Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase pada Pipa Berdiameter 7.6 mm dengan Refrijeran R-22 dan R-290 pada Kualitas Uap Rendah

Transkripsi

1 Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase pada Pipa Berdiameter 7.6 mm dengan Refrijeran R-22 dan R-290 pada Kualitas Uap Rendah Muhammad Fikar Maulana ( ) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok Indonesia Abstrak Penurunan Tekanan dalam sistem pendingin merupakan salah satu faktor yang penting. Penurunan tekanan yang rendah dalam sistem pendingin dapat mengurangi size dari sistem pendingin. Pada penurunan tekanan rendah, koefisien perpindahan kalor akan meningkat dan membutuhkan luas penampang pada evaporator lebih kecil untuk menyerap besar kalor yang sama, sehingga ukuran dimensi sistem pendingin dapat dibuat lebih compact dan dapat menghemat ruang dalam kapal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui fenomena didih alir dari refrijeran R-290 dan R-22 dengan menganalisa penurunan tekanan serta penggambaran pola aliran pada pipa konvensional. Kemudian dibandingkan dengan persamaan yang telah diberikan peneliti sebelumnya. Hasilnya adalah refrijeran kenvensional R-22 memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan refrijeran alami R-290. Sedangkan perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen dengan nilai penurunan tekanan prediksi pada fluida kerja R-22 yang paling mendekati nilainya adalah korelasi Lockhart dan Martinelli (1949). Sedangkan pada fluida kerja R-290, nilai penurunan tekanan prediksi yang paling mendekati adalah Lockhart dan Martinelli (1949). Kata Kunci: Penurunan Tekanan, Aliran Dua Fase, Sistem Pendingin, Pola Aliran Two-phase Flow Boiling Pressure Drop in 7.6 mm Circular Tube Diameter with R-22 and R-290 for Low Vapor Quality Region Abstract Pressure drop in the cooling system is one of the important factors. Low pressure drop in the cooling system can reduce the size of the cooling system. At low pressure drop, heat transfer coefficient will increase and require crosssectional area at the evaporator to absorb less of the same heat, so that the volume of the cooling system can be made more compact and can save space in the ship. The purpose of this study is to investigate the phenomenon of flow boiling refrigerant R-290 and R-22 by analyzing the pressure drop and flow patterns in the portrayal of the conventional pipe. The result will be compared with the equation given earlier researchers. The result is conventional refrigerant R-22 has a higher pressure drop compared with the natural refrigerant R-290. The comparison of experimental pressure drop with pressure drop s correlation prediction in refrigerant R-22 closest valie is correlation Lockhart and Martinelli (1949). While the working fluid R-290, the value of the pressure drop is predicted that most closely Lockhart and Martinelli (1949). Key words: Pressure Drop, Two-phase Flow, Refrigeration System, Flow Pattern 1

2 Daftar Notasi Subscript dan superscript x kualitas uap (kg / m 3 ) f Fluida liquid G mass flux (kg/!! s) g Gas! fraksi hampa fo Liquid only µ Viskositas (Kg/m.s)! Surface Tension vg specific volume fase vapor (m 3 kg -1 ) o Outlet vf specific volume fase liquid (m 3 kg -1 ) i Inlet!" = gradien penurunan tekanan gesekan Tp Dua Fase!"!!"