STUDI FRAKSI HAMPA PADA ALIRAN DUA FASE MELINTASI SEDERETAN PIPA BERSIRIP SECARA MELINTANG

STUDI FRAKSI HAMPA PADA ALIRAN DUA FASE MELINTASI SEDERETAN PIPA BERSIRIP SECARA MELINTANG Maimuzar(1), Hanif(1) (1)

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang ABSTRACT

A study concerning the fraction of vacuum in the flow of two-phase gas-liquid adiabatic conditioned on the two-phase flow across a row of transversely finned pipes with pipe number 5 x 20 lines with a pitch and diameter ratio of 1.28, and the size of the fin (width 1 mm, height 1.2 mm), a series of test sections form a heat exchanger models. Void fraction measurements done with the valve closure system quickly. The experimental results are compared with the separated flow model and homogeneous flow and the influence of fin measurement results compared with the results of previous researchers. Results showed that the experimental void fraction smaller than that predicted by the homogeneous flow and has compatibility with separate streams estimate. Dramatically higher void fraction obtained as rising gas mass velocity. Similar results were also reported by Schrage et al (1988) and Xu et al (1998) with the pipe without fins, this shows that the fin does not affect the void fraction measurements Keywords: heat exchanger models, two-phase flow, void fraction. 1. PENDAHULUAN Sistem aliran dua fase beraneka ragam. Dilihat dari fase-fasenya dijumpai aliran gas-cair,gas-padat dan cair-padat. Berdasarkan kedudukan saluran ada aliran mendatar, aliran tegak atau miring; dan bila ditinjau arah aliran fase-fasenya maka ada aliran berlawanan arah dan aliran searah: sedangkan bila ditinjau bentuk penampang saluran maka ada saluran berpenangpang lingkaran dan saluran berbetuk shell yang dilengkapi dengan pipa-pipa didalamnya. Pada sistem-sistem tersebut, aliran didalam shell yang dilengkapi dengan pipa-pipa, banyak dijumpai dalam industri, seperti kondensor, reboiler, generator uap, dll. Fraksi hampa adalah diantara aspek hidrodinamika dari aliran dua fasa dan merupakan elemen yang penting untuk perencanaan alat penukar kalor. Studi tentang fraksi hampa telah banyak dilakukan, baik aliran didalam pipa maupun didalam shell. Beberapa peneliti yang melakukan penelitian tentang fraksi hampa tersebut antara lain: Penelitian[5] aliran dua fase gas-cair melewati sebuah shell segi empat yang dilengkapi dengan 27 baris pipa berdiameter 7,94 mm dengan perbandingan picth dan diameter (P/D) 1,3. Pengukuran fraksi hampa yang dihasilkan dibandingkan dengan model aliran terpisah dan aliran homogen. Hasil menunjukan, fraksi hampa dengan model aliran homogen secara dramatis memperlihatkan harga yang berlebihan untuk semua kualitas dan tingkat kecepatan massa. Meskipun demikian kecenderungan umum antara model aliran homogen dan datanya adalah sama. Persesuaian yang kurang baik menunjukkan bahwa model aliran homogen tidak

dapat diaplikasikan, dengan demikian, digunakan model aliran yang terpisah.

harus

Prediksi[1] fraksi hampa dengan menggunakan pendekatan fenomenologis dari Zuber dan Findlay (1965), yang disebut model fluks aliran (drift flux model), pada aliran dua fase udara-air melintasi sederetan pipa yang sejajar (in-line bundles), dengan perbandingan pitch dan diameter pipa serta susunannya (layout) yang bervariasi. Pendekatan ini dibandingkannya dengan prediksi fraksi hampa menggunakan korelasi empiris dari Dowlati dkk (1990), dimana prediksinya ini menyatakan bahwa fraksi hampa sebagai suatu fungsi kecepatan gas tanpa dimensi (j*g,) dan model fluks aliran yang digunakan ini, ternyata sama secara fungsional dan mampu memprediksi data fraksi hampa eksperimental dengan deviasi rata-rata yang sama. Pengukuran[7] fraksi hampa yang dikondisikan adiabatik pada aliran dua fasa horisontal udara-air dan udara-minyak melintasi sederetan pipa (tube bundle) mendatar segaris, 5x20 dengan perbandingan pitch dan diameter (P/D) sebesar 1,28. Hasil pengukuran menunjukan bahwa rata-rata fraksi hampa yang terukur ternyata lebih kecil dibandingkan dengan model aliran homogen dan menunjukan pengaruh kecepatan massa pada x < 0,1. Pada kualitas itu, fraksi hampa yang lebih tinggi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas. 2. FRAKSI HAMPA Aliran homogen; diasumsikan kedua fase bercampur dengan baik dan mengalir dengan kecepatan yang sama Aliran terpisah; fase-fase secara fisik mengalir terpisah dengan kecepatan berbeda. Fraksi hampa

