KARAKTERISTIK HIDRAULIK ALIRAN DUA FASA PADA PIPA KAPILER

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK HIDRAULIK ALIRAN DUA FASA PADA PIPA KAPILER Basri 1 1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Tadulako Abstrak Penelitian ini bertujuan (1) Mendapatkan karakteristik hydraulic, yaitu koefisien gesek dala hubungannnya dengan bilangan Reynolds aliran dua fasa pada pipa kapiler,() Hubungan antara koefisien gesek dengan bilangan Reynolds untuk aliran dua fasa pada pipa kapiler. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratoriu Teknik Pendingin Universitas Tadulako. Metode pengujian yang digunakan dala penelitian adalah pengujian secara eksperien. Pengabilan data dilakukan dengan engabil sejulah data pengujian langsung pada alat uji. Data dianalisis secara teoritis berdasarkan data pengujian eksperien. Hasil penelitian ini, yaitu bahwa hubungan antara koefisien gesek dengan bilangan Reynolds untuk aliran dua 0.86 fasa pada pipa kapiler adalah f Re. Kata kunci : Koefisien Gesek I. LATAR BELAKANG Salah satu bahan teknik yang berbentuk saluran yang endapat perhatian dewasa ini adalah saluran yang berdiaeter ikro. Hal ini disebabkan karena seakin sepitnya lahan yang dapat digunakan, jadi alat-alat yang diproduksi diusahakan epunyai diensi yang kecil tapi epunyai keapuan yang saa dengan alat-alat yang berdiensi besar. Pengujian tentang saluran yang berdiaeter ikro telah banyak dilakukan, terutaa untuk aliran satu fasa. Seperti yang dilakukan oleh Mala dan Li [5] yang elakukan ekperien untuk engetahui karakteristik pipa yang diaeter antara 50 μ sapai 50 μ dengan engalirkan air kedala pipa tersebut. Hasil dari eksperient tersebut adalah bahwa aliran transisi terjadi ada bilangan Reynolds antara 300 sapai 900, sedang aliran turbulen penuh terjadi pada bilangan Reynold 1000 sapai Xu et al [6] elakukan ekperiental dengan engalirkan air pada saluran ikro yang berdiaeter hidrolik antara 50 μ sapai 300 μ dengan bilangan Reynolds antara 50 sapai Hasil dari ekperient ini adalah bahwa tidak terjadi aliran transisi pada bilangan Reynolds antara 50 sapai 1500, dan untuk saluran yang berdiaeter hidrolik 100 μ keatas factor geseknya saa dengan teory yang dikeukakan oleh Hagen Poiseuille. Untuk elengkapi pengujian-pengujian di atas, aka perlu dilakukan pengujian karakteristik hidraulik aliran dua fasa, yaitu cair dan uap pada pipa kapiler. Selain itu epelajari aliran dua fasa sangat penting untuk perpindahan kalor dan ekanise aliran. Dengan tujuan untuk enggabarkan daya guna atau prestasi seperti penurunan tekanan, fraksi hapa, koefisien perpindahan panas dan assa [7].

