untuk dan 0 < x < xIA , ini
menjadi zona sumbat likuid/strata gelombang
- Untuk 1 > x > xIA, ini menjadi zona strata gelombang.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
44/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
32
Gambar 12.15 menggambarkan perhitungan diagram pola aliran baru untuk
dengan modifikasi-modifikasi di atas yang diterapkan pada versi Thome-El
hajal terhadap diagram pola aliran versi Kattan-Thome-Favrat, menjadi lebihbaik dalam penjelasan karakteristik aliran yang nyata. Garis putus-putus
menerangkan kurva fluks kalor kritis baru dan kurva transisi aliran kabut
dijelaskan pada gambar dibawah.
Gambar 12.15. Diagram pola aliran baru disimulasikan untuk R-22 pada 5oC, diameter
13.84, laju aliran 100 kg/m2s dan 2.1 kW/m2untuk menentukan kurva-kurva transisi.
Pada gambar 12.16 menggambarkan bahwa fluks kalor kritis terjadi pada
bagian atas tabung horisontal pertama pada xdi (pot. A-A), dimana cincin
likuid film lebih tipis dan kemudian fluks kalor kritis berjalan di sekitar tepi
sepanjang tabung (pot. B-B) sampai mencapai dasar (pot. C-C) dimana film
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
45/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
33
likuid hilang pada xde. Dengan demikian, fluks kalor kritis pada tabung
horisontal mengambil ruang melebihi dari kisaran kualitas uap, pada
permulaan aliran cicin dan berakhir ketika daerah aliran kabut tercapai.Daerah antaraxdi and xdedisebut fluks kalor kritis.
Gambar 12.16. Fluks kalor kritis pada tabung horisontal. (a) daerah fluks kalor kritis
selama penguapan dalam tabung horisontal mulai di xdi pada bagian atas tabung dan
berakhir di xde pada dasar tabung. (b) Potongan melintang : A-A permulaan fluks kalor
kritis pada aliran cincin ; B-B fluks kalor kritis; C-C akhir dari fluks kalor kritis dan mulai
aliran kabut
Oleh karena sulit menentukan mulai dan berakhirnya fluks kalor kritis dari
pengamatan secara visual pada tabung transparan, banyak dilakukan
pengujian aliran didih titik perpindahan kalor yang diukur oleh
Wojtan,Ursenbacher dan Thome (2005) untuk R-22 dan R-410A pada laju
alir massa dari 70 sampai 700 kg/m2s dan fluks kalor dari 2.0 sampai 57.5
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
46/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
34
kW/m2. Diameter dalam tabung 13.84 mm untuk R-22 dan R-410 sama
hasilnya dengan diameter 8 mm untuk R410. Data aliran didih perpindahan
kalor digunakan untuk mengetahui lokasi dari xdidan xde.
Sebagai gambaran pada gambar 12.17, perubahan tajam pada koefisien
perpindahan kalor dengan menaikkan kualitas uap menunjukkan munculnya
fluks kalor kritis dimana akhir dari pengurangan koefisien perpindahan kalor
adalah akhir dari fluks kalor kritis dan permulaan aliran kabut. Pengamatan
dengan tabung transparan mempertegas bahwa mulai terjadinya fluks kalor
kritis dan munculnya aliran kabut pada kualitas uap yang sama sebagai
deteksi pengukuran heat transfer.
