PENGARUH ALIRAN DUA FASA GAS-CAIR TERHADAP FLUKTUASI GAYA PADA DINDING PIPA HORIZONTAL

Transkripsi

1 Jurnal Mekanikal, Vol. 3 No. 1: Januari 2012: ISSN PENGARUH ALIRAN DUA FASA GAS-CAIR TERHADAP FLUKTUASI GAYA PADA DINDING PIPA HORIZONTAL Muhammad Irsad Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung irsad71@unila.ac.id Abstract One of the causes damage to the pipeline is vibration caused b fluctuation in the flow. Twophase flow of liquid - gas at high pressure will provide a fluctuating impact load. Fluctuations in stream flow patterns are shown b the form. It is necessar to note the fluctuation force on a straight pipe wall in accordance with the flow pattern is formed. This stud uses two-phase flow b varing the flow of air and water. Variations of water flow are 5,15, 20, 25, 30 and 35 lpm. While the variations of air flow used are 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, and 50 lpm. The sensor used a strain gauge tpe GFCA 3-50 to read the strain in the pipe. The results indicate that the greatest force at the time of the bubble flow pattern is N and its value is relativel stable. While the slug flow pattern shows the force generated more fluctuations than the other flow patterns. Kewords: Air-liquid two phase flow, Vibration, Force, Flow pattern, Strain gauge PENDAHULUAN Di industri khususna pada bagian boiler, kondesor, evaporator, reaktor nuklir, pencairan gas, dan lain-lain aliran dua fasa cair gas banak dijumpai. Omar dkk (2003), menjelaskan, tingkat kompleksitas aliran ini bukan hana disebabkan oleh banakna variabel ang terlibat, tetapi juga karena pada aliran dua fasa terdapat dua parameter baru aitu; fraksi hampa dan pola aliran. Riverin dkk (2006), mendapatkan satu efek ang muncul pada aliran dua fasa berkaitan dengan pola aliran adalah adana fluktuasi aliran karena bercampurna fasa gas dan fasa cair ang tidak homogen sehingga densitas aliran pun tidak homogen ang dapat menimbulkan fluktuasi gaa (fluctuating forces) dan faktor lainna. Fluktuasi aliran dipengaruhi oleh pola aliran ang terbentuk. Sedangkan pola aliran berhubungan dengan kualitas uap dan fraksi hampa. Fluktuasi aliran ang terjadi terus menerus pada percabangan pipa akan memberikan beban impak secara acak pada titik percabangan tersebut, Wang dkk (2002). Proses ini mirip dengan peristiwa water hammer. Beban impak secara acak ini akan menghasilkan getaran (flow-induced vibration) pada pipa. Akibat pembebanan impak secara acak ang berlangsung terus menerus bisa menebabkan kerusakan pada pipa, terutama pada daerah diskontinu, seperti pada sambungan percabangan, dan belokan, Ugural dkk, (1999). Kerusakan pada pipa disebabkan oleh patah lelah (fatigue) ang terjadi akibat pembebanan siklus dalam waktu ang cukup lama, dan fretting-wear, aitu penipisan permukaan material akibat kontak dua material solid ketika terjadi gerak osilasi dengan amplitudo kecil, Wang dkk (2002). Hasil penelitian sebelumna menunjukkan bahwa, amplitudo getaran maksimum ang terjadi akibat fluktuasi aliran pada belokan pipa horizontal adalah pada saat pola aliran ang terbentuk sumbat liquid, Irsad (2009). Sementara pada dinding pipa pengecilan penampang amplitudo getaran maksumum terjadi pada pola aliran strata licin, Irsad (2009). 205

