STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA ALIRAN INCLINE UPWARD PIPA CIRCULAR

Transkripsi

1 STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA ALIRAN INCLINE UPWARD PIPA CIRCULAR SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : RIDWAN CATUR PRASETYO NIM. I PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

2

3

4 HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal-hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia derajat kesarjanaan saya dicabut. Surakarta, 12 Mei 2017 Ridwan Catur Prasetyo iv

5 HALAMAN PERSEMBAHAN Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat dan karunia yang diberikan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Dengan mengucapkan rasa syukur kepada Allah SWT, karya ini saya persembahkan kepada: Ibuku tersayang Sri Handayani yang selalu mendoakan untuk kebaikan anakanaknya, serta kasih sayang yang sangat dalam untuk kami semua Bapakku Sumardi yang saya banggakan yang selalu bekerja keras dan selalu berdoa untuk kebaikan kami sekeluarga Kakak dan Adikku yang selalu saya sayangi Agus Hartadi, Rohmah Dwi Suryani, Yuliani Tri Hastuti dan Desita Wahyu Puspita Sari yang selalu memberi motivasi untuk segera menyelesaikan tugas akhir ini Serta semua keluarga besar yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu Bapak Budi Santoso dan Bapak D. Danardono yang selalu memberikan bimbingan dan ilmu kepada saya yang InsyaAllah akan bermanfaat bagi saya di masa depan Semua sahabat di Teknik Mesin UNS terutama angkatan 2012 (Camro): Abdollah, Agil, Agung, Aldi, Alfi, Apri, Bayu, Bagus, Bima, Cahyo, Dandy, Dharma, Fachri, Faishal, Frans, Guntur, Tommy, Baim, Ivan, Olif, Lasikun, Rizqi, Mahfudz, Asfar, Andy, Mirsa, Oky, Ditya, Afit, Rama, Rezha, Ifa, Syarif, Alam, Vidi, Wachid, Wahyu, Bilal, Zulfi yang selalu berjuang dari INJEKSI hingga sekarang yang akan selalu saya rindukan Teman-teman Tugas Akhir Aliran Dua Fase yang selalu berjuang, berusaha dan semangat demi terselesaikannnya tugas akhir ini Rekan Karang Taruna Cipta Kesturi Puspa dan Tim KKN Desa Suci 2016 dan Sahabatku Ayuk W Kurniasari yang memberikan doa, motivasi dan bantuan dalam segala hal kepada saya v

6 MOTTO Menuntut ilmu itu wajib atas setiap orang islam, karena sesungguhnya semua (makhluk), sampai binatang-binatang di laut memohonkan ampun untuk orang yang menuntut ilmu (H.R. Ibnu Abdurrahman) Barang siapa yang menempuh perjalanan untuk mencari ilmu, maka Allah mudahkan jalannya menuju Surga (H.R. Muslim) Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow (Albert Einstein) Kurangnya kemampuan bukan alasan untuk keberhasilan, sesungguhnya penuh semangat adalah modal keberhasilan (Mario Teguh) Sukses tidak datang dari apa yang diberikan orang lain, tapi datang dari doa dan kerja keras kita sendiri (Ridwan Catur Prasetyo) vi

7 ABSTRAK STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA ALIRAN INCLINE UPWARD PIPA CIRCULAR Ridwan Catur Prasetyo Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia Pengetahuan tentang karakteristik campuran aliran dua fase pada sebuah industri sangat penting khususnya untuk mengetahui keakuratan prediksi parameter aliran dalam mendesain dan keamanan sebuah evaporator, boiler, proses penyulingan dan siklus pendinginan. Pengamatan visualisasi pola aliran dua fase air-udara dilakukan untuk mengetahui karakteristik pola aliran yang terbentuk, batas transisi antar pola, peta pola aliran dan kecepatan aktual gelembung maupun nilai void fraction. Metode visualisasi dilakukan dengan menggunakan high speed video camera model Casio EX-ZR1000 pada pipa circular transparan diameter hidrolik 5mm dengan variasi kemiringan sudut seksi uji 20 0, 50 0 dan 70 0 dengan kecepatan superfisial udara 0,08-9,85 m/s dan kecepatan superfisial air 0,27-3,96 m/s. Data hasil visual penelitian diolah menggunakan software Phantom 630 dan menunjukkan pola aliran yang terbentuk adalah pola aliran elongated bubble, bubble, dispersed bubble, slug dan annular. Peningkatan kemiringan sudut menyebabkan aliran intermiten yang terbentuk lebih banyak dan panjang gelembung udara cenderung lebih pendek. Kata kunci: dua fase, incline upward, air-udara,visualisasi, kemiringan seksi uji, pipa circular 5mm. vii