2 Karakteristik Hidraulik Aliran Dua Fasa Pada Pipa Kapiler II. RUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, aka pengujian ini dititikberatkan pada asalah: 1. Bagaiana endapatkan karakteristik hidraulik, yaitu koefisien gesek aliran dua fasa pada pipa kapiler.. Bagaiana endapatkan hubungan antara koefisien gesek dengan bilangan Reynolds untuk aliran dua fasa pada pipa kapiler. III. TUJUAN Tujuan dari pengujian ini adalah endapatkan : 1. Karakteristik hidraulik, yaitu koefisien gesek aliran dua fasa pada pipa kapiler.. Hubungan antara koefisien gesek dengan bilangan Reynolds untuk aliran dua fasa pada pipa kapiler. IV. TEORI DASAR IV.1 Sifat Sifat Fisik Fluida 1. Viskositas Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus enerus) jika terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser itu. Tegangan geser adalah gaya geser dibagi dengan luas perukaan tepat bekerjanya gaya geser tersebut. Gaya geser adalah koponen gaya yang enyinggung perukaan. Diantara seua sifat sifat fluida, viskositas eerlukan perhatian yang terbesar dala epelajari aliran fluida. Viskositas adalah sifat fluida yang endasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Besar kecilnya viskositas fluida tergantung pada suhu fluida tersebut. Untuk fluida cair, akin tinggi suhunya, aka viskositasnya akin kecil, sedang untuk fluida gas, akin tinggi suhunya, aka viskositasnya akin besar. Viskositas fluida dibedakan atas aca yaitu : a. Viskositas utlak atau viskositas dynaik dengan sibol dan satuannya adalah kg.. s b. Viskositas kineatik dengan sibol dan satuannya adalah s. Densitas. Viskositas kineatik biasa juga disebut difusivitas oentu karena erupakan ukuran laju perpindahan oentu antara olekul-olekul fluida.[11] Densitas atau biasa juga disebut dengan kerapatan suatu fluida didefenisikan sebagai assanya per satuan volue. Sibol dari densitas adalah dengan satuan kg.[11] 3 IV. Penurunan Tekanan pada Pipa Berdasarkan hasil pengujian dari HGL. Hagen (1839), penurunan tekanan berubah secara linier dengan kecepatan (v) sapai kira kira 0,33 /s. 7

3 JIMT, Vol. 6, No., Nopeber 009 : Naun di atas sekitar 0,66 /s penurunan tekanan hapir sebanding dengan kuadrat kecepatan ( P v1.75) [15]. IV.3 Mesin Refrigerasi Mesin refregerasi adalah esin yang epunyai fungsi utaa untuk endinginkan zat sehingga teperaturnya lebih rendah dari teperature lingkungan. Koponen utaa dari esin refregerasi, yaitu copressor, kondensor, alat ekspansi, evaporator dan refrigerant sebagai fluida kerja. Skea sederhana dari esin refrigerasi dapat dilihat pada gabar dibawah ini: 3 Kondensor Katup ekspansi Kopressor 4 Evaporator 1 Gabar 1. Koponen utaa dari esin refrigerasi Untuk enganalisis esin refrigerasi, aka yang perlu diperhatikan adalah sifat sifat dari fluida kerjanya, seperti : 1. Suhu, yaitu enyatakan keadaan teral dari suatu bahan dan keapuannya untuk bertukar energy dengan bahan lain yang bersentuhan dengannya.. Tekanan, yaitu gaya noral (tegak lurus) yang diberikan oleh suatu fluida per satuan luas benda yang terkena gaya tersebut. 3. Kalor spesifik, yaitu julah energy yang diperlukan suatu bahan untuk enaikkan suhu satu satuan assa bahan tersebut sebesar 1 K. 4. Volue spesifik, yaitu volue yang diisi satu satuan assa [9]. Mesin refrigerasi yang berukuran kecil atau esin refrigerasi dengan kapasitas 10 kw ke bawah pada uunya enggunakan alat ekpansi pipa kapiler. Pipa kapiler uunya epunyai panjang 1 sapai 6 eter dengan diaeter dala 0,5 sapai. Cairan refrigerant easuki pipa kapiler dan engalir hingga tekanannya berkurang disebabkan oleh gesekan dan percepatan refrigerant. Sejulah cairan refrigerant berubah enjadi uap ketika engalir pada pipa kapiler ini. Perubahan fase ini terjadi akibat adanya penurunan tekanan dan teperatur pada fluida seentara entalphynya tidak turun, bahkan cenderung bertabah karena terjadinya perpindahan kalor dari lingkungan ke fluida sebab teperatur lingkungan lebih tinggi dari pada teperatur fluida. Keuntungan enggunakan pipa kapiler adalah bahwa pipa kapiler epuyai bentuk yang sederhana, tidak ada bagian-bagian yang yang bergerak dan tidak ahal serta pipa kapiler juga eungkinkan tekanan dala sisti erata selaa sisti tidak bekerja sehingga otor penggerak 73