2 Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) Untuk mencegah dan mengatasi kegagalan pada pipa lurus perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui gaa ang bekerja pada dinding pipa akibat aliran dua fasa gas-cair. Diharapkan informasi hasil penelitian ini bisa bermanfaat untuk memprediksi getaran pada dinding pipa lurus dengan diameter dan material ang berbeda. METODE Pengujian dilakukan pada sistem pengujian aliran dua fasa, dimana dinding pipa horizontal dilengkapi strain gauge sperti pada gambar 1. Gambar 1. Skema instalasi pengujian Keterangan Gambar 1: 1) FM-U : Flowmeter udara untuk mengetahui dan mengatur debit udara ang akan masuk ke tabung pencampur (TP) 2) FM-A : Flowmeter air untuk mengetahui debit air ang akan masuk ke tabung pencampur (TP) 3) KB-1 : Katup bola sebagai bpass 4) KB-2 : Katup bola berfungsi mengatur debit air ang akan dilewatkan ke flowmeter air 5) TP : Tabung pencampur berfungsi untuk mencampurkan aliran udara dan aliran air agar diperoleh aliran dua fasa ang bercampur dengan baik 6) PJ : Pipa penjebak pada metode katup menutup cepat, berfungsi untuk mengukur fraksi hampa dimana pada bagian atas dan bagian bawahna terdapat lubang 7) LB : Lubang pada bagian atas dan bagian bawah pipa penjebak ang berfungsi untuk mengeluarkan fluida cair angterjebak 8) Seksi uji BPH : Seksi uji pipa horizontal, sebagai seksi uji momentum ang akan ditinjau 9) R-1 dan R-2 : Reservoar 1 dan reservoar 2 berfungsi sebagai tangki penampungan air dan sirkulasi aliran 10) Pompa : Digunakan untuk mengalirkan air ang digunakan dalam penelitian 11) Kompressor : Digunakan untuk mengalirkan udara. Alat ang digunakan untuk mengukur regangan adalah sensor strain gauge ang khusus digunakan untuk mengukur perubahan regangan ang terjadi pada 206

3 Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) pipa. Untuk jenis pipa plastic (PVC) menggunakan sensor strain gauge tpe GFCA-3-50 seperti ang terlihat pada Gambar 2. Penggunaan interface Amplipier ang berfungsi sebagai power suppl sensor, penguat sinal sensor dan socket interface sebagai penghubung ke set komputer dapat dilihat pada Gambar 3 dan kemudian data regangan akan ditampilkan berupa grafik pada sebuah monitor. Gambar 2. Strain gauge Gambar 3. Interface Amplifier Strain gauge digunakan untuk mengukur perubahan regangan mekanik ang direkatkan ke objek, dan akan memberi perubahan tahanan ketika objek diberi beban. Gambar 4. Posisi strain gauges pada seksi uji Perubahan dimensi pipa (panjang dan diameter) akan meningkatkan tahanan karena persamaan tahanan listrik pada suatu konduktor adalah l R (1) A dengan : R tahanan 207 l A tahanan jenis panjang luas penampang Sedangkan untuk hubungan antara perubahan tahanan dan regangan pada strain gauge ditunjukkan dengan: Di mana a a L L R R G f (2) adalah regangan aksial, L adalah panjang nominal dari strain gauge, R adalah tahanan nominal dari strain gauge dan G adalah gauge factor. L f dan R adalah perubahan panjang dan perubahan tahanan strain gauge. Tegangan (stress) di defenisikan sebagai gaa F persatuan luas A. pada dasarna tegangan ang terjadi disebabkan oleh dua hal aitu tarikan ang disebut tegangan tarik, dan tekan ang disebut tegangan tekan. Untuk batang atau pipa ang homogen tegangan ang terjadi dikatakan tegangan terbagi rata. Besar dapat dihitung dengan persamaan:

