BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang Fasa (phase) adalah kondisi atau wujud dari suatu zat, yang dapat berupa
padat, cair, atau gas. Aliran multi fasa (multiphase flow) adalah aliran simultan dari beberapa fasa dari sebuah zat. Aliran dua-fasa (two-phase flow) adalah sebuah contoh aliran multi fasa yang hanya melibatkan dua macam wujud dari suatu zat dalam sebuah aliran. Aliran dua-fasa banyak dijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada sistem boiler, nuclear reactor, heat exchanger, pencairan gas alam, sistem perpipaan, geothermal, dan lain sebagainya. Studi tentang aliran dua-fasa dapat dibedakan menjadi beberapa macam. Menurut kombinasi antar fasanya, aliran dua-fasa dapat dibedakan menjadi aliran gas-cair, cair-padat, dan padat-gas. Menurut arah alirannya, aliran dua-fasa dapat dibedakan menjadi aliran dua-fasa searah ke atas, searah ke bawah, dan berlawanan arah. Sedangkan menurut kedudukan salurannya aliran dua fasa dapat dibedakan menjadi aliran mendatar, tegak, dan miring. Semua aliran dua-fasa tersebut dapat terjadi pada saluran atau pipa berukuran besar (large pipe), normal (normal pipe), mini (mini pipe) dan mikro (micro pipe), sehingga studi tentang aliran dua-fasa sangat luas dan beragam. Perkembangan teknologi dewasa ini semakin mengarah pada peralatan dan produk yang kecil dan kompak. Banyak teknologi yang memanfaatkan teknologi micro untuk menunjang sebuah sistem yang efisien. Zhao dan Bi (2001) memberikan gambaran tentang beberapa aplikasi aliran pada saluran kecil seperti pada pendinginan modul-modul high-desity multi-chip pada supercomputer, peralatan X-ray dan peralatan diagnostik lainnya yang berdaya tinggi, penukar kalor fluks tinggi pada sistem kedirgantaraan (aerospace system), sistem pendinginan cryogenic pada satelit, dan sebagainya. Kawahara dkk.(2002) juga memberikan contoh lain dari aplikasi micro scale devices, yaitu untuk
1
2
pendinginan rangkaian mikroelektrik, apikasi-aplikasi pada bioengineering, aerospace dan micro heat pipe. Beberapa dari pemakaian tersebut melibatkan aliran dua fasa dalam pipa berdiameter kurang dari 1 mm. Kandlikar dkk (2003) memberikan gambaran aplikasi aliran dua-fasa pada ukuran saluran antara 2,5 μm – 25 mm seperti pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1. Skema aplikasi aliran dua-fasa berdasarkan ukuran saluran (Kandlikar dkk., 2005). Dalam melakukan pembagian dan pengelompokan terhadap ukuran diameter pipa pada studi aliran dua-fasa, beberapa peneliti sebelumnya memberikan penamaan yang bervariasi terhadap berbagai ukuran pipa. Mehendale dkk. (2000) , membagi ukuran saluran menjadi 4, yaitu dari 1 μm sampai 100 μm sebagai microchannels, 100 μm sampai 1 mm sebagai mesochannels, 1 mm sampai 6 mm sebagai compact passages, dan di atas 6 mm sebagai conventional passages. Zhao dan Bi (2001) menyebut seksi uji yang digunakan (saluran segitiga dengan diameter hidraulik 2,886 mm, 1,443 mm, dan 0,866 mm) dengan microchannel. Kandlikar dan Grande (2003) membagi ukuran saluran menjadi 5 macam, yaitu: saluran konvensional, saluran mini, saluran mikro ,saluran transisi, dan saluran nano (molecular nanochannels). Pengelompokan jenis pipa berdasarkan ukuran yang dilakukan oleh Kandlikar dan Grande dapat dilihat pada Tabel 1.1 berikut.