!!!" = faktor pengali gesekan a Percepatan 1.Pendahuluan Proses pendinginan merupakan suatu penemuan yang sangat membantu umat manusia, terutama dalam menjalankan kehidupannya sekarang ini. Contoh aplikasi dari sistem pendinginan ini adalah sebagai pengawet makanan, yaitu dengan mendinginkan bahan makanan sehingga bahan makanan tersebut dapat disimpan tanpa rusak dalam waktu yang lebih lama dibandingkan dengan bahan makanan yang disimpan tanpa menggunakan aplikasi proses pendinginan. Pada kapal, peran dan fungsi dari sistem pendinginan sangat penting. Sistem pendinginan digunakan sebagai pengatur suhu di dalam kapal. Baik itu di ruang mesin, ruang kabin penumpang, ruang navigasi, dan ruang-ruang lainnya pada kapal. Temperatur didalam kapal, terutama saat berlayar di siang hari yang cerah dapat sangat tinggi dibandingkan dengan didarat. Sehingga diperlukan sistem pendinginan yang baik dan mencukupi untuk mengatur temperatur di dalam kapal. Salah satu komponen penting dari sistem pendinginan adalah refrijeran yang digunakan. Namun, dalam beberapa tahun belakangan ini diketahui ternyata penggunaan refrijeranrefrijeran tersebut dapat menimbulkan potensi penipisan ozon. Sehingga, penggunaan refrijeran-refrijeran tersebut mulai dikurangi bahkan sudah dihentikan, terutama R-11 yang memiliki ODP lebih tinggi dibandingkan dengan R-22 yang memiliki ODP lebih rendah. Sehingga R-22 menjadi refrijeran utama yang digunakan sistem pendinginan selama beberapa dekade. ODP merupakan Ozone Depletion Potential. Namun, seiring dengan bertambahnya kesadaran akan pencemaran lingkungan dan dengan diberlakukannya protokol kyoto, penggunaan R-22 mulai ditinggalkan dan penelitian-penelitian pun mulai dilakukan mengenai penggunaan refrijeran alami. Hal ini dilakukan karena ternyata R-22 memiliki nilai GWP (Global Warming Potential) yang lebih tinggi dibandingkan karbon dioksida. Sebagai pengganti R-22 salah satu refrijeran yang memiliki performa yang cukup baik dan ramah lingkungan adalah R-290. R-290 ini memiliki nilai ODP 0 dan GWP < 3 sehingga refrigerant ini cukup ramah lingkungan. Namun, kekurangan dari refrijeran R-290 ini adalah memiliki temperatur didih yang rendah, sehingga diperlukan tekanan yang cukup tinggi dalam pengoperasiannya. 2

3 Karena refrijeran tersebut mengalir dalam suatu sistem pendingin dalam pipa, maka harus diperhatikan aspek penting aliran fluida refrijeran tersebut. Salah satunya adalah terjadinya penurunan tekanan (pressure drop). Penurunan tekanan ini diakibatkan oleh perbedaan ketinggian, gesekan, dan perubahan energi kinetik fluida. Penurunan tekanan merupakan faktor penting karena dapat merubah sifat dan karakteristik suatu refrijeran dalam suatu sistem pendinginan. 2. Batasan Masalah Asumsi dan batasan yang digunakan pada penelitian ini antara lain : Pada penelitian penurunan tekanan aliran dua fase R-290 dan R-22 ini menggunakan pipa kanal konvensional berdiameter dalam 7.6 mm dan panjang 1.07 m, serta aliran memiliki karakteristik sebagai berikut : Laju aliran dari 100 ~ 600 kg/m 2 s dengan interval 100 kg/m 2 s Temperatur dari -5 C ~ 10 C dengan interval 5 C Daya dari pemanas listrik pada pipa dari 10 kw ~ 40 kw dengan interval 10 kw Asumsi yang digunakan adalah fenomena metastabil di kubah saturasi tidak terjadi dan heater diasumsi memanaskan secara uniform. 2.2 Reduksi Data Penurunan Tekanan pada pipa horizontal dipengaruhi oleh gaya gesek penurunan tekanan dengan dinding pipa dan penurunan tekanan akselerasinya.!" =!"! +!"! Menggunakan data eksperimen data kualitas uap maka penurunan tekanan akselerasi bisa didapat. Persamaannya menjadi!"! =!"!"!"!!!!"!"! =!!!!! + 1!!!" 