Hasil analisis pengujian dan pengamatan pada kaca transparan, hal ini jelas
menunjukkan kebiasaan didalamnya tidak ada tahapan cara transisi dari
aliran cincin ke aliran kabut. Percobaan pertama untuk model transisi aliran
cincin-fluks kalor kritis selama evaporasi/penguapan dalam tabung
horisontal dilakukan oleh Lavin dan Young (1965). Mereka berdua
mengusulkan transisi baru antara daerah cincin dan fluks kalor kritis
berdasarkan Weber number untuk R-22 dan R12. Lavin dan Young
mengamati proses fluks kalor kritis, akan tetapi dengan peralatan yangmereka gunakan, tidak mendapatkan koefisien heat transfer di daerah fluks
kalor kritis juga kondisi dibawah akhir daerah fluks kalor kritis dan sampai
aliran kabut stabil terbentuk.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
47/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
35
Gambar 12.17. pengujian koefisien heat transfer pada diameter 13.84
mm untuk R-22 pada suhu 5oC dengan fluks kalor awal 57.5 kW/m
2
dan laju
alir massa 600 kg/m2s
Ketika fluks kalor kritis terjadi diluar batas kualitas uap, Moti et al. (2000)
menggambarkan bahwa timbulnya pengeringan berada di xdidan akhir dari
pengeringan berada pada xde, kemudian untuk memperkirakan nilainya
adalah dengan menggunakan tiga karakteristik rezim yang diberi nama
dengan S1, S2 dan S3 . Penjelasan yang paling diterima dari Wojtan,
Ursenbacher dan Thome (2005a) bahwa nilai xdi dan xde teridentifikasi dari
data perpindahan kalor yang memberikan data bahwa rezim S2nya, yang
sesuai dengan pernyataan oleh Mori et al (2000) adalah:
Xdi=])/(000021.052.0[ 08.0
02.096.0
58.0 LGGG FrWee
[12.4.25]
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
48/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
36
Xde = ])/(0000265.057.0[
08.002.094.0
61.0
LGGG FrWee [12.4.26]
Pendekatan yang dilakukan oleh Mori et al. yang dimodifikasi oleh Wojtan,
Ursenbacher dan Thome (2005a) dengan melibatkan pengamatan efek fluks
kalor dari R-22 dan R-410 pada 5oC dengan diameter bagian 8.00 dan 13.84
mm untuk fluks kalor hingga 57.5 kW/m2, menggunakan rasio fluks kalor
non dimensional (q/qPND) dan faktor empiris baru. Kemudian, batas baru dari
awal dan akhir rezim pengeringan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan:
Xdi =])/()/(235.052.0[ 7.025.0
37.017.0
58.0 PNDLGGG qqFrWee [12.4.27]
Xde =])/()/(0058.057.0[ 27.009.0
15.038.0
61.0 PNDLGGG qqFrWe
e
[12.4.28]
Dimana qPND dihitung dengan menggunakan [12.4.9] dari Kutateladze
(1948). Setelah pembalikan dua persamaan untuk menyelesaikan aliran
massa pada istilah kualitas uap. Cincin ke batas fluks kalor kritis (C-FKK)dan fluks kalor kritis ke batas aliran kabut (FKK-K) persamaan transisi untuk
xdi and xdemenjadi lebih lazim dengan:
fkk =
926.07.025.037.017.0
152.0
58.0ln
235.0
1
PNDL
G
VLGiG
i
q
q
gd
d
x
[12.4.29]
kabut =
9436.027.009.015.038.0
157.0
61.0ln
0058.0
1
PNDL
G
VLGiG
i
q
q
gd
d
x
[12.4.30]
Modifikasi diatas juga berlaku untuk wilayah dan terintegrasi dengan kurva
transisi C-FKK dan FKK-K pada diagramnya, penggunaan prosedur diagram
Wojtan-Ursenbacher-Thome adalah untuk:
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
49/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
37
1. Parameter-parameter geometri , ALD, AGd, hLd, Pid dan stratadihitung
dengan berdasarkan [12.4.19] sampai [12.4.24].
2. Seperti halnya efek dari fluks kalor pada kualitas kalor tingkat tinggi
yang dilihat pada kurva transisi C-FKK dan FKK-K, transisi SG-T/C
pertama kali dihitung dengan mengikuti persamaan versi adiabatik
[12.4.1]:
gelombang =
50125121
165.0
1
2
2
5.0223
3
L
L
LdLd
GLiGd
Fr
We
hhx
gdA
[12.2.31]
3. Wilayah strata-gelombang yang kemudian terbagi menjadi tiga zonayaitu:
a. > gelombang(xIA) memberikan zona aliran kantung gas (slug)
b. strata < < gelombang (xIA) dan 0 < x < x IA memberikan zona
sumbat likuid/strata-gelombang.
c. L > x xlAmemberikan zona strata gelombang.
4. Transisi KG-SG dihitung dari persamaan batas asli [12.4.4] tetapi
sekarang strata = strata(xlA) ketika x < xlA, yang kemudian akan
memberikan bagian horizontal lurus dari batas untuk 0 x xIA.
5. Transisi T-C dihitung dari batas asli yang diberikan oleh [12.4.11] dan
beranjak turun ke titik potong dengan strata.