4 Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) F A (3) Besar regangan ang terjadi pada batang atau pipa dapat lansung di ukur dengan mengunakan sebuah sensor strain gauge ang mampu mengukur dengan akurat. Analisis pengukuran regangan ang terbaca pada pada sensor strain gauge dengan menggunakan prinsip tegangan triaksial, seperti ang ditunjukkan pada persamaan 4. 1 v E (4) 1 E Maka nilai tegangan diperoleh dengan persamaan : (1 (1 E v E HASIL DAN PEMBAHASAN 2 2 ) ) v (5) Data hasil penelitian ini berupa regangan dari empat strain gauge ang dipasang. Gaa ang bekerja pada pipa akibat tekanan fluida didapat setelah menghitung tegangan normal dari regangan ang terbaca strain gauge. Gaa ang bekerja pada pipa akibat aliran dua fasa gas-cair diantarana adalah gaa tumbukan (impact) dan gaa geser, pada penelitian ini gaa ang dapat diketahui pada pipa aitu gaa pada dinding atas dan pada dinding samping sesuai sengan posisi sensor, sensor 1 diposisikan pada dinding bagian samping dan gaa ang didapat adalah F1, F2,dan F12. Dimana F1 adalah gaa ang bekerja dalam arah radial, dan F2 gaa ang bekerja dalam arah Y serta F12 adalah gaa geser. sedangkan sensor 2 ditempatkan pada dinding bagian atas dengan gaa ang didapat adalah F3, F4, dan F34. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar ,08 0, Gambar 5. Grafik gaa ang tejadi pada pipa horizontal. Dari kesemua gaa ang diakibatkan oleh aliran dua fasa gas-cair pada pipa horizontal, ang mempunai pengaruh ke getaran aitu F1 dan F3, karena masingmaaing gaa tersebut merupakan gaa ang langsung menumbuk dinding pipa. Fluktuasi Gaa ang terjadi pada dinding pipa horisontal berdasarkan hasil pengolahan data dapat dilihat dalam bentuk grafik fluktuasi gaa dengan koordinat untuk waktu dan untuk gaa. Fluktuasi gaa ang terjadi pada dinding pipa horizontal adalah acak, tidak harmonik. Dimana grafik tersebut merupakan fungsi acak terhadap waktu, ang nilai sesaatna selalu berubah pada titik ang sama dan dengan tren ang sama pula (nilai gaa tersebut akan terulang pada waktu ang berbeda pada titik ang sama). Ketidakharmonikan ini timbul akibat adana ketidakstabilan aliran atau osilasi aliran, baik karena ketidakhomogenan densitas aliran, fluktuasi tekanan aliran turbulen, maupun waktu dan besar tumbukan gelombang ang tidak seragam. Hal ini terbukti dengan hasil pengolahan data bahwa fluktuasi gaa pada dinding menunjukan nilai ang berbeda-beda untuk setiap variasi. Pada penelitian ini, gaa ang mempunai pengaruh terhadap terjadina getaran akibat ketidakstabilan aliran adalah gaa ang langsung menumbuk dinding pipa dalam arah tegak lurus, seperti ang terlihat pada Gambar 6. F1 F2 F3 F4 F12 F34 208

5 Gaa (N) Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) 209 F4 F3 F1 Gambar 6. Arah vektor gaa pada pipa horizontal Pada pegujian ini gaa ang di8hitung pada dinding pipa adalah F1 dan F3, dimana F1 adalah gaa tumbukkan pada dinding sisi samping dan F3 adalah gaa tumbukkan pada dinding sisi atas pipa. Berdasarkan hasil pengolahan data ang ada terbukti bahwa hampir semua variasi menunjukan angka gaa tumbukkan tertinggi pada dinding pipa sisi atas aitu F3. Dari hasil fluktuasi gaa tersebut dilihat pengaruhna terhadap pola aliran, fraksi hampa dan kecepatan aliran Berdasarkan hasil pengamatan terhadap visual pola aliran dan fluktuasi gaa ang terjadi. Masing-masing pola aliran ang terbentuk memberikan respon ang berbeda. Dan pada analisis disini hana ditampilakan untuk fluktuasi gaa ang terbesar saja dari setiap variasi debit air. Dari beberapa pola aliran aktual ang terjadi diperoleh pengaruh terhadap fluktuasi gaa adalah; pola aliran gelembung, pola aliran kantung, pola aliran strata licin, pola aliran strata gelombang dan pola Pola Aliran Gelembung (Bubble) F2 Pola aliran gelembung terjadi pada kondisi aliran ang relatif stabil aitu pada saat debit udara ang kecil, dan gaa ratarata terbesar terjadi pada variasi debit air 15 lpm dan udara 3 lpm angdapat dilihat pada Gambar 7. Dimana gaa maksimumna sebesar 469 N dengan fraksi hampa 7. Hal ini terjadi karena gelembung udara menempati ruang tengah dari penampang pipa sehingga gaa tumbukkan ang terjadi di dinding pipa diakibatkan oleh air ang mempunai massa jenis ang lebih besar.. Dan untuk variasi ang lain terjadi ketidakstabilan aliran ang menebabkan gaa tumbukkan pada dinding pipa lebih berfluktuatif karena pada titik ang sama tumbukkan terjadi akibat udara dan pada waktu ang berbeda tumbukkan terjadi diakibatkan oleh air umumna terjadi akibat dari ketidakstabilan muka-batas kedua fasa dan selain ketidakstabilan aliran, peningkatan fluks massa total aliran (G tot ) juga mempengaruhi peningkatan fluktuasi gaa karena laju massa atau debit dan fluks massa total aliran memiliki hubungan ang berbanding lurus terhadap gaa impak aliran pada dinding pipa. 4 Gambar 7. Grafik fluktuasi gaa pada aliran gelembung (bubble). Pola ailiran kantung gas (plug) V 5-3 V 10-3 V 15-3 V 20-3 V 25-3 V 30-3 V 35-3 Pola plug-tunggal merupakan transisi gelembung sehingga memiliki ketidakstabilan dan fluks massa total ang lebih besar daripada pola gelembung pada debit air ang sama. Oleh karena itu, getaran ang ditimbulkan pun lebih besar. Pada Gambar 8, terlihat bahwa semakin tidak stabil pola aliran plug dan semakin besar fluks massa aliran, maka fluktuasi gaa ang dihasilkan semakin besar. Fluktuasi gaa terbesar ang terjadi akibat pola ini adalah 43 N dengan fraksi hampa Namun berdasarkan hasil penelitian ang diperoleh terlihat

