Eksperimental Karakterisitik Pressure Drop pada Aliran Dua Fase Gas-Cairan Melewati Pipa Vertikal

Transkripsi

1 Eksperimental Karakterisitik Pressure Drop pada Aliran Dua Fase Gas-Cairan Melewati Pipa Vertikal Priyo Heru Adiwibowo Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Negeri Surabaya apriyoheru@gmail.com Abstrak Karakteristik aliran dua fase selalu menarik untuk dikaji karena fenomena-fenomena yang diakibatkannya. Aliran dua fase adalah merupakan bagian dari aliran multi fase. Penggunaan pipa vertikal sangat luas seperti pada sistem transportasi perpipaan karena fleksibiltasnya untuk jaringan dan distribusi. Pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan pipa vertikal terhadap karakteristik pressure drop pada aliran dua fase gas-cairan. Penelitian yang dilakukan secara eksperimental mengunakan pipa transparan dengan diameter dalam 36 mm pada pipa vertikal serta air sebagai fluida kerja cairan dan udara sebagai fluida kerja gas. Variasi yang dilakukan adalah kecepatan superficial cairan antara dari 0,3 m/s 0,11 m/s dan β adalah 0,05 0,2. Pengukuran pressure drop pipa vertikal diukur dengan menggunakan manometer U. Dari hasil penelitian dapat diperoleh kesimpulan bahwa pressure drop aliran satu fase pada pipa vertikal akan semakin meningkat dengan semakin besar bilangan Reynolds superficial cairan (Re sl ). Sedangkan pressure drop pada aliran dua fase lebih rendah dibanding aliran satu fase. Untuk aliran dua fase dengan peningkatan bilangan Reynolds superficial gas (Re sg ) atau semakin tinggi kualitas volumetrik gas (β) maka pressure drop di bidang uji vertikal menurun pada setiap bilangan Reynolds superficial cairan(re SL ). Kata kunci: pipa vertikal, aliran dua fase gas-cairan, pressure drop Abstract Experimental Investigation of Gas-Liquid Two Phase Flow Characteristics in Vertical Pipe. The flow characteristic two phase flow is interest to be studied. Multi-phase flows are widely encountered in several engineering and industrial facilities, such as conventional steam power plants, evaporators and condensers, pressurized-water nuclear reactors, a wide variety of petroleum industries, chemicals and food processing industries. Surely, in the complex pipeline installation of these systems, vertical pipe will be commonly used for pipe connection. The purpose of this work is to investigate the pressure drop of gas-liquid two phase in the vertical pipe. Experiments will be performed in a 36 mm ID acrylic pipe vertical. Superifical liquid velocities and volumetric gas quality will be varied 0.3~1,1 m/s and 0.05~0.2 respectively. A water U-manometer set which has total of 18 pressure taps was used to measure pressure gradients in vertical pipe. The research showed that pressure drop of single phase flow in vertical test section increases with superficial liquid Reynolds number. Pressure drop of gas-liquid two phase more than low single phase flow. Pressure drop of gas-liquid two phase decreases for every superficial liquid Reynolds number with increases superficial gas Reynolds number or volumetric gas quality. Key words: Gas-liquid two-phase flow, pressure drop, vertical pipe 1. Pendahuluan Aliran dua fase adalah kasus yang paling sederhana dari aliran banyak fase. Disamping itu juga ada istilah aliran dua komponen. Aliran ini menggambarkan aliran yang fasenya tidak terdiri dari substansi kimia yang sama. Sebagai contoh, aliran uap air (H 2 O) gas air (H 2 O) likuid adalah aliran dua fase, sedangkan aliran udara-air adalah dua komponen. Kadang-kadang aliran cairan-cairan juga disebut aliran dua fase, fase disini menunjukkan mana komponen yang kontiniu dan mana yang tidak kontiniu Aliran dua fase adalah merupakan bagian dari aliran multi fase mempunyai fenomena yang sangat 65

