FLUKTUASI GAYA PADA PIPA SAMBUNGAN T AKIBAT ALIRAN DUA FASA CAIR-GAS

Transkripsi

1 Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 FLUKTUASI GAYA PADA PIPA SAMBUNGAN T AKIBAT ALIRAN DUA FASA CAIR-GAS Muhammad Irsad Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Lampung Gedung H Fakultas Teknik, Jl. Prof. Soemantri Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung, Telp: (721) Fa: (721) Abstrak Aliran dua fasa memiliki ketidakstabilan karena pada satu saluran terdapat dua fasa ang berbeda, ang mengakibatkan gaa ang ditimbulkan setiap fasa berbeda-beda. Ketidakstabilan aliran dua fasa dapat mengakibatkan masalah keamanan pada komponen-komponen power, heat transfer, boiler, evaporator, reaktor nuklir maupun dalam berbagai sistem proses kimia, terutama pada percabangan tipe T. Untuk itu perlu mengetahui fluktuasi gaa pada dinding percangan pipa tipe T ang disebabkan oleh aliran dua fasa terutama cair-gas. Penelitian ini menggunakan aliran dua fase dengan variasi debit udara dan air aitu 3, 5, 1, 15, 2, 25, 3, 35, 4, 45, dan 5 lpm untuk udara serta 3, 5, 1, 15, 2, 25, 3, dan 35 lpm untuk air. Dan menggunakan strain gauge tipe GFCA 3-5 untuk membaca remangan ang terjadi pda pipa sambungan T. Hasil penelitian ini menunjukkan adana fluktuasi gaa akibat aliran dua fasa cair-gas dan memiliki nilai ang berbeda untuk setiap pola aliran. Dimana dari setiap pola aliran tersebut memiliki nilai gaa puncak ang berbeda-beda. Gaa terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung (bubble) akni 938 N Fluktuasi gaa ang besar terjadi pada pola aliran sumbat liquid (slug). Kata kunci: Cair-gas, gaa, pola aliran, pipa sambungan T PNDAHULUAN Aliran dua fase gas-cair banak dijumpai pada industri kimia dan nuklir, seperti pada boiler, kondesor, evaporator, reaktor nuklir, pencairan gas, dan lain-lain. Tingkat kompleksitas aliran ini bukan hana disebabkan oleh banakna variabel ang terlibat, tetapi juga karena pada aliran dua fase terdapat dua parameter baru aitu; fraksi hampa dan pola aliran [1]. Salah satu efek ang muncul pada aliran dua fase berkaitan dengan pola aliran adalah adana fluktuasi aliran karena bercampurna fase gas dan fase cair ang tidak homogen sehingga densitas aliran pun tidak homogen ang dapat menimbulkan fluktuasi gaa (fluctuating forces) dan faktor lainna [2]. 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 [3]. 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 [4]. 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 [3]. 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 [5]. Sementara pada dinding pipa pengecilan penampang amplitudo getaran maksumum terjadi pada pola aliran strata licin [6]. Untuk mencegah dan mengatasi 15

2 Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 kerusakan pada pipa percabangan T perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui gaa ang bekerja pada dinding pipa akibat aliran dua fase gas-cair. Diharapkan informasi hasil penelitian ini bisa bermanfaat untuk memprediksi getaran pada pipa percabangan T dengan diamter dan material ang berbeda. MTOD Pengujian dilakukan pada sistem pengujian aliran dua fase, dimana pipa percabangan T dilengkapi strain gauge sperti pada gambar 1. Keterangan Gambar 2 : Gambar 1. Gambar skematis instalasi pengujian 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 ang terjebak 8) Seksi uji BPH : Seksi uji pipa sambungan T, 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 1) Pompa : Digunakan untuk mengalirkan air ang digunakan dalam penelitian 11) Kompressor : Digunakan untuk mengalirkan udara 16

