STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR MINI-CHANNEL

Transkripsi

1 STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR MINI-CHANNEL SKRIPSI Diajukansebagaisalahsatusyarat untukmemperolehgelar SarjanaTeknik Oleh : ZULFIKAR MAHMUD NIM. I PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

2

3

4 HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Saya yang bertanda tangan di bawah ini : Nama NIM Program Studi : Zulfikar Mahmud : I : S1 Teknik Mesin Dengan ini menyatakan bahwa Skripsi dengan judul Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada Vertical Upward Circular Mini-Channel adalah hasil pekerjaan saya dan seluruh ide, pendapat, atau materi dari sumber lain telah dikutip dengan cara penulisan referensi yang sesuai. Pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan ini tidak sesuai dengan kenyataan, maka saya bersedia menanggung sanksi sesuai dengan peraturan yang telah ditetapkan. Surakarta, 4 Mei 2017 Zulfikar Mahmud iv

5 MOTTO Allah mengangkat orang-orang beriman di antara kamu dan juga orang-orang yang dikaruniai ilmu pengetahuan dengan beberapa derajat (Al-Mujadalah : 11) Tuntutlah ilmu. Di saat kamu miskin, ia akan menjadi hartamu. Di saat kamu kaya, ia akan menjadi perhiasanmu (Luqman Al-Hakim) Orang yang banyak ketawa itu kurang wibawanya. Orang yang suka menghina orang lain, dia juga akan dihina. Orang yang mencintai akhirat, dunia pasti menyertainya (Sayyidina Umar bin Khattab RA) Banyak hal yang menjatuhkanmu. Tapi satu-satunya hal yang benar-benar dapat menjatuhkanmu adalah sikapmu sendiri (R.A. Kartini) Barang siapa ingin mutiara, harus berani terjun di lautan yang dalam (Ir. Soekarno) Gantungkan cita-citamu setinggi langit. Bermimpilah setinggi langit. Jika engkau jatuh, engkau akan jatuh di antara bintang-bintang (Ir. Soekarno) Hidup bagaikan menaiki sepeda. Agar tetap seimbang anda harus tetap bergerak (Albert Einstein) v

6 HALAMAN PERSEMBAHAN Terselesaikannya laporan skripsi ini tidak dapat lepas dari bantuan beberapa pihak. Maka dari itu laporan skripsi ini dipersembahkan diantaranya adalah kepada 1. Bapak, Ibu, Kakak dan Adik yang sangat penulis cintai dan selalu memberikan dukungan secara penuh kepada penulis dari awal hingga berakhirnya masa studi perkuliahan. 2. Keluarga besar H. Busro yang secara tak langsung membantu penulis selama masa perkuliahan. 3. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT sebagai pembimbing khususnya selama perkuliahan hingga penyelesaian skripsi ini. 4. Bapak Prof. Dwi Aries Himawanto yang selama kurang lebih 5 tahun mengarahkan penulis dalam segala hal yang berkenaan dengan perkuliahan. 5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT, sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta sebagai penanggungjawab penulis di lingkungan perkuliahan. 6. Teman-teman seperjuangan Camro 2012 di Teknik Mesin. 7. Teman-teman Forum Mahasiswa Bidikmisi Karanganyar. 8. Teman-teman di Program Studi lain yang sudah menemani selama penulis mengenyam pendidikan perkuliahan. vi

7 STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR MINI-CHANNEL Zulfikar Mahmud Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia zulfikarmahmud76@gmail.com ABSTRAK Studi eksperimen aliran dua fase penting dilakukan sebagai pertimbangan dalam penerapan desain sistem perpipaan yang bergantung pada aliran dua fase. Pola aliran air-udara diidentifikasi pada penelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pola aliran air-udara yang terbentuk pada saluran bulat kecil dengan arah aliran vertikal ke atas serta mengetahui konfigurasi alirannya. Saluran bening diameter dalam 2,5 mm dan 5 mm dengan panjang 1200 mm digunakan dalam penelitian ini. Pola aliran yang terbentuk adalah bubble, slug, churn dan annular. Peta pola aliran baru dibentuk kembali pada penelitian ini. Peta pola aliran hasil penelitian memiliki kemiripan yang baik dengan peta pola aliran Fukano dan Kariyasaki (1993) untuk pipa diameter dalam 2,5 mm dan peta pola aliran Hanafizadeh (2011) untuk pipa diameter dalam 5 mm. Konfigurasi aliran lain seperti kecepatan aktual udara dan fraksi hampa juga diteliti. Analisa dengan drift-flux models dilakukan pada analisa kedua konfigurasi tersebut. Nilai parameter korelasi C 0 mengalami penurunan dari 1,240 ke 1,103 ketika terjadi kenaikan ukuran diameter saluran dari 2,5 mm ke 5 mm. Fraksi hampa hasil penelitian memiliki korelasi yang sangat baik terhadap model fraksi hampa dari Nicklin (1962) dan Armand (1946). Kata kunci : dua fase, saluran bulat, pola aliran, peta pola aliran, drift-flux models, konfigurasi aliran vii