4 Karakteristik Hidraulik Aliran Dua Fasa Pada Pipa Kapiler kopressor epunyai oen gaya awal yang kecil. Sedang kerugian jika enggunakan pipa kapiler adalah bahwa pipa kapiler tidak dapat diatur terhadap beban yang berubah-ubah, udah terganggu oleh adanya penyubatan dan eerlukan pengisian refrigeran berada dekat batas. Persaaan dasar yang digunakan untuk peilihan pipa kapiler adalah sebagai berikut : 1. Kecepatan aliran refrigeran dala pipa kapiler Untuk endapatkan kecepatan aliran esin refrigerasi aka terlebih dahulu diukur tekanan stagnasi dan tekanan statiknya. Tekanan statik atau tekanan therodinaika pada persaaan Bernoulli adalah tekanan fluida yang diukur oleh alat yang bergerak bersaa dengan fluida. Kondisi ini sangat sulit diwujudkan. Naun dengan kenyataan bahwa tidak ada variasi tekanan pada arah penapang tegak lurus aliran, aka tekanan statik dapat diukur dengan ebuat lubang kecil pada dinding aliran sedeikian rupa sehingga subunya tegak lurus dinding aliran (wall pressure tap). Cara lain adalah dengan easang probe atau tabung pitot pada aliran fluida jauh dari dinding aliran seperti ditunjukkan gabar dibawah ini. Aliran Aliran P 0 P 0 P stag P stag Gabar. Wall pressure tap dan tabung pitot Pengukuran tekanan statis dilakukan oleh lubang kecil dibagian bawah dinding tabung. Tekanan Stagnasi adalah tekanan fluida yang diukur pada aliran fluida yang diperlabat sapai dia, v = 0 dengan kondisi aliran tanpa gesekan. Pengukuran tekanan stagnasi pada tabung pitot diukur oleh lubang kecil di ulut tabung yang akan tepat tegak lurus terhadap garis arus dari aliran. Untuk aliran tak apu apat dapat diterapkan persaaan Bernoulli pada kondisi tanpa perubahan ketinggian. Jika P0 adalah tekanan statik pada penapang dengan kecepatan fluida adalah v dan Pstag adalah tekanan stagnasi diana kecepatan stagnasi aliran fluida vstag = 0, aka dapat dihitung : P Suku kedua, v C Pstag vstag P0 v0 v 0 atau P P stag 0 v adalah tekanan dinaik yaitu tekanan akibat kecepatan fluida, yakni selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan statis. Dari persaaan 16, aka kecepatan aliran refrigerant adalah : 0 1) ) 74

5 JIMT, Vol. 6, No., Nopeber 009 : v0 Pstag P0 3). Laju aliran refrigerant ( ) diperoleh enggunakan persaaan :.A.v 4) 0 Diana : A = Luas penapang diana tabung pitot ditepatkan ( ) 3. Kecepatan rata rata refrigerant pada pipa kapiler (v) diperoleh dengan persaaan : v Diana :.A c 5) A = Luas penapang pipa kapiler ( ) Cara kerja esin refrigerasi yang ideal dapat digabarkan dengan diagra P H, yaitu : E k S p a n Pengebunan Penguapan Kopressi Gabar 3. Diagra P H V. METODE PENELITIAN Eksperien ini bertujuan untuk endapatkan karakteristik hidraulik aliran dua fasa pada pipa kapiler. Karakteristik hidraulik digabarkan oleh karakteristik koefisien gesek. Untuk 75