2 kompleks dibanding pada aliran satu fase diantaranya adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan dan pergerakan antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan flow patern dan lain sebagainya. Tidak kecuali juga pressure drop pada aliran dua fase yang saat ini menjadi ketertarikan dalam penelitian. Pada aliran satu fase, pressure drop dipengaruhi oleh Reynold number yang merupakan fungsi dari viskositas, berat jenis fluida dan diameter pipa. Sedangkan pada aliran multiphase didalam saluran tertutup (pipa) tidak hanya dipengaruhi oleh Reynold number tetapi fase-fase yang bercampur didalamnya mempunyai pengaruh yang signifikan. sehingga akan terdapat banyak flow regime (flow patern) yang terbentuk dalam saluran tersebut akibat interaksi antar fase fluida tersebut. Aliran yang mengalami perubahan flow patern (flow regime) dapat menyebabkan pressure drop yang berubah-ubah pula atau berfluktuasi. Oleh karena itu untuk mengetahui karakteristik pressure drop pada aliran dua fase yang terjadi sepanjang aliran pipa vertikal. Banyak penelitian yang telah dilakukan yang berhubungan dengan pressure drop pada aliran dua fase pada pipa vertikal dan horizontal. Secara umum parameter parameter yang diperhatikan diantaranya debit fluida cair dan gas, viskositas fluida, flow patern, tegangan geser antar fase dan konfigurasi pipa. Chi-Chung Wang (2002) meneliti pengaruh return bend ( U tube ) pada aliran dua fase air udara dengan diameter dalam (ID) 6,9 dan 3 mm. Pada D = 6,9 mm dan mass flux of 50 kg/m 2 s mempunyai quality (x) kurang dari 0,1, tidak ada pengaruh pada flow patterns pada larger curvature ratio 7,1. Sedangkan pada curvature ratio kurang dari 3, perubahan flow pattern pada recovery region adalah kadang berubah dari stratified flow ke annular flow. Tetapi fenomena ini terjadi lagi ketika quality meningkat pada 0,3. Fenomena perubahan flow pattern bersifat temporary dari stratified flow menuju annular flow yang terjadi lagi ketika diameter tube diameter kurang 3 mm. Penelitiannya hanya tentang flow patern, tidak memberikan informasi tentang karateristik pressure drop pada aliran dua fase yang melewati return bend. Benard (2006) meneliti aliran dua fase melewati elbow 90 0 pada pipa vertikal menuju pipa horizontal 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 vertical lurus tanpa adanya gangguan belokan. Sedangkan horizontal outlet tangent memberikan hasil yang sesuai dengan literature pada umumnya. Sebuah korelasi empiris untuk pressure drop pada elbow dihasilkan dari persamaan Reynold number. Penelitiannya hanya untuk R/D=0,6539 dan terbatas untuk range of Re SG = dan Re SL = Saisorn (2007) menemukan sebuah investigasi pada karakteristik-karekteristik aliran dua fase (flow pattern, void fraction dan pressure drop) dalam sebuah micro circular channel dengan diameter 0,53 mm. Bentuk-bentuk two-phase flow termasuk slug flow, throat-annular flow, churn flow dan annular-rivulet flow telah diobservasi. Eksperimen-eksperimennya juga menunjukkan bahwa tidak ada perbedaanperbedaan yang signifikan dalam data dari penggunaan udara atau gas nitrogen, dan air atau de-ionized water sebagai fluids aktif. Ini bisa jadi karena tidak ada perubahan properties fluid dan diameter pipa. Penelitiannya menginformasikan tentang flow patern, void fraction dan pressure drop tetapi pada diameter pipa sangat kecil. Karayiannis (2006) meneliti pengaruh dari diameter pipa untuk flow patern aliran dua fase vertikal. Dengan variasi diameter dalam (ID) yang digunakan yaitu :1.10, 2.01, 2.88 and 4.26 mm. Fluida kerja cairannya adalah R134a. Penelitiannya menginformasikan tentang flow patern dan pressure drop tetapi pada diameter pipa sangat kecil. Dari banyak penelitian yang telah dilakukan dan dipublikasikan mengenai karakteristik-karakteristik aliran dua fase untuk mempelajari fenomena aliran dua fase flow patern, void fraction dan pressure drop telah dilakukan investigasi dengan membuat modelmodelnya dan korelasi yang telah dikembangkan untuk flow patern transisi, presure drop dan distribusi void fraction dalam pipa horisontal, vertikal dan miring dengan beragam dimensi. Tetapi dari banyak studi tentang aliran dua fase yang dijelaskan sebelumnya fenomena pengamatan secara eksperimen karakteristik pada pipa vertikal tentang pressure drop masih terbatas informasinya. Dalam penelitian ini dengan cara menambahkan ruang lingkup sebelumnya diharapkan dapat mengetahui bagaimana aliran dua fase pada pipa vertikal terhadap pressure drop dapat dikarakteristikkan. Dengan menggunakan air sebagai fluida kerja cairan dan udara sebagai fluida kerja gas. 2. Metode Penelitian Dalam penelitian aliran dua fase secara eksperimen ini skema penelitiannya dapat dilihat pada Gambar 1. Untuk melaksanakan eksperimen peralatan yang digunakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Itu terdiri dari tangki air, pompa sentrifugal, sistem aliran, water accumulator, test section, gas-cairan separator dan gas supply system. Test section terdiri dari dua bagian yang terbuat dari pipa akrelik dengan diameter dalam 36 mm, yaitu : vertikal sepanjang 2 m. Air dan udara akan bercampur dalam test section. Udara dari kompresor akan diinjeksikan ke test section 66