6 Gaa (N) Gaa (N) Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) bahwa terjadi penurunan fluktuasi gaa ketika ketidakstabilan aliran menurun ang ditandai dengan bentuk pola plug ang lebih kecil, muka-batas fasa air-udara lebih licin. Dari gambar tersebut juga terlihat gaa impak terbesar terjadi pada variasi debit air 25 lpm dengan debit udara 15 lpm, namun nilaina relatif tidak terlalu berbeda (stabil). Hal ini disebabkan karena variasi ini mampu membentuk kantung gas ang lebih besar, dibanding dengan variasi ang lain untuk pola aliran plug, dan kantung gas ang terbentuk tersebut lebih besar kemungkinanna untuk menumbuk dinding pipa, sehingga gaa ang ditimbulkan lebih besar. Sedangkan gaa ang berfluktuatif terjadi pada debit air lpm, terjadi karena perbandingan laju massa gas terhadap laju masa total dalam saluran lebih kecil, oleh sebab itu fluida ang memberikan tumbukkan pada dinding pipa saling silih berganti. Dengan maksud bahwa terjadi pergantian beban penumbuk (indentor) dari air menjadi gas atau sebalikna ang memberikan beban impak pada dinding pipa. Sehingga terlihat gaa ang ditimbulkan lebih berfluktuatif. strata licin terjadi pada rasio kecepatan superfisial gas terhadap air bekisar antara 5 hingga 10. peningkatan aliran gas akan menimbulkan gelombang batas-muka (interfacial waves) dan pemecahan pola (breakdown of regime). Pada penelitian ini pola aliran strata licin tidak tunggal melainkan selalu beiringan dengan aliran sumbat (slug). Pada awalna strata licin terbentuk dari pecahan aliran kantung gas akibat adanna penambahan debit gas. Pada Gambar 9 terlihat bahwa gaa pada aliran strata licin berkisar antara 0,004 N hingga 1 N. 4 V 5-35 V 5-40 V 5-45 V 5-50 Gambar 9. Grafik fluktuasi gaa pada aliran strata licin (stratified) ,08 0, Gambar 8. Grafik fluktuasi gaa pada aliran Kantung gas (plug) Pola aliran Strata licin ( stratified ) V V V V V V Pada penelitian ini pola aliran strata licin terjadi pada debit air rendah dan udara tinggi. Aliran ini dicirikan dengan aliran cair mengalir pada bagian dasar saluran dengan aliran gas di atasna. Kedua fasa ini terpisah sempurna. Aliran Pola aliran strata gelombang (stratified wav) Aliran strata gelombang terjadi karena besarna kecepatan udara menimbulkan ketidakstabilan pada muka-batas fasa airudara sehingga terbentuk tonjolantonjolan ang terus berkembang menjadi gelombang dengan peningkatan kecepatan udara. Oleh karena itu, aliran strata ini disebut strata gelombang. Pola strata gelombang (stratified wav) tidak terjadi sendiri, tetapi selalu beriringan dengan pola aliran ang lain. Dari Gambar 10, terlihat bahwa gaa ang terbesar terjadi pada aliran strata gelombang ini adalah pada variasi air-udara 25 lpm dan 35 lpm hingga mencapai 2N. Hal ini terjadi karena pada kondisi tersebut rasio kecepatan superfisial udara terhadap air lebih tinggi sehingga tumbukkan ang 210