6. Batas C-FKK dihitung dari [12.4.29] dimana nilainya berdasarkan nilai
dari langkah ke 2 diatas ketika nilainya lebih kecil dari gelombang.
7. Batas FKK-K dihitung dari [12.4.30] tetapi ketika saat C-FKK dan
FKK-K tidak paralel, batas-batasnya bisa saling berpotongan, jadi ketika
xde< xdikemudian xdesama terhadap nilai dari xdidan tidak ada bagian
pengeringan (pada saat terjadi aliran massa batas atas dan fluks kalor
rendah, perpotongan uap batas atas akan cenderung membuat film cincin
menjadi seragam tebalnya dan karena itu tampaknya memungkinkan
seluruh perimeter kering pada xdi).
8. Dengan menggunakan logika, untuk menemukan transisi pada jarak
kualitas uap batas atas berdasarkan pada diagram FKK, disebut
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
50/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
38
dengan FKK,diimplementasikan dengan mengikuti orde:
a. Jika strata(x) FKK, kemudian FKK= strata(x);
b. Jika gelombang FKK(x), kemudian FKK = FKK(x) dan kurva
gelombang tidak eksis, dimana artinya batas paling benar dari kurva
gelombang adalah perpotongan dengan kurva FKK.
c. Jika FKK(x) kabut(x), dimana adalah mungkin terjadi pada fluks
kalor rendah dan kecepatan aliran massa batas atas, kemudian FKK =
FKK(x) dan rezim FKK menghilang pada kecepatan aliran massa
tersebut
Gambar 12.18 menunjukan pola aliran yang dihitung untuk R-22 untuk
empat fluks kalor, dimana gerakan dari batas C-FKK dan FKK-K benar-
benar jelas. Pembandingan dengan diagram Kattan-Thome-Favrat, rezim
sumbat likuid (slug) yang baru, sumbat likuid/strata-gelombang-gelombang
(sumbat likuid+strata gelombang) dan Fluks Kalor Kritis (FKK) ditemukan
sekarang. Terutama, pengamatan wilayah aliran pengeringan dan kabut
menjadi lebih kecil seperti penurunan fluks kalor.
Diagram ini disediakan berdasarkan database R-22 dan R-410A pada 5oCyang lebih diutamakan dari delapan refrigeran lainnya (R-134a, R-123, R-
402A, R-404A, R-502, R-407C, R-507A dan amoniak) untuk pipa dengan
diameter dari 8 sampai 14 mm. Kondisi percobaan pada semua eksperimen
meliputi berbagai variabel, aliran massa rata-rata dari 16 hingga 700kg/m2s.
Kualitas uap mulai dari1-99% dan fluks kalor dari 440 hingga 57500 W/m2.
Ini dapat dipercaya bahwa diagram tersebut sesuai untuk refrigeran (dan
fluida dengan ciri fisik yang sama seperti misalnya hidrokarbon-hidrokarbon
ringan) pada tekanan rendah atau tinggi tetapi tidak untuk CO2(terlalu tinggitekanan operasinya untuk diagram) tidak untuk sistem udara-air atau uap-air
(tegangan permukaan dan rasio massa jenisnya terlalu tinggi untuk database
refrigeran).
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
51/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
39
Gambar 12.18 pola aliran untuk R-22 pada 5oC dalam pipa diameter 13.84 mm dengan 300
kg/m2s untuk empat fluks kalor: a) 7.5 kW/m
2, b) 17.5 kW/m
2, c) 37.5 kW/m
2, d) 57.5
kW/m2.
12.4.1 Contoh Diagram Pola Aliran Fluida Terpilih untuk
Evaporasi di Pipa Horisontal
Gambar 12.19 memperlihatkan variasi diagram pola aliran yang dihitung
dengan Thome dan Rekan versi terbaru Diagram pola aliran yang
digambarkan diatas untuk fluida n-butane dan propane. Kondisi perhitungan
tertulis pada diagram dimana rezim aliran diperlihatkan : Aliran Kabut (AK),
Peralihan (P), Cincin (C), Strata-Gelombang (SG) dan Strata Licin (SL).