6 Karakteristik Hidraulik Aliran Dua Fasa Pada Pipa Kapiler endapatkan variasi paraeter paraeter tersebut di atas dilakukan dengan jalan erubah laju aliran assa refrigerant dengan cara engatur bukaan katup. Pengabilan data pada pengujian ini dilakukan dengan dua cara, yaitu engabil data secara langsung dan tidak langsung. Pengabilan data secara langsung, yaitu seua variable diukur langsung saat elakukan pengujian. Tahap tahap yang dilakukan dala elakukan pengujian adalah sebagai berikut : 1. Pasang alat pengukur tekanan stagnasi dan statis pada alat uji.. Pasang anoeter pada alat pengukur tekanan stagnasi dan statis. 3. Pasang pengukur teperatur (Tstag) dan tekanan (Pstag) pada tepat alat pengukur tekanan stagnasi dan statis dipasang 4. Alat uji dipasangi pengukur tekanan dan teperature pada titik 1,, 3 dan 4 (P1, T1, P, T, P3, T3 dan P4, T4) 5. Pasang alat pengukur teperatur (Theater) pada perukaan heater. 6. Pasang heater pada pipa kapiler keudian isolasi. 7. Sabungkan heater dengan pengatur tegangan. 8. Pasang pengukur teperatur pada perukaan isolasi bagian luar (Tiso bgn luar) dan isolasi bagian dala (Tiso bgn dala). 9. Alat uji dijalankan sapai aliran refrigerannya stabil 10. Catat tekanan dan teperature yang ditunjukkan oleh pengukur tekanan dan teperature. 11. Catat selisih tekanan stagnasi dan statisnya (ΔH). 1. Atur laju aliran refrigerant dan lakukan prosedur pengujian 10, 11. VI. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada pengujian ini diperoleh hasil hubungan antara koefisien gesek bilangan Reynolds rata rata (Re) pada pipa kapiler dala bentuk grafik dibawah ini. rata rata (f) dengan 0,008 0,006 0,004 0, Series1 Series Series3 Series4 Series5 Series6 Gabar 4. Hubungan antara koefisien gesek (f) dengan bilangan Reynolds (Re) Pada grafik di atas diperlihatkan 6 series. Series 1 sapai series 3 erupakan hasil dari Mc Ada dengan persaaan f Re, diana series 1 erupakan aliran yang diasusi berupa cairan, series erupakan aliran fasa dan series 3 erupakan aliran yang diasusi 76

7 JIMT, Vol. 6, No., Nopeber 009 : berupa gas. Series 4 sapai series 6 erupakan hasil sendiri yang diperoleh dengan cara statistik diana persaaan yang diperoleh, yaitu 0.86 f Re dan koefisien korelasi (R ) adalah 0.995, diana series 4 erupakan aliran yang diasusi berupa cairan, series 5 erupakan aliran fasa dan series 6 erupakan aliran yang diasusi berupa gas. Dari gabar 4 diatas terlihat bahwa akin besar bilangan Reynolds rata rata, aka koefisien gesek rata ratanya akin kecil. Hal yang enyebabkan ini terjadi adalah jika bilangan Reynolds rata rata akin besar, aka suhu refrigerant juga bertabah. Perubahan suhu ini terjadi karena jika bilangan reynolds rata rata bertabah berarti kecepatan aliran fluidanya juga bertabah yang enyebabkan laju perpindahan oentu olekulernya bertabah, sehingga pencapuran antara refrigerant panas dengan refrigeran dingin akin cepat. Seakin cepatnya pencapuran inilah yang enyebabkan suhu refrigerant bertabah. Dari tabel hasil perhitungan dapat dilihat bahwa untuk perubahan kecepatan rata rata refrigerant dari 3.79 s enjadi s, aka perubahan suhu refrigerant saat asuk pipa kapiler adalah dari C enjadi C. Berdasarkan [11] enyatakan bahwa sifat fisik fluida yang enyebabkan tahanan fluida terhadap tegangan geser adalah viskositas, diana nilainya sangat tergantung pada suhu fluida. Untuk fluida cair, aka akin besar viskositasnya akin besar pula tahanannya, deikian pula sebaliknya akin kecil viskositasnya akin kecil pula tahanannya. Dari gabar 4 di atas juga terlihat bahwa fasa cair lebih besar koefisien gesek rata ratanya dari pada fasa capuran, sedang fasa capuran lebih besar koefisien gesek rata - ratanya dari pada fasa gas. Hal ini terjadi karena fasa cair lebih besar viskositasnya dari pada fasa capuran, sedang fasa capuran lebih besar viskositasnya dari fasa gas. Dari software coolpack diperoleh untuk teperatur C, aka viskositas untuk fasa cair adalah 3.53 x 10-5 viskositas untuk fasa gas adalah 1.19 x 10-5 viskositasnya adalah 8.36 x 10-5 kg.s kg.s kg.s, sedang dan dari hasil perhitungan untuk dua fasa diperoleh Untuk bilangan Reynolds yang saa, aka fenoena kecendrungan garis koefisien gesek rata rata untuk hasil sendiri saa dengan kecendrungan garis koefisien gesek rata rata penelitian yang dilakukan oleh Mc Ada. Adanya perbedaan karena obyek penelitian yang berbeda, yaitu untuk penelitian sendiri obyeknya adalah aliran dua fasa sedang Mc. Ada obyeknya adalah aliran satu fasa. VII. KESIMPULAN Dari hasil penelitian diatas, aka dapat ditarik kesipulan, yaitu : 1. Makin besar bilangan Reynolds rata rata, aka koefisien gesek rata ratanya akin kecil.. Hubungan antara bilangan Reynolds rata rata dengan Koefisien gesek rata rata, yaitu f Re

