STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA MELEWATI ELBOW 75⁰ DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 15° I Kadek Ervan Hadi Wiryanta1, Triyogi Yuwono2 Program Pascasarjana, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
email:
[email protected],
[email protected]
Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari penggunaan elbow 75° dengan R/D tertentu terhadap karakteristik dari aliran dua fase (air-udara) yang mengalir di dalam pipa, yaitu perubahan pressure drop. Penelitian secara eksperimental dilakukan dengan menggunakan pipa transparan (acryllic) dengan diameter dalam 36 mm dari pipa vertikal menuju pipa miring melewati elbow 75° dengan R/D=0,7. Panjang total pipa adalah 3000 mm. Fluida kerja yang digunakan adalah air dan udara dengan variasi kecepatan superficial cairan (USL) antara 0,3 m/s 1,1 m/s (ReSL= 13497 – 49488) dan variasi volumetric gas quality (β) antara 0,03 – 0,25. Pressure drop aliran diukur menggunakan Manometer type U pada pipa vertikal, inlet elbow, outlet elbow dan pipa miring 15°. Untuk numerik, dilakukan dengan menggunakan MATLAB 7 untuk membandingkan pressure drop aliran secara teoritis dengan hasil eksperimental. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pressure drop pada pipa uji vertikal akan mengalami penurunan dengan bertambahnya superficial gas Reynolds number (ReSG) untuk setiap superficial liquid Reynolds number (ReSL) yang sama, baik secara eksperimental maupun secara teoritis. Pada elbow 75° dan juga pipa miring, pressure drop juga akan mengalami penurunan tetapi tidak sebesar pada pipa vertikal. Kata kunci: aliran dua fase, elbow 75⁰, pressure drop
Pendahuluan Aliran dua fase merupakan salah satu bagian dari aliran multi fase, dimana fenomena aliran dua fase ini banyak dijumpai pada dunia-dunia industri, seperti pada reactor nuklir, heat exchanger, dan juga sistem perpipaan dari industri pertambangan migas, geothermal, dan lain sebagainya. Pada sistem transportasi perpipaan penggunaan elbow sangat luas dikarenakan faktor geografis di lapangan. Meskipun penggunaan elbow tersebut akan menyebabkan terjadinya separasi, centrifugal acceleration, secondary flow dan kavitasi. Pada aliran dua fase, karakteristik alirannya jauh lebih kompleks dibandingkan pada aliran mono fase, dimana selain dipengaruhi oleh Reynolds numbers, pada aliran dua fase pressure drop juga dipengaruhi oleh interaksi dari fase-fase yang mengalir di dalamnya. Dimana akibat dari interaksi antar fase tersebut akan menyebabkan terjadinya pola aliran yang bermacam-macam. Pola aliran yang berubah-ubah ini akan menyebabkan perubahan pada pressure drop. Banyak penelitian yang telah dilakukan yang berhubungan dengan pengaruh pola aliran dan pressure drop yang terjadi pada aliran dua fase, baik pada pipa vertikal maupun horizontal. Secara umum parameter-parameter yang diperhatikan antara lain debit fluida cair dan gas, pola aliran, tegangan geser antar fase dan juga konfigurasi pipa. Somchai Wongwises (2006) meneliti tentang flow pattern, pressure drop dan void fraction pada saluran horizontal dan miring upward aliran dua fase gas-cairan pada sebuah saluran anular kecil. Slug/bubly flow pattern hanya ditemukan pada sudut kemiringan θ = 30⁰ dan 60⁰, sedangkan slug flow pattern hanya ditemukan pada saluran horizontal. Benard (2006) meneliti aliran dua fase melewati belokan 900 pada pipa vertikal menuju