8 ABSTRACT THE VISUALIZATION STUDY OF TWO PHASE FLOW PATTERN AIR- WATER IN INCLINE UPWARD CIRCULAR PIPES Ridwan Catur Prasetyo Mechanical Engineering Program Engineering Fakulty of Sebelas Maret University Surakarta Indonesia The knowledge about the characteristic of two-phase flow mixture on industry is very important, especially to know the accuracy of flow parameter prediction in designing and the security of evaporator, boiler, process of refining and refrigeration cycle. Visual observation of two-phase flow pattern air-water was done to know the characteristic of flow pattern formed, the transition basis of inter-pattern, the map of flow pattern and the actual speed of bubble as well as the value of void fraction. Visualization method was done by using high speed video camera Casio EX-ZR1000 on transparent circular pipe with 5mm hydraulic diameter and test section angle slope variation were 20 0, 50 0 and 70 0 with airsuperficial speed m/s and water-superficial speed m/s. The data of visual research were analyzed by using phantom software 630. The data showed that the formed flow patterns were elongated bubble, bubble, dispersed bubble, slug and annular. The increase of slope angle caused more intermittent flow formed and shorter air bubble. Key words : two-phase, incline upward, air-water, visualization, test section slope, circular pipe 5mm viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara Pada Aliran Incline Upward Pipa Circular ini dengan lancar dan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam pelaksanaan hingga penyelesaian skripsi ini tidak mungkin dapat tercapai tanpa bantuan dari berbagai, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Maka pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada: 1. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT., selaku Pembimbing I yang senantiasa membimbing, mengarahkan, memberikan nasehat dan menularkan ilmunya dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD, selaku Pembimbing II yang turut serta membimbing dan memberikan arahan berharga bagi penulis. 3. Bapak Dr. Budi Kristiawan, ST. MT., bapak Sukmaji Indro Cahyono, ST, MEng., dan bapak R.Lulus Lambang, ST, MT., selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan saran yang membangun dalam skripsi ini. 4. Bapak Purwadi Joko Susilo, ST. M.Kom., selaku pembimbing akademik yang telah membimbing, memberikan nasehat, memotivasi dan memberikan bekal pengalaman di Universitas Sebelas Maret. 5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin yang senantiasa memberikan motivasi lebih pada mahasiswa dalam perkuliahan maupun aktivitas di luar akademik. 6. Seluruh Dosen serta Staf di Program Studi Teknik Mesin yang turut serta mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 7. Bapak, ibu, dan seluruh keluarga yang selalu memberikan doa restu, motivasi dan dukungan secara material maupun spiritual. ix

10 8. Teman-teman CAMRO Teknik Mesin 2012 senasib seperjuangan yang telah mendorong penulis untuk lebih maju selama kurang lebih empat tahun menjalani perkuliahan di Program Studi Teknik Mesin. 9. Mahfudz, Zulfikar, Guntur, Herlambang dan Siti Kholifah selaku teman satu penelitian Aliran Dua Fase yang kurang lebih setahun saling bekerjasama dan saling melengkapi dalam penyelesaian skripsi ini. 10. Mas Latif dan Mas Mufrih yang telah membantu mengarahkan dalam penggunaan peralatan penelitian Aliran Dua Fase. 11. Teman-teman Karangtaruna Cipta Kesturi Puspa yang selalu memberikan doa dan dukungan di luar kampus. 12. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan laporan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan adanya masukan dan saran yang membangun demi tercapainya laporan skripsi yang lebih baik dan sempurna di kemudian hari. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, April 2017 Penulis x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENUGASAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN KEASLIAN... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v ABSTRAK... vii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR NOTASI... xv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I BAB II BAB III PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Dasar Teori Aliran Dua Fase Klasifikasi Saluran Pola Aliran Dalam Pipa Peta Pola Aliran Persamaan Umum Pengamatan Visual...17 METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian Skema Rangkaian Alat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat Penelitian Bahan Penelitian Parameter Penelitian Parameter yang Ditentukan Parameter yang Diukur Parameter yang Dihitung xi