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 8, No. 2, Desember 2011

didefinisikan sebagai fraksi dari volume saluran yang ditempati oleh fase gas dan dapat dicari dengan cara sebagai berikut: AG g  AGx   g u g A g   g u g  A … (1) AG l  AG (1  x )   l u l A l   l u l (1   ) A … (2)



  

m

Am = luas penampang aliran minimum Am  A  As

 D p  2.w   … (17)   tg   1 / 2.H 

  

As  2.w / tg .1 / 2.w.n s … (18)

Jika didefinisikan S sebagai rasio kecepatan antara fase gas dan fase cair, maka untuk aliran terpisah “Persamaan (3)” menjadi

l x t  S  g (1  x )   l x

… (16)

As  luas puncak sirip yang dianggap berbentuk segitiga dengan sudut 

… (4)

x l

… (15)

A  4( P  D p ).a

1

 1  x  g

1   

= aliran massa

A  luas penampang aliran tanpa sirip

Untuk aliran homogen dimana kecepatan tiap fase sama, u g  u l

h 

… (14)

dimana:

… (3)

1  u g 1  x  g 1   u l x l 

m Am

G=

Dari “Persamaan (1) dan (2)” diperoleh



ISSN 1829-8958

DH 

… (5)

4 Am … (19) p

dimana

Rasio kecepatan S menurut korelasi CISE adalah

 y S=1+E1   1  yE  yE 2   2 

0 ,5

… (6)

dengan

p  keliling permukaan basah p  ( P  D p )  a .2.n A  2.w.n s …(20) 3. METODA PENELITIAN

y=  

 1 

… (7)

lx  l x   g (1  x )

E1=1,578 Re

 l      g 

… (8)

0 , 22

-0,19 

E2=0,0273 We Re

 l       g 

-0,51

Re=

… (9)  0 , 08

GDH l

… (10)

… (11)

Jalannya Penelitian

2

W e=

x

mg mg  ml

G DH  l

Skema alat penelitian seperti “Gambar (1d)”. Penelitian ini menggunakan sebuah model penukar kalor “Gambar (1a)” yang memiliki shell segi empat terbuat dari plexiglass dengan ukuran panjang 280 mm,tinggi 250 mm dan lebar 50 mm. Bagian uji berisikan sederetan pipa berdiameter 10 mm yang dilingkari sirip dengan lebar 1 mm, tinggi 1,2 mm dan pitch 15 mm, dengan bentuk rodnya seperti “Gambar (1c), dengan jumlah 20 baris dengan tiga fullrod dan dua halfrod pada tiap baris dizona aliran. Dua halfrod digunakan untuk mengurangi kebocoran dan meminimalkan pangaruh dinding. Susunan rod dibuat segaris berbentuk segi empat yang mempunyai perbandingan pitch terhadap diameter 1,28. Keseluruhan dari 7 bagian buffle dipakai untuk memberikan 8 jalur di dalam shell.

… (12)

… (13)

Udara bertekanan diinjeksikan ke dalam mixing chamber dan bercampur dengan fase cair. Campuran cairan dan udara kemudian masuk pada seksi uji, pada saat ini pola aliran diamati dan pengukuran fraksi hampa dilakukan, dengan menggerakan tiga rangkaian katup yang dapat tertutup dengan cepat 110

Studi Fraksi Hampa pada Aliran Dua Fase Melintasi Sederetan Pipa Bersirip secara Melintang (Maimuzar)

(quick closing valve) yang berada pada saluran masuk dan keluar dari seksi uji, ketika kedua katup masuk dan keluar seksi uji tertutup, katup baypass terbuka. Cairan dan udara yang terjebak didalam

seksi uji (model penukar kalor) dibiarkan selama kira-kira 5 menit lalu pengukuran volume air dan udara baru dilakukan.