pipa horisontal dengan diameter dalam pipa yang digunakan adalah 0,026 m. Pressure drop pada posisi vertical inlet tangent menunjukkan beberapa perbedaan yang signifikan pada pipa vertikal. Karena adanya elbow yang menyebabkan aliran inlet terhambat sehingga menaikkan tekanan dan jumlah fase liquid pada vertical inlet riser dan perbedaan struktur dari flow regime dibandingkan dengan pipa vertikal lurus tanpa adanya gangguan belokan. Yudi Sukmono (2009) melakukan penelitian tentang karakteristik aliran dua fase yang melewati elbow 90⁰ dari arah vertikal menuju horisontal. Rasio R/D = 0,6 dan diameter dalam pipa = 36 mm. Hasil penelitian menunjukkan pressure drop pada pipa vertikal semakin turun pada peningkatan volumetric gas quality (β) untuk kecepatan superficial cairan (USL) konstan. Pada elbow, pressure drop cenderung naik pada peningkatan volumetric gas quality (β) untuk kecepatan superficial cairan (USL) konstan, tetapi akan turun pada kecepatan superficial gas (USG) rendah. Untuk pipa horizontal, pressure drop cenderung naik pada volumetric gas quality (β) tinggi dengan kecepatan superficial cairan (USL) konstan. Berbeda dengan penelitian Priyo Heru Adiwibowo (2009) dengan variasi eksperimen yang sama tetapi pada konfigurasi pipa dengan sudut kemiringan 45⁰, pada elbow dan pipa miring menunjukkan terjadinya penurunan pressure drop dengan bertambahnya volumetric gas quality (β) untuk setiap bilangan Reynolds superficial cairan (ReSL) konstan. Metode Penelitian Untuk melakukan penelitian secara eksperimental digunakan test section dari bahan transparan (acryllic) baik untuk pipa vertikal, pipa miring dan juga elbow 75°. Tinggi pipa vertikal 2 m dan panjang pipa miring adalah 1 m. Fluida yang digunakan adalah campuran air dan udara dengan variasi kecepatan superficial cairan (USL) = 0,3 m/s – 1,1 m/s dan variasi volumetric gas quality (β) = 0,03 – 0,25. Udara dimasukkan ke dalam campuran melalui annular air injector pada bagian dasar test section. Pengukuran kecepatan cairan dilakukan dengan menggunakan doppler meter, dan debit udara diatur menggunakan rotameter tipe pelampung. Pengukuran penurunan tekanan dilakukan dengan memasang pressure taps pada pipa uji vertikal, elbow 75⁰ dan sepanjang pipa miring yang terhubung dengan Manometer type U. Skema penelitian seperti pada gambar 1 berikut. Keterangan : 1. Tangki air 2. Pompa 3. Katup bypass 4. Accumulator 5. Doppler flow meter 6. Annular air injector 7. Pressure gauge 8. Termometer digital 9. Rotameter 10. Dryer 11. Tangki udara 12. Kompresor 13. Kamera digital 14. Photo editing 15. Gas-liquid separator
Gambar 1. Diagram Eksperiment Setup
Hasil dan Pembahasan Perhitungan pressure drop secara eksperimental dilakukan pada tiga bagian, yaitu pada pipa vertikal, pada elbow 75° dan di sepanjang pipa miring. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan persamaan:
∆pverical =[∆Z12 + (h1 − h2 )]× ρ × g ∆pelbow = [ ∆Z 2 3 + (h2 − h3 )] × ρ × g
(2)
∆pmiring = [∆Z 34 + (h3 − h4 )]× ρ × g
(3)
∆pvertical ∆pelbow ∆pmiring ∆Z12 ∆Z23 ∆Z34 h1, h2, h3, h4 g ρ
(N/m2) (N/m2) (N/m2) (m) (m) (m) (m) (m s-2) (kg/m3)
Dimana:
(1)
= Pressure drop pada bidang pipa vertical = Pressure drop across the elbow bend = Pressure drop pada bidang pipa miring = Elevation antara pressure taps 1 & 2 = Elevation antara pressure taps 2 & 3 = Elevation antara pressure taps 3 & 4 = Hasil ketinggian level air pada monometer = Percepatan gravitasi = Kerapatan liquid