1! Fraksi hampa yang di kemukakan oleh Steiner (1993) adalah Untuk mendapatkan two-phase frictional miltiplier berdasarkan total aliran diasumsi liquid, maka kalkulasi untuk mencarinya adalah!"!! =!"!!" =!"!!"!"!!" 2!!"!!!!" Panjang Subcooled dihitung dengan mencari titik awal saturasinya!!" =!!!!!" Δ! 3. Metodologi Penelitian =!!!!!" Q/W Gambar 1 Skema Penelitian Secara umum prinsip kerja alat uji seperti yang terlihat pada gambar, sistem sirkulasi yang digunakan pada perangkat alat uji ialah sistem sirkulasi tertutup. Dimana refrijeran nantinya akan disirkulasikan pada sistem dengan menggunakan pompa refrijeran. Pada awal memasukkan refrijeran ke sistem, refrijeran yang akan masuk pada umumnya bercampur fase antara cair dan gas. Untuk itu diperlukan modifikasi metode pemasukan refrijeran ke sistem yaitu dengan membalik tabung refrijeran. Dengan memanfaatkan gaya gravitasi bumi, maka fase cair yang memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan fase gas refrijeran, otomatis cenderung berada di bawah fase gas. Karena 3

4 refrijeran yang dibutuhkan saat masuk ke dalam sistem yaitu fase cair. Setelah keluar dari tangki kemudian refrijeran masuk ke kondensor. Kondensor yang digunakan bermodel tube and tube dengan tabung yang diisolasi karena temperaturnya lebih rendah dibanding lingkungan. Kondensasi pada refrijeran menggunakan fluida dingin berupa larutan ethylene glycol yang didinginkan menggunakan sistem pendingin kapasitas 3 PK. Hal tersebut bertujuan untuk menurunkan temperatur dari refrijeran dan memastikan refrijeran pada saat masuk test section berada sepenuhnya pada fase cair. Setelah dari kondensor lalu refrijeran masuk ke dalam liquid receiver. Penggunaan liquid receiver yaitu untuk menampung refrijeran ketika sistem berhenti beroperasi, selain itu untuk menjaga agar tidak ada vapor yang masuk ke tahap selanjutnya. Kemudian refrijeran berfase liquid masuk ke gear pump yang di-couple dengan motor listrik. Gear pump yang digunakan dapat menghasilkan tekanan sebesar 10 bar dengan kapasitas motor 0.5 PK. Motor disambungkan dengan voltage regulator sehingga dapat mengatur voltase dari motor yang otomatis tekanan pada pompa juga berubah. Kemudian refrijeran bertekanan mengalir ke flow meter dengan model coriolis untuk diukur massa, rate atau debit refrijeran yang akan masuk ke test section. Flux massa refrijeran yang disirkulasikan dapat diatur besarnya dengan mengatur putaran pompa dengan menggunakan inverter yang terpasang pada pompa. kemudian akan mengalir menuju preheater unit dimana pada unit ini refrigeran dikondisikan, agar ketika mencapai inlet pada test section sudah dalam kondisi saturasinya. Setelah melewati preheater unit, refrijeran kemudian masuk ke test section untuk dipanaskan. Dimana pada test section dipanaskan dengan cara memberikan fluks kalor yang merata ke heater yang dililitkan disepanjang test section dengan mengalirkan arus listrik menggunakan power supply dimana besarnya daya yang keluar dapat diatur sesuai dengan besarnya fluks kalor yang dibutuhkan pada kondisi pengujian. Untuk mencegah terbuangnya kalor kelingkungan sekitar maka pada bagian luar test section diberikan insulasi agar kalor yang diberikan nantinya tidak terbuang kelingkungan sekitar. Inlet dan outlet test section dipasang sight glass untuk menentukan pola aliran dan fase refrijeran. Untuk mengetahui temperatur dinding luar test section dipasang termokopel pada tiga sisi yaitu sisi bagian atas, samping dan bawah dan diletakkan di 9 titik di sepanjang pipa test section ditambah termocouple di inlet dan outlet, lalu untuk mengetahui