12

4

3

1

22

12 13

(a)

a

5

6

7

14

b

8

(b)

(c)

99

10

11

(d)

Gambar 1 (a) Model Penukar kalor, (b) Penampang shell, (c) Tube yang dilingkari sirip.(d) Skema Instalasi penelitian. Keterangan : 1. Alat uji (Experimental heat exchanger) 9. Pompa air 2. Katup penutup tiba-tiba 10.Tangki air 3. Katup Bypass 11.Tangki pemisah udara-air 4. Ruang pencampur Air-Udara (Mixing chamber) 12.Termometer 5. Tangki penampung udara 13.Alat ukur tekanan 6. Rotometer 14. Stop kran 7. Flowmeter Ali ran udara 8. Kompresor Aliran air

4. HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan ini dilakukan pada kondisi temperatur air berkisar antara (25-27)oC, temperatur udara (2730)oC serta tekanan udara pengukuran yang diinjeksikan ke dalam mixing chamber (0,06-0,55) kg/cm2. debit air divariasikan mulai dari 7,57 lt/m (2Gpm) hingga 18,92 lt/m (5Gpm) dengan kenaikan setiap variasi 1,89 lt/m (0,5Gpm) dan debit udara divariasikan mulai dari 3,42 hingga 70,2 lt/m dengan kenaikan setiap variasi 3,5 lt/m. 4.1 Peta Pola Aliran Berdasarkan pengamatan yang dilakukan selama penelitian berlangsung pola aliran yang diperoleh adalah:

a.

Bubble flow (aliran gelembung) “Gambar (2a)”, dimana aliran gelembung ini bertahan hingga shell kelima dan pada shell keenam hingga shell ketujuh aliran cendrung membetuk kantong,, tetapi pada shell kedelapan sebagian kantong tadi membetuk gelembung kembali, gelembumg dan kantong ini mengalir pada bagian atas shell.

b.

Stratified flow (aliran strata licin) “Gambar (2b)”, dimana permukaan bidang sentuh liquid-gas adalah licin namun kadang-kadang bergelombang, fase gas hanya menempati permukaan bagian atas dari shell. Rejim-rejim ini diperlihatkan dalam peta pola aliran pada “Gambar (2c)”.

111

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 8, No. 2, Desember 2011

Gas bubbles in liquid

ISSN 1829-8958

Srtatified flow

(a) Bubble

Gas

flow

Liquid

(b)

(c)

Gambar 2 visualisasi pola aliran (a) aliran gelembung (b) aliran strata licin (c) peta pola aliran 4.2 Fraksi Hampa Fraksi hampa diukur dengan sistem penutupan katup secara cepat pada saat air dan udara mengalir dalam seksi uji. Dari pengukuran didapatkan fraksi hampa terkecil terjadi pada debit air 18,92 lt/m (5Gpm) dan debit udara 3,42 lt/m, pada keadaan ini pola aliran adalah gelembung. Sedangkan fraksi hampa terbesar terjadi pada debit air 7,57 lt/m (2Gpm) dan debit udara 70,2 lt/m dan pada keadaan ini pola aliran adalah strata licin. Hasil seluruh pengukuran ditampilkan pada “Gambar (3)”. Gambar tersebut menunjukan bahwa fraksi hampa adalah fungsi debit aliran massa udara atau fungsi kecepatan massa udara jika debit air kanstan. Sedangkan fraksi hampa teoritis dihitung berdasarkan model aliran homogen dan terpisah seperti “Gambar (4) dan (5)”.

Gambar 5 Fraksi hampa aliran homogen

Gambar 6 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan teoritis pada debit air = 11, 35 (lt/m) Gambar 3 Fraksi hampa eksperimen.

Gambar 4 Fraksi hampa aliran terpisah.