12 3.5. Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Tahap Pengambilan Data Tahap Pengolahan Data Diagram Alir Penelitian BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Hasil Penelitian Pemetaan Pola Aliran Transisi Pola Aliran Perhitungan Kecepatan Aktual Udara Perhitungan Nilai Void Fraction...40 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Penelitian tentang aliran dua fase... 9 Tabel 2.2 Persamaan fraksi hampa...17 xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Peta pola aliran Barnea dkk (1980)... 5 Gambar 2.2 Peta pola aliran sudut 20 0, 50 0 dan 70 0 Barnea (1985)... 6 Gambar 2.3 Peta pola aliran Yamaguchi (2012)... 7 Gambar 2.4 Pola aliran horisontal Gambar 2.5 Pola aliran vertikal Gambar 2.6 Pola aliran incline Gambar 3.1 Skema rangkaian alat Gambar 3.2 Pompa air Gambar 3.3 Kompresor Gambar 3.4 Seksi uji...20 Gambar 3.5 Flowmeter udara (a) dan air (b)...21 Gambar 3.6 Kamera Casio EX-ZR Gambar 3.7 Tangki...22 Gambar 3.8 Diagram alir penelitian...25 Gambar 4.1 Aplikasi pengolah data video Phantom Gambar 4.2 Visualisasi pola aliran sudut Gambar 4.3 Visualisasi pola aliran sudut Gambar 4.4 Visualisasi pola aliran sudut Gambar 4.5 Peta pola aliran sudut Gambar 4.6 Peta pola aliran sudut Gambar 4.7 Peta pola aliran sudut Gambar 4.8 Grafik kecepatan aktual udara sudut Gambar 4.9 Grafik kecepatan aktual udara sudut Gambar 4.10 Grafik kecepatan aktual udara sudut Gambar 4.11 Grafik void fraction sudut 20 0 Homogen...41 Gambar 4.12 Grafik void fraction sudut 20 0 Chilsholm...41 Gambar 4.13 Grafik void fraction sudut 70 0 Homogen...42 Gambar 4.14 Grafik void fraction sudut 70 0 Sowinski...42 xiv

15 DAFTAR NOTASI Qg = Debit udara,(l/min) Ql = Debit air, (l/min) A = Luas lubang pipa, (mm 2 ) Ag = Luas penampang terselimuti gas, (mm 2 ) Dh = Diameter hidraulik, (mm) Jg = Kecepatan superfisial gas, (m/s) Jl = Kecepatan superfisial air, (m/s) J = Kecepatan superfisial total, (m/s) ug = Kecepatan aktual gas, (m/s) ul = Kecepatan aktual air, (m/s) C 0 = Parameter distribusi Bendiksen (1984) V = Kecepatan drift flux Bendiksen (1984) α = Void fraction β = Kualitas aliran volumetrik R 2 = Regresi Ɵ = Besar sudut, ( 0 ) EB = Elongated Bubble B = Bubble D = Dispersed S = Slug A = Annular g = Konstanta gravitasi (m/s 2 ) Fr = Froude number = xv

16 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Data variasi kecepatan superfisial...47 Lampiran 2 Data kecepatan aktual gas rata-rata (ug)...47 Lampiran 3 Gambar visual pola aliran hasil penelitian...49 Lampiran 4 Data nilai Froude Number penelitian...67 Lampiran 5 Data nilai void fraction (α) penelitian...67 Lampiran 6 Data kalibrasi debit aliran flowmeter air...69 Lampiran 7 Data kalibrasi debit aliran flowmeter udara...71 xvi