fasa yang terjadi sebelum dan setelah melewati test section dipasang sight glass. Sedangkan untuk mengetahui tekanan masuk dan keluar test section dipasang pressure gauge pada bagian inlet dan oulet test section. Keluar dari test section selanjutnya refrijeran akan mengalir menuju kondenser untuk dilepas kalornya dimana pada unit ini refrijeran yang dalam keadaan fase gas atau dua fase akan diubah menjadi fase liquid dan disirkulasikan kembali. Sedangkan kondisi pengujian eksperimen, yaitu percobaan yang dilakukan pada perangkat alat uji untuk mengetahui karakteristik koefisien perpindahan kalor aliran dua fasa R-290 dan R-22 yaitu dengan kondisi pengujian sebagai berikut ; a) Test section terbuat dari bahan stainless steel 316 (SS 316) dengan diameter dalam (ID) 7.6 mm, konduktivitas bahan 13.4 W/m.K dan panjang 1.07 m dengan memberikan insulasi pada bagian luar test section. b) Memberikan flux kalor yang merata di sepanjang test section seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.3 dengan variasi dari 10 s/d 40 kw/m 2 dan interval 10 kw/m 2 serta memberikan insulasi pada bagian luar test section agar kalor yang diberikan untuk memanaskan test section tidak terbuang ke lingkungan sekitar. 4

5 4. Hasil dan Analisis Proses Pengujian Refrijeran R-22 dan R-290 Gambar 2. Pemberian fluks kalor yang seragam di sepanjang test section c) Variasi fluks massa dari 100 s/d 600 kg/m 2 s dengan interval 100 kg/m 2 s d) Temperatur masukan (inlet) dengan variasi dari -5 C 0 C,5 C dan 10 C,dan variasi kualitas massa uap sampai dengan satu. e) Untuk mengukur temperature permukaan luar test section dipasang termokopel pada bagian atas, bawah, sisi kiri dan kanan test section pada 9 titik disepanjang test section, seperti yang diilustrasikan oleh Gambar 3.4. Pemasangan termokopel hanya pada tiga sisi ini karena dengan asumsi temperatur yang tejadi pada dinding samping kiri dan kanan diasumsikan tidak berbeda jauh, oleh karena itu pada sisi samping hanya dipasang satu termokopel saja, sisi kiri atau kanan. Gambar 3. Pengukuran temperatur permukaan disepanjang test section. f) Untuk pengukuran Tekanan masuk dan keluar test section dipasang pressure gauge pada sisi masukan dan keluaran test section. Sedangkan untuk mengukur flux massa refrigran yang dipompakan diukur dengan menggunakan Corriolis mass flow meter yang dipasang setelah unit pompa. g) Percobaan ini tergantung ada pendinginan minimum AC 3 PK untuk mencapai pendinginan maksimum sehingga didapat temperature minimum. Variasi yang dilakukan pada esperimen ini adalah variasi heat flux, mass flux, dan temperatur saturasi. Kemudian, dari hasil data yang didapat dari hasil variasi tersebut akan dianalisa. Beberapa nilai yang akan dianalisa diantaranya adalah nilai reynold aliran yang menggambarkan aliran tersebut, pengaruh faktor-faktor seperti heat flux, mass flux, mass flow, tekanan saturasi, dan kualitas uap pada penurunan tekanan yang terjadi pada sistem. Variasi Heat Flux dengan Fluida Kerja R22 Gambar 4. Pengaruh Heat Flux terhadap Penurunan Tekanan R22 Dari grafik, dapat dilihat bahwa variasi heat flux sangat mempengaruhi nilai dari penurunan tekanan. Pengaruh heat flux terhadap penurunan tekanan juga pernah dikutip dari salah satu jurnal A.S. Pamitran et al (2010). Hal ini disebabkan karena semakin tinggi heat flux yang diberikan kepada sistem, maka akan semakin tinggi juga tingkat penguapan, kecepatan aliran, dan meningkatkan kualitas uap rata-rata fluida kerja. Pada aliran 2 fase diabatik, heat flux yang diberikan pada sistem menyebabkan jumlah bubble meningkat dengan waktu yang lebih cepat, selain itu juga menyebabkan timbulnya slug formation pada pemanasan fluida kerja. Hal ini menyebabkan nilai dari penurunan tekanan yang terjadi pada sistem bertambah besar. Variasi Heat Flux dengan Refrijeran R290 5