Pada “Gambar (6)” menampilkan hubungan antara fraksi hanpa dan debit aliran udara pada debit aliran air =11,35 (lt/m) dan “Gambar (7)” menampilkan hubungan antara fraksi hanpa dan kualitas aliran dengan dua data eksperimen , dua hitungan teoritis dengan model aliran terpisah dan dua hitungan dengan model aliran homogen dengan masing-msing memiliki haraga Gg = 404,882 dan 647,811 kg/m2s serta harga GL= 0,175 – 3,716 kg/m2s, dan untuk pembanding dicantumkan juga satu data[7]. Dari “Gambar (6)” tersebut terlihat dengan jelas bahwa fraksi hampa eksperimen ternyata lebih rendah dibandinkan dengan fraksi hampa dengan model aliran homogen dan sebaliknya terlihat adanya kesesuaian dengan fraksi hampa dengan model aliran 112

Studi Fraksi Hampa pada Aliran Dua Fase Melintasi Sederetan Pipa Bersirip secara Melintang (Maimuzar)

terpisah. Fraksi hampa yang lebih tingi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas.

3.

Pola aliran yang ditemukan selama penelitian ini adalah: Bubble flow dan Stratified flow

PUSTAKA 1.

Dowlati,R., Kawaji,M., Chisholm,D., and Chan, A.M.C., Void Fraction in Two-Phase Flow Across a Tube Bundle, AIChE Journal, vol.38, no.4,pp. 619-622, 1992.

2.

Kakac. s, Bergles. A.E., Fernandes. E.O, TwoPhase Flow Heat Exchangers (Thermal Hydraulic Fundamental and Design), Kluwer Academic Publishers, Netherland, 1988.

3.

Koestoer, R.A., Proborini, S., Aliran Dua-Fasa dan Fluk Kalor Kritis, PT.Pradnya Paramita,Jakarta,1994.

4.

Olson, R.M., Wright, S.J., Widodo, A.T.K, Dasar-Dasar Mekanika Fluida Teknik ,PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.

5.

Schrage, D.S., Hsu, J.T., and Jense, M.K, Two-Phase Pressure Drop in Vertical Cross Flow Across a Horizontal Tube Bundle, AIChE journal,vol.34,no.1,pp. 107 – 115, 1988.

6.

Wallis,G.B, One Dimensional Two-Phase Flow ,McGraw-Hill, New York,1969.

7.

Xu, G.P., Tuo, K.W., Tso, C.P, Two-Phase Void Fraction and Pressure Drop in Horizontal Cross Flow Across a Tube Bundle, International Journal of Fluid Engineering, vol.120, pp.140145,1998.

Gambar 7 Hubungan fraksi hampa dengan kualitas aliran

Gambar 8 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan fraksi hampa model aliran terpisah

Hasil pengujian sama dengan aliran dua fase melintang vertikal melintasi sederet pipa tanpa sirip[5] dan aliran dua fase melintang horisontal melintasi sederet pipa tanpa sirip[7]. Dan dari “Gambar (7)” juga terlihat bahwa adanya kesesuaian data eksperimen[7]. Fraksi hampa eksperimen dibandingan dengan fraksi hampa toeritis model aliran terpisah ditunjukan pada “Gambar (8)” yang memiliki koefisien korelasi rata-rata (rrata-rata ) = 0,95

CURRICULUM VITAE Maimuzar, ST., MT adalah Staf Pengajar pada Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang. Menyelesaikan pendidikan S2 di UGM dalam bidang Teknik Mesin. Email: [email protected]. Hanif, ST., MT. Adalah staf pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang

5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan analisis pembahasannya dapat disimpulkan sebagai berikut: 1.

Fraksi hampa eksperimen ternyata lebih rendah dibandingkan dengan fraksi hampa model aliran homogen dan sebaliknya terlihat adanya kesesuaian dengan fraksi hampa dengan model aliran terpisah. Fraksi hampa yang lebih tingi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas.

2.

Perbandingan antara fraksi hampa teoritis model aliran terpisah dan fraksi hampa eksperimen, mempunyai koefisien korelasi rata-rata (rrata-rata ) = 0,95

113