3 Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 Alat ang digunakan untuk mengukur regangan adalah sensor strain gauge ang khusus digunakan untuk mengukur perubahan regangan ang terjadi pada pipa. Untuk jenis pipa plastic (PVC) menggunakan sensor strain gauge tpe GFCA-3-5 seperti ang terlihat pada Gambar 2, dan mengunakan interface Amplipier ang berfungsi sebagai power suppl sensor, penguat sinal sensor dan socket interface sebagai penghubung ke set komputer dapat dilihat pada Gambar 3 ang 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 Letak sensor strain gauge Perubahan dimensi pipa (panjang dan diameter) akan meningkatkan tahanan karena persamaan tahanan listrik pada suatu konduktor adalah : R l A (1) Dengan : R = tahanan ρ = tahanan jenis l = panjang A = luas penampang Sedangkan untuk hubungan antara perubahan tahanan dan regangan pada strain gauge ditunjukkan dengan: a L R R L G (2) f Di mana a adalah regangan aksial, L adalah panjang nominal dari strain gauge, R adalah tahanan nominal dari strain gauge dan G adalah gauge factor. L dan R adalah f 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: F (3) A 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 1 (4) Maka nilai tegangan diperoleh dengan persamaan : 17

4 Regangan (µstrain) Gaa (N) Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 (1 v 2 2 (1 ) v ) (5) dilihat pada Gambar 6 ang menunjukkan dengan jelas arah-arah tersebut. HASIL DAN PMBAHASAN 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. Regangan pada pipa Regangan ang dihasilkan setiap waktu pada dinding pipa pecabangan T untuk masingmasing sensor dapat diplot dalam bentuk grafik. Sebagi contoh aliran dua fase dengan debit udara 3 lpm dan debit air 2 lpm terlihat pada gambar 5. Regangan ang terbesar terjadi pada sensor 2 dengan arah sumbu. Hal ini terjadi karena sensor 2 terletak tepat pada bidang tumbukan aliran dua fasa tersebut sehinggga mengalami regangan terbesar, regangan terbesar ang terjadi sekitar 848,9 µstrain. Sedangkan regangan ang terkecil terjadi pada sensor 3 dengan arah sumbu maupun sumbu Gambar 5. Grafik respon regangan (air 2 lpm dan udara 3 lpm). Fluktuasi Gaa Pada Pipa Sambungan T Sensor1 Sensor1 Sensor2 Sensor2 Sensor3 Sensor3 Pembacaan satu sensor adalah dalam dua arah, aitu arah dari arah radial atau dari titik pusat jari-jari pipa (sumbu ) dan pada arah sejajar sumbu pipa (sumbu ). Untuk lebih jelas mengenai arah dari gaa dan dapat Gambar 6. Arah gaa sumbu dan. Nilai gaa ang terjadi dapat dilihat pada Gambar 7, menunjukkan gaa akibat aliran dua fasa cair-gas dengan perubahan variasi debit air dan udara. Dari grafik tersebut dapat kita lihat besar gaa setiap detik ang terjadi pada pipa sambungan T. Gaa terbesar terjadi pada sensor 2, hal ini dikarenakan sensor dua terdapat tepat pada titik tegak lurus dengan arah aliran.,1, Gambar 7. Grafik respon gaa (air 2 lpm dan udara 3 lpm). Dari gambar di atas gaa ang berpengaruh besar adalah gaa ang terdapat pada sumbu. Hal ini disebabkan oleh arah regangan akibat tumbukan fluida searah sumbu. Gaa ang terjadi tidak konstan maka regangan juga akan berubah-ubah sesuai dengan besar gaa ang bekerja. Akibat regangan ang berubah-ubah tersebut maka pipa sambungan T tersebut akan mengalami getaran. Untuk hal ini berarti gaa ang berpengaruh adalah F untuk semua titik pengamatan. Dari semua gaa ang mengakibatkan getaran tersebut gaa F 2 merupakan ang s Sensor1 () Sensor1 () Sensor2 () Sensor2 () Sensor3 () Sensor3 () 18