3
Tabel 1.1. Pengelompokan jenis pipa berdasarkan ukuran pipa, Kandlikar dan Grande (2003)
Dalam penelitian aliran dua-fasa terdapat beberapa parameter yang penting untuk diteliti. Parameter-parameter tersebut berupa parameter dasar dan parameter efek perpindahan kalor (heat transfer effect). Untuk parameter dasar pada aliran dua-fasa meliputi: flow behavior (interfacial behavior) yaitu pola aliran (flow pattern atau flow regime) dan peta pola aliran (flow pattern map), fraksi hampa (void fraction), dan perubahan tekanan (pressure gradient atau pressure drop). Triplett dkk. (1999) mengatakan bahwa pada aliran dua fasa di dalam pipa berukuran mini berbeda dengan aliran dua-fasa pada pipa besar dimana aliran fluida pada pipa berukuran mini mempunyai sifat yang unik, dimana tegangan permukaan memiliki peran yang sangat dominan dalam aliran tersebut. Oleh karena itu, penelitian mengenai parameter dasar aliran dua-fasa pada pipa berukuran mini menjadi sangat penting guna mendapatkan informasi dan data base yang bermanfaat untuk membuat sebuah desain peralatan kecil (mini device) atau compact system yang melibatkan aliran dua-fasa. Aliran dua-fasa gas-cair memiliki berbagai macam pola aliran. Pola aliran yang terbentuk tergantung pada kecepatan superfisial dari masing-masing fasa dan arah aliran. Baker (1954) meneliti aliran dua fasa udara-air aliran searah pada pipa horizontal. Pola aliran yang teramati dalam penelitian tersebut adalah bubbly, plug, slug, stratified, wavy, annular, dispersed dan froth. Kemudian pola aliran tersebut digambarkan dalam sebuah peta pola aliran dengan koordinat kecepatan
4
superfisial gas dan kecepatan superfisial cairan. Peta pola aliran tersebut dibuat untuk memudahkan dalam penyajian data dan informasi dari hasil penelitian tentang pola aliran yang telah dilakukan. Fraksi hampa atau void fraction merupakan parameter penting dalam aliran dua-fasa gas-cair. Analisa tentang void fraction bertujuan untuk mengetahui komposisi dari gas dan cair yang terjadi. Komposisi fasa yang terjadi dalam sebuah aliran dua fasa akan mempengaruhi sifat dan nilai dari properti aliran tersebut. Dengan mengetahui komposisi dari tiap fasa, maka dapat diperoleh nilai properti aliran dua-fasa yang terjadi sehingga memudahkan dalam melakukan analisa lebih lanjut mengenai heat transfer dan pressure drop pada aliran duafasa. Penurunan tekanan atau pressure drop adalah parameter yang penting pula dalam sebuah aliran. Perbedaan tekanan dapat menyebabkan suatu zat dapat berubah wujud. Pressure drop pada aliran dua-fasa perlu diperhitungkan secara terperinci untuk mendapatkan aliran yang diinginkan. Penelitian mengenai aliran dua-fasa pada saluran kecil telah diteliti oleh beberapa peneliti sebelumnya. Penelitian tersebut dilakukan diantaranya oleh : Fukano dan Kariyasaki (1993), Triplett dkk. (1999), Chung dan Kawaji (2004), Sur dan Liu (2012), dan beberapa peneliti lainnya. Terdapat sebuah hasil yang sangat menarik di mana pola aliran dua-fasa yang terjadi pada pipa berukuran mini berbeda dengan pola aliran dua-fasa pada pipa konvensional seperti yang telah dihasilkan oleh Baker (1954) dan Mandhane (1974). Disamping itu, penelitian di antara para peneliti tersebut juga memiliki perbedaan antara satu dengan yang lainnya mengenai peta pola aliran, korelasi void fraction dan korelasi pressure drop. Penelitian yang dihasilkan oleh beberapa peneliti tersebut dibandingkan dengan penelitian sebelumnya untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. Oleh karena itu, penelitian atau studi eksperimental mengenai aliran dua fasa gas-cairan pada pipa berukuran mini sangat penting untuk dilakukan guna mendapatkan informasi, data base, dan metode yang tepat dalam melakukan analisa aliran dua-fasa melalui pipa mini.
5
1.2.
Rumusan Masalah Penelitian ini akan mengkaji parameter dasar aliran dua fasa udara-air
pada pipa berukuran mini pada saluran horizontal didasarkan pada kajian eksperimen. Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Bagaimana karakteristik aliran (flow behavior) yang terdiri dari pola aliran (flow pattern atau flow regime) dan peta pola aliran (flow pattern map) pada kecepatan superfisial gas dan cairan (JG dan JL) yang beragam ? b. Bagaimana karakteristik dari fraksi hampa (void-fraction) pada pola aliran dua-fasa yang beragam ? c. Bagaimana karakteristik dari gradien penurunan tekanan (pressure gradient atau pressure drop) pada kecepatan superfisial gas dan cairan (JG dan JL) yang beragam ? 1.3.
Batasan Masalah Untuk menyederhanakan permasalahan di atas, maka perlu diambil
batasan masalah dalam penelitian ini, di antaranya: a. Penelitian dilakukan dalam keadaan steady pada suhu kamar 25ºC dan tekanan 1 atmosfer. b. Pipa yang digunakan sebagai seksi uji berupa pipa kaca yang permukaannya dianggap licin dengan ukuran diameter 1,6 mm. c. Sistem tidak dipengaruhi keadaan lingkungan dan dianggap tidak terjadi perpindahan kalor (adiabatis). d. Fluida kerja adalah air-udara yang mengalir secara paralel horizontal. 1.4.
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan informasi tentang pola
aliran (flow pattern atau flow regime) dan peta pola aliran (flow pattern map), fraksi hampa (void fraction), dan gradien penurunan tekanan (pressure gradient atau pressure drop) serta mendapatkan korelasi yang sesuai pada aliran dua-fasa gas-cair melalui pipa berukuran mini pada saluran horizontal.
6
1.5.
Manfaat penelitian Penelitian ini akan memberikan informasi tentang karakteristik pola dan
pola aliran, fraksi hampa dan gradien penurunan tekanan pada aliran dua fasa udara-air pada pipa berukuran mini horizontal sehingga menghasilkan suatu data base yang memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan terutama dalam bidang konversi energi. Hasil yang didapat juga dapat dibandingkan dengan penelitian-penelitian sebelumnya sehingga akan didapatkan sebuah metode yang tepat untuk melakukan analisa aliran dua-fasa pada pipa berukuran mini pada saluran horizontal.