6 Gambar 5 Pengaruh Heat Flux terhadap Penurunan Tekanan R290 Tidak jauh berbeda dengan refrijeran R22, pengaruh variasi heat flux pun sangat berpengaruh terhadap nilai dari penurunan tekanan R290. Hal ini juga dibuktikan oleh Kwang ill Choi et al (2010) yaitu semakin tinggi heat flux, maka akan semakin tinggi juga penguapan yang terjadi pada aliran, kecepatan aliran dan meningkatkan kualitas uap rata-rata fluida kerja sehingga nilai penurunan tekanan juga akan semakin besar Variasi Mass Flux R22 Gambar 7 Pengaruh Variasi Mass Flux terhadap Penurunan Tekanan R290 Tidak jauh berbeda dengan refrijeran R22, pada R290 pun mass flux memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap nilai dari penurunan tekanan. Menurut kwang ill Choi et al (2008) semakin tinggi nilai mass flux yang diberikan/dialirkan kepada sistem, maka akan semakin tinggi juga kecepatan aliran yang terjadi dalam sistem yang akan menyebabkan bertambahnya penurunan tekanan friksi dan akselerasinya. Dengan kata lain, maka akan meningkatkan besarnya nilai penurunan tekanan yang terjadi pada sistem. Variasi Tekanan Saturasi R22 Gambar 6 Pengaruh Mass Flux terhadap Penurunan Tekanan R22 Pengaruh dari nilai mass flux terhadap penurunan tekanan refrijeran r22 ternyata besar, seperti ditunjukkan pada gambar 6. Menurut A.S Pamitran et al (2010) kemungkinan terjadinya aliran turbulen dan pola aliran wavy (stratified) juga akan meningkat apabila nilai mass flux yang dialiri dalam sistem diperbesar. Hal ini menyebabkan meningkatnya nilai dari penurunan tekanan yang terjadi dalam sistem. Pada pengujian untuk variasi temperature saturasi dengan fluida kerja R22 tidak dapat dilakukan. Hal ini disebabkan karena tidak ada data yang mempunyai nilai range mendekati sama untuk parameter mass flux dan temperatur saturasi pada heat flux tertentu. Sehingga perbandingan temperatur saturasi hanya dapat dilakukan pada R-290. Variasi temperatur saturasi dilakukan dengan mengatur needle valve yang dipasang sebelum test section. Namun efek needle valve sebagai proses isoentalpi kurang maksimal karena penurunan tekanan belum sesuai yang diinginkan. 6

7 Variasi Tekanan Saturasi R290 fluida kerja R22 memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan penurunan tekanan dengan fluida kerja R290. Menurut A.S Pamitran et al (2010) hal ini disebabkan karena physical properties masing-masing fluida kerja, yaitu R22 dan R290 yang berbeda. Contoh dari physical properties yang berbeda tersebut adalah viskositas dan massa jenis dari fluida kerja tersebut. Gambar 8 Pengaruh Tekanan Saturasi terhadap Penurunan Tekanan R290 Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan saturasi yang merepresentasikan semakin tinggi pula temperature saturasinya maka semakin rendah nilai penurunan tekanannya. Menurut A.S Pamitran et al (2010) semakin rendah nilai temperatur saturasinya, maka akan semakin tinggi nilai dari penurunan tekanan pada sistem. Hal ini disebabkan karena pengaruh dari physical properties terutama massa jenis dan viskositas dari fluida kerja yang dapat berubah ketika temperatur berubah. Massa jenis dan viskositas dari fluida kerja akan bertambah ketika temperaturnya menurun, dan sebaliknya massa jenis