∆Pvertikal (kPa)
Dengan variasi kecepatan superficial cairan (USL) dari 0,3 m/s – 1,1 m/s dan volumetric gas quality (β) antara 0,03 – 0,25 maka didapat pressure drop pada pipa vertikal seperti pada gambar 2 berikut: 21,5 21 20,5 20 19,5 19 18,5 18 17,5 17 16,5 16 15,5 15
13497 22494
Resl =
31492 40489 49487
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
β Gambar 2. Grafik pressure drop pada pipa vertikal untuk setiap ReSL terhadap volumetric gas quality (β). (β=0 adalah single phase – hanya air) Dengan peningkatan Resl akan meningkatkan pressure drop pada aliran satu fase karena pengaruh elevasi akan menjadi faktor dominan. Tetapi dengan adanya pengaruh densitas fase gas pada fase cairan sehingga densitas campuran (mixture) berkurang dibanding densitas satu fase (cairan saja) yang terjadi pada aliran dua fase sehingga terlihat dengan semakin tinggi bilangan Reynolds superficial gas (Resg) ataupun semakin tinggi volumetric gas quality (β) maka akan semakin rendah pula pressure drop. Dari grafik tersebut juga terlihat bahwa semakin besar nilai Resl menyebabkan semakin besar pula nilai pressure drop. Karakteristik pressure drop pada elbow 75º mempunyai karakteristik sama dengan pressure drop pada pipa vertikal dimana akan terjadi penurunan pressure drop dengan meningkatnya
bilangan Reynolds superficial gas (Resg) tetapi penurunannya tidak sebesar pada pipa vertikal. Hal ini dikarenakan pada elbow dari posisi vertikal menuju posisi miring dipengaruhi oleh tiga komponen yaitu akibat elevasi (gravitasi sebagai komponen utama), gesekan (friction) dan separasi aliran. Dari ketiga komponen tersebut faktor elevasi sangat dominan, tetapi karena elevasi pada elbow 75° tidak sejauh pada pipa vertikal, sehingga pressure drop pada elbow 75º tidak sebesar pressure drop pada pipa vertikal, seperti ditunjukkan pada gambar 3 berikut: 1,1 1 0,9
∆Pelbow (kPa)
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
13497 22494
0,3
Resl =
0,2
31492 40489
0,1
49487
0 0
0,05
0,1
β
0,15
0,2
0,25
∆Pmiring (kPa)
Gambar 3. Grafik pressure drop pada elbow 75⁰ untuk setiap ReSL terhadap volumetric gas quality (β) (β=0 adalah single phase – hanya air) Untuk pipa miring 15°, kecenderungan yang sama juga terlihat. Dimana pressure drop yang terjadi akan mengalami penurunan dengan meningkatnya volumetric gas quality (β) untuk setiap Resl yang konstan. Hal ini ditunjukkan oleh gambar 4 berikut. 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
Resl =
0
0,05
13497 22494 31492 40489 49487
0,1
β
0,15
0,2
0,25
Gambar 4. Grafik pressure drop pada pipa miring 15⁰ untuk setiap ReSL terhadap volumetric gas quality (β) (β=0 adalah single phase – hanya air) Dari grafik juga dapat diketahui bahwa dengan meningkatnya ReSL maka pressure drop yang terjadi juga akan meningkat.
Dari pengamatan visualisai pola aliran yang terjadi pada pipa miring setelah elbow, maka dilakukan juga perhitungan pressure drop secara analitik dengan menggunakan program MatlabGUI (Graphic User Interface). Hasil perbandingan antara pressure drop secara eksperimental dan juga secara analitik ditunjukkan pada gambar 5 berikut. 21,00 20,50 20,00 19,50 19,00 18,50 18,00 17,50 17,00 16,50 16,00 15,50 15,00
∆Pvertikal (kPa)
a.
Resl = 31492
Data Eksperimen Data Teoritis
0
b.
200
Resg
400
600
1,60
Resl = 31492
∆Pelbow (kPa)
1,40 1,20 1,00 0,80 0,60
Eksperimen 75° Numerik 75° Eksperimen 30° Numerik 30°
0,40 0,20 0,00 0
c.