5 Gaa (N) Gaa (N) Gaa (N) Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 paling besar, sehingga getaran terbesar terjadi pada titik 2. Nilai gaa F 2 untuk setiap variasi berbeda-beda, selain itu juga besarna dipengaruhi oleh pola aliran ang terjadi akni, aliran gelembung (bubble), aliran kantung gas (plug), aliran strata licin (stratified), aliran strata gelombang (stratified wave) dan aliran sumbat liquid (slug). Pola aliran gelembung terjadi pada saat variasi debit udara 3-1 lpm. Gaa rata-rata terbesar terjadi pada variasi debit air 15 lpm dan udara 1 lpm dengan fraksi hampa,4 dimana maksimum gaa adalah 938 N seperti terlihat pada gambar 8. Hal ini terjadi karena untuk aliran gelembung sebagian besar masih didominasi oleh air, sehingga pada saat menumbuk air lebih dominan menentuh pipa sambungan T. Seperti diketahui bahwa massa jenis air jauh lebih besar dibandingkan udara, sehingga gaa ang dihasilkan juga akan lebih besar. mengalami penurunan ang cukup besar.,3,1 A5-U1 A1-U1 A15-U15 A2-U1 A25-U15 A3-U1 A35-U2 Gambar 9. Gaa pada aliran kantung udara (plug). Pola aliran strata licin sulit untuk diamati dan apabila muncul hana bertahan dalam waktu ang singkat. Gaa terbesar terjadi pada saat debit air 5 lpm dengan debit udara 2 lpm dengan fraksi hampa,8 aitu 138 N. Fluktuasi gaa tidak terlalu tinggi karena fluida ang mengalir relatif seragam.,3 A5-U5 A1-U3 A15-U1 A2-U5 A25-U3 A3-U3 A35-U5 Gambar 8. Gaa pada pola aliran gelembung (bubble). Aliran kantung udara terbentuk dari bergabungna dua atau lebih gelembung, sehingga akan terbentuk gelembung ang lebih besar dan dinamakan kantung udara. Gaa pada aliran kantung udara ini tidak jauh berbeda dengan gaa ang terjadi pada aliran gelembung, namun besar gaana agak sedikit menurun seperti terlihat pada Gambar 9. Pada pola ini gaa terbesar ang terjadi adalah 16 N, sama seperti sebelumna terjadi pada variasi air 15 lpm namun udara pada 15 lpm fraksi hampana adalah,5. Gaa pada debit air 1 lpm mengalami penurunan ang sangat besar, dimana sebelumna masih berada pada kisaran N sekarang berada pada,3 N. Tidak diketahui dengan jelas apa ang menebabkan hal ini terjadi, karena bila dilihat dari gaa-gaa pada variasi lain tidak,1 A5-U15 A5-U2 A1-U15 Gambar 9. Gaa pada aliran strata licin (stratified). Aliran strata gelombang ini merupakan aliran ang paling sering terbentuk pada penelitian ini, hal ini dikarenakan aliran ini memang terjadi pada saat debit udara 25 lpm ke atas. Seperti terlihat pada Gambar 1 gaa ang terjadi masih berada pada rentang sampai N terkecuali untuk aliran air 1 lpm. Gaa ang terjadi agak berfluktuatif dibandingkan dengan ang sebelumna. Gaa maksimum masih terjadi pada debit air 15 lpm, untuk kali ini berada pada debit udara 25 lpm dengan fraksi hampa,625 aitu 2394 N. Pola aliran sumbat liquid ini juga termasuk sering terjadi pada aliran dua fasa cair-gas. Aliran ini terjadi hampir pada semua variasi, namun ang paling terlihat jelas pada saat variasi debit udara 35 lpm keatas. Gaa pada pola aliran ini cukup berfluktuatif dengan 19