Rezim aliran gelembung tidak digambarkan seperti yang terjadi pada
kecepatan massa yang lebih besar daripada yang ditampilkan
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
52/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
40
Gambar. 12.19. Diagram pola aliran evaporasi untuk n-butane dan propana pada pipa
horisontal
SL
Kualitas uap
0 0,2 0,4 0,6 0,8
50
100
150
200
300
400
SG
AK
P
C
1
0
350
250
SL
Kualitas uap
0 0,2 0,4 0,6 0,8
50
100
150
200
300
400
SG
AK
P
C
1
0
350
250
Propana Tsat = 0oC D = 15,75 mm q = 15 kW/m
2
n-butana Tsat = 60oC D = 19,89 mm q = 15 kW/m
2
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
53/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
41
12.5. Diagram Pola Aliran Untuk Kondensasi pada Pipa Horisontal
Pola aliran yang terjadi selama kondensasi didalam pipa horisontal sama
dengan yang digunakan untuk evaporasi digambarkan pada bagian
sebelumnya dengan pengecualian sebagai berikut :
1. Uap kering saturasi memasuki pipa dan dari sini proses dimulai tanpa
adanya iringan likuid sedangkan untuk menguapkan cairan mengalir
melintasi saluran dalam aliran acak dan peralihan dapat menghasilkan
ikutan yang signifikan ketika struktur aliran putus
2. Selama evaporasi, cincin film akhirnya mengering sedangkan untuk
kondensasi pengeringan tidak terjadi. Kenyataannya, untuk kondensasipada kualitas uap tinggi alirannya adalah cincin dan tidak ada bagian
dari aliran strata gelombang kedalam aliran cincin sedangkan untuk
evaporasi aliran beralih menjadi aliran strata gelombang pada permulaan
pengeringan pipa bagian atas.
3. Selama kondensasi, kondensat yang terbentuk melapisi sekeliling tabung
dengan film cair. dalam apa yang sebaliknya akan menjadi aliran kabut
untuk aliran adiabatik atau uap. Pada kondensasi rezim aliran akan
terlihat seperti aliran cincin sejak udara ikutan cairan masuk ke dalaminti uap akan meninggalkan permukaan kosong yang tersedia untuk
pembentukan yang cepat dari lapisan cairan yang baru melalui
kondensasi
4. Selama kondensasi di rezim aliran strata, bagian atas pipa dibasahi film
kondensat sedangkan pada aliran adiabatik dan uap sekeliling bagian
atas kering.
Oleh karena itu, tiga prinsip pola aliran yang ditemui selama kondensasidalam pipa horisontal adalah :
a. Aliran cincin (sering disebut rezim geser terkendali dalam literatur
perpindahan kalor kondensasi)
b. Aliran strata gelombang (ditandai dengan gelombang pada batas fase dari
aliran strata cairan sepanjang bagian bawah pipa dengan kondensasi film
pada sekeliling bagian atas)
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
54/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
42
c. Aliran strata licin (tidak ada gelombang batas fase pada aliran cairan
strata sepanjang bagian bawah pipa dengan kondensasi film pada
sekeliling atas yang mengalir kedalam cairan strata licin)
Yang terakhir adalah kadang-kadang mengacu pada rezim gravitasi
terkontrol pada literatur perpindahan kalor kondensasi. Rezim-rezim aliran
ini untuk sementara dapat di prediksi dengan menggunakan Diagram Pola
Aliran Kattan-Thome-Favrat untuk evaporasi dalam pipa seperti yang
diusulkan oleh El Hajal, Thome dan Cavallini (2003). Pertama, transisi aliran
kabut dihilangkan karena aliran pada daerah ini mungkin dianggap menjadi
aliran cincin sejak film kondensat selalu terbentuk. bahkan jika likuid
tersebut kemudian beriringan. Yang kedua, kurva transisi strata gelombang
dimodifikasi dengan menghilangkan transisi dari aliran cincin ke aliran strata
gelombang pada kualitas uap yang tinggi dengan pemecahan untuk yang
terendah pada kurva transisi aliran strata gelombang lalu perpanjang kurva
ini dengan garis lurus dari titik tersebut ke ujung dari kurva transisi strata
licin untuk strat pada kualitas uap X = 1.0. Gambar 12.20 menjelaskan
diagram pola aliran ini untuk kondensasi dari R-134a pada suhu 40oC di pipa
horisontal dengan diameter dalam 8 mm.