3 melalui injektor udara yang berbentuk annular dengan 18 lubang dengan diameter dalam 710 m. Laju alir cairan akan diukur menggunakan "Doppler" flow meter dan laju alir gas akan diukur dengan menggunakan rotameter tipe pelampung. Untuk mengetahui temperatur udara menggunakan termocouple yang terpasang pada outlet dari rotameter. Eksperimen akan dilakukan dengan variasi kecepatan superficial cairan antara 0,3 m/s ~ 1,1 m/s dan kualitas volumetrik gas antara 0,11~0,2 diduga akan menghasilkan pressure drop yang berbeda pada pipa vertikal. Pengukuran dari pressure drop akan dilaksanakan dengan menggunakan U-manometer tipe. Pressure taps yang terpasang pada pipa vertikal, 18 lokasi sepanjang pipa vertikal. Data penurunan tekanan dari 16 lokasi sepanjang pipa vertikal akan digunakan untuk menghitung global void fraction. Tabel.1 Properti fluida yang diambil dalam pengukuran pada temperatur rata-rata 30 C Fluida Density, Viscosity, (kg/m 3 ) (N.s/m 2 ) air udara Keterangan Gambar 1 Contoh evaluasi untuk Pressure Drop Untuk evaluasi eksperimental dari pressure drop pada aliran dua fase gas-cairan yang melewati pipa uji vertikal dihitung dengan persamaan sebagai berikut : p vertikal dimana, p vertikal Z 12 h 1, h 2 g 1. Tangki air 2. Pompa 3. Kompresor 4. Regulator system (by pass) 5. Rotameter 6. Chumber 7. Doppler flow meter 8. Annular air injector h h ] g [ Z = Pressure drop pada pipa uji vertikal N/m 2 = Elevasi antara pressure taps 1 2 m = Ketinggian level air dari monometer m = Percepatan gravitasi m s -2 = Densitas kg/m 3 Sebagai contoh untuk kondisi aliran dengan U SL = 0,3 m/s and =0,11 dihasilkan dari manometer dan elevasi dari pressure drop seperti yang dibawah ini : 1m 3 2 p vertikal [2,03m 32,3 48,9 cm ] 996kg / m 9,81m / s 100cm = 18230,98 N/m 2 3. Hasil dan Diskusi Gambar 1. Skema instalasi penelitian Karakteristik Pressure Drop pada Aliran Dua Fase Pengukuran pressure drop dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari pressure drop aliran dua fase pada pipa vertikal serta dibandingkan karakteritik pressure drop aliran dua fase dengan satu fase pada pipa uji yang sama sehingga didapat nilai p vertikal baik pada aliran dua fase maupun satu fase. Pada bagian ini ditunjukkan grafik perbandingan antara data eksperimental baik pada satu fase dan aliran dua fase dengan bilangan Reynolds superficial cairan. (Re sl ) yang berbeda serta juga data gabungan masing-masing variasi tersebut agar didapat informasi yang lebih jelas. 67