6 Gaa (N) Gaa (N) Gaa (N) Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 gaa maksimum ang terjadi adalah pada debit air 15 lpm dan udara 4 lpm dengan fraksi hampa,7273 aitu 472 N seperti terlihat pada Gambar 11.,1 Gambar 1. Gaa pada aliran strata gelombang (stratified wave).,3,1 Gambar 11. Gaa pada aliran sumbat liquid (slug). Secara keseluruhan gaa ang terjadi hana pada rentang sampai,3 N, dimana gaa terbesar selalu terjadi pada debit air 15 lpm untuk semua variasi udara dan pola aliran ang terbentuk. Gaa terbesar pada debit air 15 lpm dan udara 1 lpm sebesar 938 N dengan pola aliran ang terjadi adalah aliran gelembung. Hal ini terjadi karena ang melakukan tumbukan sebagian besar adalah fluida pada kasus ini adalah air. Namun fluktuasi ang terjadi pada debit udara ini tidak terlalu besar Waktu 4 (s) 6 Gambar 12. Gaa akibat pola aliran. A5-U25 A1-U3 A15-U25 A2-U3 A25-U35 A3-U25 A35-U25 A5-U4 A1-U5 A15-U4 A2-U45 A25-U4 A3-U45 A35-U5 Gele Kant Fluktuasi ang cukup besar terjadi pada saat debit udara besar, hal ini memperlihatkan bahwa suatu aliran ang mengandung udara cukup banak atau dengan kata lain fraksi hampana besar maka akan menimbulkan gaa tumbukan ang bervariasi besarna atau berfluktuasi. Nilai gaa untuk setiap pola aliran dapat dilihat pada Gambar 12. Dari penjelasan diatas ternata aliran dua fasa cair-gas akan memberikan gaa ang besar pada saat debit gas tidak terlalu besar, namun fluktuasi ang terjadi tidak terlalu besar. Sebalikna dengan debit gas ang besar gaa ang terjadi tidak sebesar ang terjadi pada debit gas kecil namun fluktuasi ang terjadi cukup besar sehingga pipa sambungan T ini akan lebih cepat mengalami kerusakan pada debit gas ang seperti ini. Hal ini diakibatkan karena pipa sambungan T ini mengalami gaa ang berubah-ubah, sehingga pipa akan lebih cepat mengalami lelah (fatique). KSIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Regangan terbesar terjadi pada dinding pipa akni di titik percabangan T. 2. Setiap pola aliran tersebut memiliki nilai gaa puncak ang berbeda-beda, pada aliran gelembung bernilai 938 N, aliran kantung gas 16 N, aliran strata licin 137 N, aliran strata gelombang 239 N dan aliran sumbat liquid sebesar 472 N. 3. Gaa terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung (bubble) aitu sebesar 938 N, hal ini dikarenakan ang melakukan tumbukan terhadap pipa sambungan T sebagian besar adalah fluida air. 4. Fluktuasi gaa ang besar terjadi pada pola aliran sumbat liquid (slug), dimana pada aliran ini ang memberikan gaa kepada dinding pipa bergantian antara air dan udara. DAFTAR PUSTAKA [1] Omar, Alquaddomi., Mitra, Deepanjan., & Adinolfi, Pierangelo. 23. Development of Design Criteria for Fluid Induced Structural Vibrations in Steam Generators and Heat changers, Final Technical Report, Department of Mechanical and Aerospace ngineering Universit of 2

7 Jurnal Mechanical, Volume 2, Nomor 1, Maret 211 California. USA. [2] Riverin, J.L., de Langre,., & Pettigrew, M.J., 26, Fluctuating Forces caused b Internal Two-Phase Flow on Bend and Tees, J. of Sound and Vibration, Vol [3] Wang, S.F., Ozama, M., & Shoji, M., 22, Fluctuating of Gas-liquid Two- Phase Flow Through an Impacting T- Junction, J. of Multiphase Flow Vol [4] Ugural, A Stresses in Plates and Shells 2 nd dition. McGraw-Hill Int. dition. Singapore. [5] Irsad, M., 29, Pengaruh Pola Aliran Fluida Gas-Cair Terhadap Getaran Pada Belokan Pipa Horizontal, Proceeding Seminar Nasional Mesin & Industri (SNMI5) Universitas Tarumanegara, Jakarta, 8 Oktober, [6] Irsad, M., 29, 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