Soliman (1982) juga mengusulkan sebuah metode untuk memprediksi
transisi dari aliran cincin ke aliran strata gelombang selama kondensasi
didalam pipa horisontal, lihat Bab 8 untuk penjelasan metode ini yang sudah
digunakan oleh Dobson dan Chato (1998) di model perpindahan kalor
kondensasi dalam pipa mereka.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
55/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
43
Gambar 12.20. Diagram pola aliran kondensasi dalam pipa untuk R-134a pada suhu 40oC di
pipa horisontal dengan diameter dalam 8 mm oleh El Hajal, Thome dan Cavallini (2003)
12.6. Pola Aliran Pada Tabung Horisontal yang Diperluas
Permukaan Dalamnya
Tidak banyak yang mempelajari sistematika pola aliran dua fase pada tabungyang diperluas permukaan dalamnya, gagasan demikian akan membawa
kepada pengetahuan bahwa perluasan permukaan dalam dapat memberikan
pengaruh yang signifikan terhadap tergesernya lokasi transisi pola aliran dan
juga dapat merubah pola aliran itu sendiri. Untuk contoh pada tabung yang
diberi perluasan permukaan dalamnya menggunakan microfin akan
menggeser permulaan lokasi transisi aliran cincin - strata gelombang menuju
kearah penurunan kualitas uap dan kecepatan masa yang rendah, sehingga
Gelombang
kondensasi
Kualitas uap
R134a : 300 kg/m2s, 40oC, 8 mm
0 0,2 0,4 0,6 0,8
200
400
600
800
1000
1200
Strata licin
kabut
XIAq = 15 kW/m
2
1
0
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
56/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
44
dengan keadaan demikian meningkatkan laju perpindahan kalor akibat
pembasahan keliling tabung pada masa yang rendah.
Didalam aliran cincin, microfin membuat turbulensi yang banyak pada
lapisan likuid seperti diperlihatkan pada Gambar 12.21 dengan fotografi
yang disiapkan oleh Saiz-Jabardo (2005) menggunakan fasilitas pengujian di
Bandarra Filho dan Saiz-Jabardo (2006) untuk memeriksa hasilnya. Dari foto
terlihat bahwa tabung microfin juga dapat meningkatkan iringan likuid di
pusat inti uap (pada foto untuk tabung kaca transparan dengan permukaan
dalamnya licin/tidak deperluas pada keluaran tabung evaporator efek
langsung seperti yang terjadi pada microfin tidak terlihat)
Gambar 12.21. pola aliran cincin untuk R-134 a pada 50C dan 500 kg/m
2dari Bandarra Filho
dan Saiz-Jabardo (2006) pada keluaran tabung evaporator. Foto atas : tabung licin; foto
bawah : tabung microfin. Diameter tabung: 9.52 mm.
Bukasa, Liebenberg dan Meyer (2004), Oliver (2004), Liebenberg, Thome
dan Meyer (2005) dan Oliver (2007) telah menyelidiki pola aliran pada
tabung permukaan rata, tabung microfin heliks (tabung Wolverine), tabung
microfin tulang ikan (tabung Wolverine) dan tabung dengan kawat heliks
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
57/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
45
yang disisipkan. Mayer dan Liebenberg (2006) juga telah meringkas hasil
kerjanya dalam tinjauan tulisanya. Dimana untuk tabung licin persamaan
garis fraksi transisi dari aliran terputus- putus ke aliran cincin seperti yangterdapat pada persamaan (12.4.11), bila persamaan tersebut diterapkan ke
tabung yang diperluas dibagian dalamnya, akan mengalami penundaan garis
transisi XIA ke kualitas yang lebih rendah pada tabung microfin saat terjadi
kondensasi untuk refrijeran R22, R-134a, dan R-407C, seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 12.22. Mereka mengamati pola aliran secara
langsung pada bagian keluaran yang terkondensasi, dalam mempelajari pola
aliran tersebut mereka menggunakan analisis spektral daya dari sinyal
tekanan absolut untuk mengidentifikasi lokasi transisi seperti yang telah
dipelajari sebelumnya. Dalam pengujian terbaru mereka, pada kawat heliks
yang disisipkan dengan diameter aksial tusuk sebesar 5.0, 7.7 dan 11 mm,
lokasi transisi XIAakan mengalami pergeseran ke daerah dengan kualitas uap
rendah dan mereka juga mendapatkan bahwa jarak tusuk kawat heliks
tersebut tidak banyak mempengaruhi lokasi batas transisi XIA . Dalam
pengujian ini digunakan kawat dengan diameter 0.5 mm dan diameter tabung
8.1 mm.