7 Gaa (N) Gaa (N) Gaa (N) Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) diterima dinding pipa lebih besar dalam batas selisih debit udara dengan air tidak lebih dari 10 lpm. Variasi debit air-udara 10 lpm dan 25 lpm menunjukkan angka terendah tetapi mempunai sifat tidak stabil ang selalu berfluktuasi. Ini terjadi karena perbedaan debit ang tidak terlalu besar sehingga aliran strata gelombang acak V V V V V V ,08 0,04 0 Gambar 10. Grafik fluktuasi gaa pada aliran strata gelombang (stratified) Pola aliran sumbat liquid (slug) V V V V V V Aliran sumbat liquid (slug), ang ditandai dengan amplitudo gelombang ang besar hingga menentuh bagian atas saluran. Sehingga fluktuasi gaa ang terbentuk pun lebih bervariatif bekisar ar - N hingga N seperti ang terlihat pada Gambar 11. Akibat fluktuasi aliranna makin tidak teratur dimana amplitudo gelombang sering menentuh bagian atas pipa dengan kecepatan aliran dan debit udara ang besar. Aliran sumbat liquid sangat berpengaruh terhadap fenomena getaran ang terjadi. Gambar 11. Grafik fluktuasi gaa pada aliran sumbat liquid (slug) Secara keseluruhan fluktuasi gaa ang terbentuk akibat ketidakstabilan aliran dua fasa pada dinding pipa horizontal maksimum terjadi pada pola gelembung dengan nilai mencapai 43 N, namun tidak merata untuk semua pola aliran gelembung dengan tren lebih stabil. Sedangkan untuk fluktuasi gaa ang mempunai amplitudo ang lebih besar terdapat pada aliran sumbat liquid (slug), seperti ang terlihat pada Gambar ,08 0,04 0 gelembung Kantung gas S.Licin S.gelombang Sumbat Liquid Gambar 12. Grafik fluktuasi gaa pada masing-masing pola aliran. Jika dibandingkan dengan gaa ang terbentuk pada kondisi tanpa gas (kondisi air penuh / satu fasa) maka terlihat bahwa gaa ang terbentuk pada aliran satu fasa lebih besar dibanding dengan dua fasa seperti ang ditunjukan Gambar 13. Hal ini terjadi karena aliran satu fasa (fasa cair) mempunai massa jenis ang 211

8 Gaa (N) Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaa Pada Dinding Pipa Horizontal (Muhammad Irsad) besar sehingga memberikan efek gaa ang besar pula. Namun gaa pada aliran tersebut tidak befluktuatif dan relatif stabil, sehingga tidak akan memberikan efek getaran pada pipa ang dilewatina. 0,35 0,3 0,25 0,2 5 0,05 Gambar 13. Grafik fluktuasi gaa pada aliran satu fasa KESIMPULAN Kondisi Penuh (satu Fasa) lpm 20 lpm 10 lpm Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa gaa terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung (Bubble) aitu sebesar 43 N ang nilaina relatif stabil, sedangkan pada pola aliran sumbat liquid lebih menunjukkan gaa ang ditimbulkan lebih berfluktuasi dibanding dengan pola aliran ang lain. Junction, J. of Multiphase Flow Vol Ugural, A Stresses in Plates and Shells 2 nd Edition. McGraw-Hill Int. Edition. Singapore. Irsad, M., 2009, Pengaruh Pola Aliran Fluida Gas-Cair Terhadap Getaran Pada Belokan Pipa Horizontal, Proceeding Seminar Nasional Mesin & Industri (SNMI5) Universitas Tarumanegara, Jakarta, 8 Oktober, Irsad, M., 2009, Pengaruh Pola Aliran Fluida Gas-Cair Terhadap Getaran Pada Pengecilan Penampang Pipa Horizontal, Proceeding Temu Nasional Dosen Teknik (TINDT) VIII, Universitas Tarumanegara, Jakarta, 25 November, III-18 III-26. DAFTAR PUSTAKA Omar, A., Mitra, D., & Adinolfi, P., Development of Design Criteria for Fluid Induced Structural Vibrations in Steam Generators and Heat Echangers, Final Technical Report, Department of Mechanical and Aerospace Engineering Universit of California. USA. Riverin, J.L., de Langre, E., & Pettigrew, M.J., 2006, Fluctuating Forces caused b Internal Two-Phase Flow on Bend and Tees, J. of Sound and Vibration, Vol Wang, S.F., Ozama, M., & Shoji, M., 2002, Fluctuating of Gas-liquid Two-Phase Flow Through an Impacting T- 212