4 Pressure drop- ΔP 12(kPa) 22 21, , , , Re SL Gambar 2. Grafik Pressure drop dengan Re sl pada pipa vertikal pada aliran satu fase Pada Gambar 2 ditunjukkan pressure drop aliran satu fase pada pipa vertikal akan semakin meningkat dengan semakin besar bilangan Reynolds superficial cairan(re sl ). Hal ini karena pressure drop pada pipa vertikal dipengaruhi oleh elevasi atau ketinggian yang mempunyai kontribusi besar dari nilai pressure drop dibandingkan dengan faktor yang lain seperti faktor gesekan. Kebenaran ini menunjukkan bahwa peningkatan frictional pressure drop dengan meningkatnya kecepatan aliran akan membuat kecenderungan peningkatan pressure drop pada aliran untuk pipa vertikal. Eksperimental Pressure drop- ΔP12(Pa) ,11 0,13 0,15 0,18 0,2 Kualitas Volumetrik Gas, β ReSL= Gambar 3. Grafik Eksperimental Pressure Drop aliran dua fase pada kualitas volumetrik gas (β) dengan variasi Re sl (Re sg = 0 adalah satu fase hanya air) Sedangkan pada Gambar 3 di atas merupakan grafik pressure drop pada pipa vertikal untuk aliran satu fase dan dua fase dengan variasi bilangan Reynolds superficial cairan (Re sl ) dan variasi volume fraction (β) yang secara keseluruhan terjadi penurunan pressure drop pada aliran dua fase. Pada grafik tersebut didapat bahwa pressure drop aliran dua fase lebih rendah dibanding aliran aliran satu fase. Dengan peningkatan Re sl akan meningkatkan pressure drop pada aliran satu fase karena pengaruh elevasi menjadi factor 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. Hal itu terlihat dengan semakin tinggi bilangan Reynolds superficial gas (Re sg ) ataupun semakin tinggi kualitas volumetrik gas (β) maka akan semakin rendah pula pressure drop aliran dua fase pada pipa vertikal. Pada tiap Re sl dapat kita lihat bahwa pada volume fraction (β) yang besar terjadi penurunan pressure drop dibanding volume fraction (β) yang kecil. 4. Kesimpulan Karakteristik Pressure Drop Melewati Pipa Vertikal 1. Kecenderungan pressure drop meningkat dengan lancar (smoothly) dengan meningkatnya bilangan Reynolds superficial cairan(re SL ) pada pipa uji vertikal. 2. Pressure drop aliran dua fase lebih rendah daripada aliran satu fase. 3. Pada aliran dua fase peningkatan bilangan Reynolds superficial gas (Re SG ) atau semakin tinggi kualitas volumetrik gas (β) menyebabkan penurunan pressure drop pada setiap bilangan Reynolds superficial cairan (Re SL ). Daftar Pustaka 1. Angeli P, 2006, Upward and Downward Inclination Oil-Water Flow, International Journal of Multiphase Flow 32, hal Benard E, 2006, Gas Liquid Two Phase Flow through a Vertical 90 Elbow Bend, Experimental Thermal and Fluid Science 31, hal Boyun Guo, 2005, Offshore Pipelines, University of Louisiana at Lafayette 4. Chan Y. Ching, 2007, Development of Two- Phase Flow Downstream of a Horizontal Sudden Expansion, International Journal of Heat and Fluid Flow 29, hal Chi-Chung Wang, 2002, Influence of Horizontal Return Bend on the Two-Phase Flow Pattern in 68

5 Small Diameter Tubes, Experimental Thermal and Fluid Science 28, hal Karayiannis T.G, 2006, The Effect of Tube Diameter on Vertical Two-Phase Flow Regimes in Small Tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer 49, hal Kawaji M., 2002, Investigation of Two-Phase Flow Pattern, Void Fractionand Pressure Drop in a Micro Channel, International Journal of Multiphase Flow 28, hal Seungjin Kim, 2007, Geometric Effects of 90- degree Elbow in the Development of Interfacial Structures in Horizontal Bubbly Flow, Nuclear Engineering and Design 237, hal Seungjin Kim, 2008, Two Phase Minor Loss In Horizontal Bubbly Flow With Elbows: 45 o And 90 o Elbows, Nuclear Engineering and Design xxx, NED-5167, No Sira Saisorn, 2007 Flow pattern, void fraction and pressure drop of two-phase air water flow in a horizontal circular micro-channel, Experimental Thermal and Fluid Science 32, hal Somchai Wongwises, 2005 Flow pattern, pressure drop and void fraction of two-phase gas liquid flow in an inclined narrow annular channel, Experimental Thermal and Fluid Science 30, hal Taylor dan Francis, 2006, Multiphase Flow Handbook, 13. Tekna, 2005, Handbook of Multiphase Flow Metering, Triyogi Yuwono, 2005 Pengukuran global void fraction pada plane poisuille bubbly flow dengan metode gradien tekanan, jurnal Iptek ITS, Vol.6, No 2, hal

6 70