Berdasarkan hasil yang didapat, Meyer, Liebenberg dan Cowokers
mengusulkan persamaan berikut untuk transisi XIAdari aliran kaca-lihat ke
aliran cincin untuk tabung kawat yang disisipkan secara heliks
XIA [12.6.1]
Dengan cara yang sama garis transisi XIA untuk tabung microfin heliks dan
microfin tulang ikan seperti persamaan yang diusulkan diatas dengan nilai
0.678 untuk microfin heliks dan 0.790 untuk microfin tulang ikan
menggantikan nilai 0.484.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
58/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
46
Gambar 12.22 Diagram pola aliran dari Kattan, Thome dan Favrat (1998a) diperbaiki oleh
Meyer dan Cowokers untuk mengillustrasikan pengamatan terbaru mereka pada tabung licin
dan dua tabung microfin untuk tiga refrijeran.
12.7. Pola Aliran Dan Diagram Untuk Aliran Dua Fase Melalui
Susunan Tabung Horisontal
Pola aliran dua fase pada sisi cangkang dan pola diagram aliran telah
menerima banyak perhatian tidak kurang dari aliran didalam tabung.
Beberapa penyelidikan kualitatif hanya menggambarkan pola aliran yang
diamati, seperti Leong, dan Cornwell (1979), Cornwell, Duffin dan Schuller
(1980), Diehl (1958), Diehl dan Unruh (1958) dan Nakajima (1979). Studi-
studi lain telah berusaha untuk mengukur pengamatan melalui
pengembangan pola diagram aliran, misalnya yang dari Grant dan Murray
(1972, 1974), Grant (1973), Grant dan Chisholm (1979), Kondo dan
Nakajima (1980) dan Chisholm ( 1985). Penelitian tidak banyak yang telah
dilakukan pada pola aliran dua fase untuk arus sisi cangkang sejak
pertengahan tahun 1980.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
59/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
47
Pola aliran dua fase pada sisi cangkang adalah penting untuk kinerja termal
karena memiliki efek multiplier terhadap gesekan dua fase, dan karenanya
juga pada gesekan jatuh tekanan dua fase. Pola aliran juga berpengaruh padakoefisien perpindahan kalor didih dan perpindahan kalor kondensasi, namun
ada penelitian telah mengkonfirmasi transisi ini dari satu ke yang lain adalah
kunci untuk membuat "ide eksperimen" dimana struktur aliran dua fase
dalam sistem baru dapat diprediksi. Prediksi tersebut sangat membantu
dalam membangun tentang apa karakteristik operasi dari sistem akan terjadi,
dan dengan demikian menghindari masalah potensial yang mungkin timbul.
Leong dan Cornwell (1979) dan Cornwell Duffin dan Schuller (1980) telah
membuat pengamatan visual dari aliran dua fase dari potongan reboiler ketel
selama penguapan. Mereka melaporkan bahwa dua pola aliran utama yang
dominan. Dalam zona rendah di mana kualitas uap lebih besar, perubahan
besar dalam penampilan aliran terjadi, di mana ia mengambil karakter
berbusa. Transisi ini diperkirakan terjadi di fraksi hampa sekitar 60%. Di sisi
lain, untuk susunan tabung terhuyung-huyung dengan dua fase aliran naik,
Nakajima (1978) mengamati hanya aliran gelembung dan sumbat untuk tes
pada kecepatan massa yang sangat rendah dan kualitas yang rendah. Untuk
aliran turun dengan kecepatan massa jauh lebih tinggi untuk susunan tabung
terhuyung-huyung, Dieh l (1957) mengamati hanya aliran cincin dan aliran
memercik. Diehl dan Unruh (1958) menggambarkan aliran memercik
sebagai salah satu dengan fraksi cairan yang tinggi jajaran lajurnya
sementara mereka mendefinisikan aliran cincin sebagai aliran dengan jajaran
lajur yang pendek. Dalam sebuah studi yang lebih komprehensif, Grant dan
Chisholm (1979) mempelajari aliran naik vertikal dan aliran turun atas
berbagai kecepatan massa dan kualitas dalam array tabung terhuyung-
huyung, pengamatan gelembung, terputus-putus (sumbat), dan aliranmemercik. The Diehl dan Unruh Diehl pengamatan aliran cincin mungkin