100
200
Resg300
400
500
600
9,00
Resl = 31492
∆Pmiring (kPa)
8,00 7,00 6,00
Eksperimen 75° Numerik 75° Eksperimen 30° Numerik 30°
5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0
100
200
Resg300
400
500
600
Gambar 5. Grafik perbandingan pressure drop secara eksperimental dan secara teoritis pada Resl = 31492. (a. Pada pipa vertikal; b. Pada elbow 75; c. Pada pipa miring) Dari grafik diatas terlihat bahwa pressure drop secara eksperimental nilainya akan lebih besar daripada pressure drop secara teoritis, baik pada pipa vertikal, pada elbow 75°, dan pipa miring. Hal ini dikarenakan untuk perhitungan pressure drop secara teoritis tidak memperhitungkan faktor-faktor aktual di lapangan. Dari grafik tersebut juga terlihat bahwa pada elbow 75° dan pipa
miring outlet dari elbow 75°, besarnya pressure drop akan jauh lebih kecil dibandingkan pressure drop yang terjadi pada elbow 30° dan pipa miring outlet dari elbow tersebut. Hal ini dapat dijelaskan karena pada elbow dan juga pipa miring, pressure drop dominan akan dipengaruhi oleh faktor elevasi, dimana jarak elevasi pada elbow 75° dan juga pipa miring outlet dari elbow 75° lebih kecil daripada elevasi pada elbow 30° dan pipa miring outlet dari elbow 30°. Sehingga nilai pressure drop pada elbow 75° dan juga pada pipa miring akan lebih kecil. Kesimpulan Dari hasil penelitian tersebut dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan kecepatan superficial cairan (USL) dan volumetric gas quality (β). 2. Pressure drop yang terjadi akan cenderung menurun dengan bertambahnya volumetric gas quality (β) pada ReSL yang konstan baik pada pipa vertikal, elbow 75⁰, dan pipa miring. 3. Pressure drop yang terjadi akan cenderung meningkat dengan naiknya bilangan Reynolds superficial (ReSL). 4. Besarnya pressure drop pada elbow dan pipa miring dominan dipengaruhi oleh faktor elevasi, dimana elevasi pada elbow maupun pipa miring tidak sejauh elevasi pada pipa vertikal, sehingga besarnya pressure drop pada elbow dan pipa miring jauh lebih kecil daripada pipa vertikal. 5. Besarnya pressure drop secara eksperimental cenderung akan lebih besar daripada pressure drop secara teoritis. Karena untuk perhitungan pressure drop secara teoritis tidak memperhitungkan faktor-faktor aktual di lapangan. 6. Nilai pressure drop pada elbow 75° dan juga pipa miring outlet dari elbow 75° lebih kecil dibandingkan nilai pressure drop pada elbow 30° dan juga pipa miring outlet dari elbow 30°. Karena jarak elevasi pada elbow 75° dan juga pipa miring outlet dari elbow 75° lebih kecil daripada elevasi pada elbow 30° dan pipa miring outlet dari elbow 30°. Daftar Pustaka [1] [2]
[3]
[4] [5] [6] [7]
Benard. E, 2007, “Gas–Liquid Two Phase Flow through a Vertical 90°° Elbow Bend”, Experimental Thermal and Fluid Science 31 hal. 761–769 Priyo Heru Adiwibowo, 2009, “Studi Eksperimental dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua Fase Melewati Elbow 45⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰”, Thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Somchai Wongwishes, 2006 “Flow Pattern, Pressure Drop and Void Fraction of Twophase Gas – Liquid Flow in an Inclined Narrow Annular Channel”, Experimental Thermal and Fluid Science 30, hal.345 – 354 Taylor & Francis, 2006, “Multiphase Flow Handbook” Tekna, 2005, “Handbook of Multiphase Flow Metering”, www.tekna.no Triyogi. Y, 1995 , “Pengukuran Global Void Fraction dengan Menggunakan Metode Pressure Gradient”, Volume 6 No.2 Jurnal IPTEK Teknik Mesin , ITS, Surabaya Yudi Sukmono, 2009 “Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90⁰⁰ dari Arah Vertikal Menuju Horizontal”, Thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