8 Karakteristik Hidraulik Aliran Dua Fasa Pada Pipa Kapiler VIII. DAFTAR PUSTAKA 1. Bruce R. Munson, Donald F. Toung, Theodore H. Okiishi, Diterjeahkan Harinaldi., Budiarso., 003, Mekanika fluida, Penerbit Erlangga.. Ekadewi A., H., Agus Lukito, 00, Analisis Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Line Suction Terhadap Perforansi Mesin Pendingin, http ://puslit.petra.ac.id/journal/echanical/, vol. 4, Oktober Z.X.Li, D.X., Du, Z.Y. Guo, 000, Experiental study on flow characteristics of liquid in circular icrotubes, Proc. Of the Int. Conference of Heat Transfer and Transport Phenoena in icroscale, Banff, Canada, October Gh.M.Mala, D.Q.Li, 1999, Flow characteristics in icrotubes, int.j., Heat Fluid Flow 0, B.Xu, K.T.Ooi, N.T. Wong, C.Y. Liu, W.K. Choi, 1999, Liquid flow in icrochannel, Proc. Of the 5th ASME/JSME Joint Theral Engineering Conference, San Diego, California, March N.Henry. Ir. MT., 1998, Aliran Dua Fasa (Cair Gas), FTI Universitas Bung Hatta Padang. 7. Warren M.R.; Jaes P.H.; Young I.C.; 1998; Handbook of Heat Transfer; Third edition; MCGRAW_HILL 8. X.F. Peng, G.P. Peterson, 1996, Convective heat transfer and flow friction for water flow in icrochannel structures, Int. J. Heat Mass Transfer 39(1), Frank P. Incropera, David P. Dewitt, 1996, Introduction to Heat Transfer, third edition, John Wiley & Sons, New York. Chichester. Brisbane. Toronto. Singapore 10. Victor L.S.; E. Benjain W.; diterjeahkan Arko Prijono; 1996; Mekanika Fluida jilid I; edisi delapan; Penerbit Erlangga, Jakarta 11. D.Yu, R.Warrington, R.Barron, T.Aeel, 1995, An experiental ant theoretical investigation of fluid flow and heat transfer in icrotubes, in : ASME/JSME Theral Egineering Conference, vol. 1, ASME. 1. Monji. H., Matsui, G. and Saito, T., 1995, Pressure Drop Reduction of Liquid Particles Two Phase Flow with Nearly Equal Density, Proceeding of the th Interational Conf on Multiphase Flow, Kyoto, Japan. 13. X.F. Peng, B.X. Wang, 1993, Forced Convection and fluid flow boiling heat transfer for liquid flowing icrochannels, Int.J., Heat Transfer 36(14), Stoecker, W., Jones., 199, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi kedua, penerbit Erlangga, Jakarta 15. Raldi Artono Koestoer. DR. Ir., Sasanti Proborini., 199, Aliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis, PT. Pradnya Paraita 16. Watanabe, K., 1991, Hydraulic and Pneuatic Conveyances of solid Particles by a Spiral Tube, The fourth Korea Japan Powder Tecnology Seinar, pp

9 JIMT, Vol. 6, No., Nopeber 009 : Frank K.; Diterjeahkan Arko Prijono; 1986; Prinsip Prinsip Perpindahan Panas; Edisi ketiga; Penerbit Erlangga, Jakarta 18. Philip M.G.; Richard J.G.; John I.H.; 1985; Fundaentals of Fluid Mechanics; Second edition; Addison Wesley Publising Copany 79