sama dengan kategori aliran kabut dari Grant dan Chisholm.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
60/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
48
Gambar 12.23 Pola aliran didalam susunan pipa dari Chisholm (1983). Bagian atas diagram
untuk aliran vertical dan bagian bawah diagram untuk aliran horisontal
Untuk horisontal aliran dua fase di susunan tabung, Diehl Unruh (1958)menyelidiki array tabung baik terhuyung-huyung dan segaris. Mereka
mengamati aliran memercik, cincin, sumbat, dan aliran strata licin, mencatat
bahwa aliran sumbat hanya diamati terjadi di jarak yang besar di rasio
diameter. Grant dan Chisholm (1979) dan hibah (1973), di sisi lain, tidak
melihat aliran sumbat di aliran horisontal mereka tetapi mereka melihat
gelembung, aliran strata licin, aliran strata memercik, dan aliran memercik.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
61/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
49
Gambar 12.24 Diagram pola aliran cangkang dari Grant dan Chisholm 1979
Gambar 12.23 menggambarkan dan mendefinisikan nama pola aliran yang
paling umum dilaporkan dalam penyelidikan dan gambar 12.24
menunjukkan diagram diusulkan oleh Hibah dan Chisholm. Aliran
gelembung dan memercik sama untuk kedua aliran vertikal dan horizontal,
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
62/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
50
sementara aliran sumbat atau aliran terputus-putus dan aliran strata licin
umumnya hanya terjadi pada pola aliran horisontal. Secara ideal pola aliran
akan terpengaruh oleh kebocoran aliran dalam sebuah kemasan di cangkangpenukar kalor, misalnya aliran yang tersebar di sekitar baffle, kebocoran
antara lubang tabung tabung di baffle, dan setiap aliran memotong lainnya.
Chisholm (1985) baru-baru ini telah menyajikan ambang transisi berikut
dalam hal kualitas uap untuk arus horizontal.
Aliran Strata licin =2/(2m)
[12.7.1]
Aliran gelembung =2/(2m)
[12.7.2]
Aliran memercik =2/(2m)
[12.7.3]
Dalam persamaan ini, xs, xb, dan xf adalah kualitas transisi untuk aliran
strata licin, aliran gelembung, dan titik transisi memercik, masing-masing.
Parameter lain yang didefinisikan sebagai
Bs = BB=0,5
BF=m/2
[12.7.4]
R = 1,3 + 0,58 Fr1 N2
m
[12.7.5]
Y = G / L=
- m[12.7.6]
Dan m adalah eksponen dalam jenis fase persamaan gesekan Blasius faktor
tunggal. Jumlah Fr1, adalah bilangan Froude untuk aliran total cairan dengan
kecepatan berdasarkan pada luas penampang minimum lintas dalam susunan
tabung normal terhadap arah aliran. Keandalan penggunaan umum dari
metode ini untuk prediksi transisi pola aliran tidak dapat dikualifikasikan
disini.
-
7/22/2019 Buku Perpindahan Kalor Pendidihan Dan Aliran Dua Fase
63/69
Perpindahan Kalor Pendidihan dan Aliran Dua Fase
Pola Aliran Dua Fase
51
KESIMPULAN
Pola aliran memiliki pengaruh penting pada prediksi fraksi hampa, alirankoefisien kalor kondensasi perpindahan mendidih dan konvektif, dan tetes
fase dua tekanan. Prediksi transisi pola aliran dan integrasi mereka ke dalam
diagram pola aliran untuk penggunaan umum dengan demikian terutama
penting untuk memahami dua fenomena fase aliran dan desain dari dua
peralatan fase.
Untuk tabung vertikal, diagram pola aliran Fair (1960) dan Hewitt dan
Roberts (1969) adalah yang paling banyak direkomendasikan untuk
digunakan. Untuk tabung horisontal, metode Taitel dan Dukler (1976) dan
Baker (1954) secara luas digunakan. Aliran yang lebih baru pola diagram
Kattan, Thome dan Favrat (1998a) dan perbaikan yang lebih berikutnya,
yang dikembangkan khusus untuk tabung berdiameter kecil khas cangkang