dan viskositas dari vapor akan turun ketika temperatur turun. Refrijeran R22 vs R290 Tabel Physical Properties Perbandingan Penurunan Tekanan Eksperimen terhadap Penurunan Tekanan Prediksi Refrijeran R22 Gambar 10 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi A.S Pamitran et al (2010) Gambar 9 Perbandingan nilai Penurunan Tekanan Refrijeran R22 vs R290. Dapat dilihat, berdasarkan grafik diatas, menunjukkan bahwa penurunan tekanan pada Gambar 11 Perbandingan Penurunan Tekanan Eksperimen dengan prediksi Lockhart dan Martinelli (1949) Dapat dilihat perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen R22 dengan nilai 7

8 penurunan tekanan prediksi Lockhart-Martinelli (1949) dan A.S. Pamitran et al (2010). Kedua gambar tersebut menunjukkan bahwa nilai penurunan tekanan prediksi Lockhart-Martinelli (1949) memiliki nilai yang lebih mendekati dengan hasil eksperimen R22. Hal ini disebabkan karena pada korelasi A.S. Pamitran (2010) digunakan untuk minichannel yang relatif memiliki nilai penurunan tekanan lebih besar dibandingkan konvensional sehingga hasilnya jauh lebih tinggi dibandingkan eksperimen. Refrijeran R290 (2010) digunakan untuk minichannel yang notabene memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih besar dibandingkan dengan pipa konvensional. 5. Kesimpulan Hasil dari eksperimen ini menunjukkan bahwa fluida kerja R-22 memiliki nilai penurunan tekanan dalam sistem yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluida kerja R-290. Dari hasil eksperimen ini, korelasi prediksi penurunan tekanan berdasarkan korelasi para peneliti terdahulu memiliki selisih paling kecil dengan nilai penurunan tekanan pada eksperimen dengan fluida kerja R22 adalah korelasi Lockhart dan Martinelli (1949). Sedangkan pada fluida kerja R290 adalah korelasi yang sama, yaitu Lockhart dan Martinelli (1949). Gambar 11 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi Lockhart dan Martinelli (1949) Daftar Referensi Beattie, D.R.H., Whalley, P.B., A simple two-phase flow frictional pressure drop calculation method. Int. J. Multiphase Flow 8, Chisolm, D., Pressure Gradient due to friction during the flow of evaporating twophase mixtures in smooth tubes and channels. Int. J. Heat Mass Transfer 16, Gambar 12 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi A.S. Pamitran et al (2010) Dari Perbandingan 2 gambar diatas dapat dilihat pada perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen dengan refrijeran R290 pun ternyata nilai penurunan tekanan prediksi Lockhart dan Martinelli (1949) yang paling mendekati dengan nilai penurunan tekanan eksperimen. Sedangkan pada korelasi A.S. Pamitran et al (2010) yang memiliki selisih paling besar dengan nilai penurunan tekanan eksperimen. Hal ini disebabkan karena korelasi A.S. Pamitran et al Choi, Kwang ill, Pamitran, A.S., Oh, Jong-Taek, Saito, Kiyoshi Pressure drop and heat transfer during two-phase flow vaporization pf propane in horizaontal smooth minichannels. Int J. Refrigeration 32 (2009) Choi, Kwang ill, Pamitran, A.S., Oh, Jong-Taek Two-phase flow heat transfer of CO2 vaporization in smooth horizontal minichannels. Int J. Refrigeration 30 (2007)

9 Lockhart, R., Martinelli, R.C., Proposed correlation of data for isothermal two-phase two-components flow in pipes. Chem. Eng. Prog., Pamitran, A.S., Choi, Kwang ill, Oh, Jang-Taek, Hrnjak, Pega Characteristics of twophase flow pattern transitions and pressure drop of five refrigerants in horizontal circular small tubes.int J. Refrigeration 33 (2010)