8 VISUALIZATION STUDY OF AIR-WATER TWO PHASE FLOW REGIME INVERTICAL UPWARD CIRCULAR MINI-CHANNEL Zulfikar Mahmud Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of SebelasMaret University Surakarta Indonesia ABSTRACT Two phases flow experimental study was important to be observed as a consideration in the application of piping system design which depends on two phases flow. Air-water flow regime was identified in this experiment. The purposes of this experiment were to investigate the air-water flow regime which was occurred in circular mini-channel with vertical upward flow and to investigate the flow configuration. The transparent channel with inner diameter 2,5 mm and 5 mm, 1200 mm length were used in this experiment. The flow regime which was formed were bubble, slug, churn and annular. The new flow regime map was reformed in this experiment. The flow regime map of the experiment had a similarity to Fukano and Kariyasaki s (1993) flow regime map for 2,5 mm innerdiameter and Hanafizadeh s (2011) flow regime map for 5 mm inner-diameter. The other flow configuration such as air actual velocity and void fraction were also observed. The Analysis by means of drift-flux models was done to both configurations. The value of correlation parameter C 0 decreased from 1,240 to 1,103 when the channel diameter increased from 2,5 mm to 5 mm. The void fraction of the experiment had a very good correlation to void fraction models by Nicklin (1962) and Armand (1946). Keywords: two phase, circular channel, flow regime, flow regime map, drift-flux models, flow configuration viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi dengan judul Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada Vertical Upward Circular Mini-channel ini dengan lancar dan baik. Skripsi ini dibuat dan disusun guna memenuhi salah satu persyaratan 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 pihak lain baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Maka pada kesempatan kali ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak yang telah membantu pada pelaksanaan skripsi ini hingga selesai, 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 member arahan dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT., bapak Dr. Budi Kristiawan, ST., MT., dan ibu Indri Yaningsih, ST., MT., selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan saran yang membangun dalam skripsi ini. 4. Bapak Prof. Dwi Aries Himawanto, sebagai pembimbing akademik yang telah membimbing, memberikan nasehat, memotivasi dan memberikan bekal pengalaman yang akan sangat berguna saat yang akan dating. 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, laboran dan Staff di Program Studi Teknik Mesin yang turut serta membantu demi kelancaran penyelesaian skripsi ini. ix

10 7. Bapak, ibu, dan kakak yang selalu memberikan dorongan baik secara materi maupun spiritual, serta adik kecil yang senantiasa menjadi hiburan disela kesibukan dalam perkuliahan maupun kegiatan di luar sekolah. 8. Teman-teman CAMRO selaku teman-teman senasib seperjuangan yang telah mendorong penulis untuk lebih maju selama kurang lebih empat tahun mengenyam manis pahit suka duka menjalani perkuliahan di Program Studi Teknik Mesin ini. 9. Mahfudz, Guntur, Ridwan, Herlambang tommy dan Siti Kholifah Ifa selaku teman-teman satu penelitian Aliran Dua Fase yang kurang lebih setahun saling bahu-membahu dan melengkapi dalam penyelesaian skripsi ini. 10. Mas Latif dan Mas Mufrih yang telah membantu mengajari dan mengarahkan dalam penggunaan peralatan penelitian Aliran Dua Fase. 11. Teman-teman Badminton KMTM yang selalu menemani melepas penat usai kegiatan perkuliahan maupun dalam penyelesaian skripsi ini. 12. Serta pihak-pihak lain yang sedikit banyak telah membantu demi kelancaran penyelesaian skripsi ini. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam penyusunan laporan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan adanya masukan dan saran yang membangun demi tercapainya laporan hasil skripsi yang lebih baik dan sempurna di kemudian hari. Akhir kata, penulis berharap semoga hasil dari skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua, serta penulis pada khususnya. Surakarta, 4 Mei 2017 Zulfikar Mahmud x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN... iv HALAMAN MOTTO... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi ABSTRAK... vii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xv DAFTAR NOTASI... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xvii DAFTAR PERSAMAAN... xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Dasar Teori Pola aliran gas-cair Persamaan umum aliran dua fase Pengamatan visual aliran dua fase Korelasi fraksi hampa Kecepatan aktual fase gas BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat penelitian Bahan penelitian Parameter Penelitian Parameter yang ditentukan Parameter yang diukur Parameter yang dihitung Prosedur Penelitian Tahap persiapan xi

12 Tahap pengambilan Data Tahap pengolahan dan analisa Data Diagram Alir Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pola Aliran Transisi Pola Aliran Penentuan Pola Aliran Peta Pola Aliran Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 2,5 mm Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 5 mm Perbandingan dengan Peta Pola Aliran Penelitian Lain Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 2,5 mm Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 5 mm Kecepatan Aktual Udara dan Fraksi Hampa Penelitian Kecepatan Aktual Udara Fraksi Hampa BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pola aliran air-udara Mishima dan Hibiki... 6 Gambar 2.2 Peta pola aliran Barnea dkk... 7 Gambar 2.3 Peta pola aliran Fukano & Kariyasaki... 7 Gambar 2.4 Peta pola aliran Hanafizadeh dkk... 8 Gambar 2.5 Peta pola aliran pipa 3 mm Yamaguchi... 9 Gambar 2.6 Peta pola aliran pipa 5 mm Yamaguchi... 9 Gambar 2.7 Batas pola bubble-slug Gambar 2.8 Batas pola slug-churn Gambar 2.9 Batas pola churn-annular Gambar 2.10 Pola aliran pipa vertikal searah ke atas Gambar 2.11 Pola aliran pipa vertikal searah ke bawah Gambar 3.1 Skema alat uji aliran dua fase air-udara Gambar 3.2 Pompa air Gambar 3.3 Kompresor udara Gambar 3.4 Mixer air-udara Gambar 3.5 Saluran uji Gambar 3.6 (a) Flowmeter air, (b) Flowmeter udara Gambar 3.7 Kamera Casio EX-ZR Gambar 3.8 Lampu led deret Gambar 3.9 Perpipaan by-pass Gambar 3.10 Tangki air Gambar 3.11 Rangka utama Gambar 3.12 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Aplikasi pengolah data video Phantom Gambar 4.2 Pola bubble ke slug hasil penelitian (J l = 0,985 m/s) Gambar 4.3 Pola slug ke churn hasil penelitian (J l = 0,496 m/s) Gambar 4.4 Pola churn ke annular hasil penelitian (J l = 0,185 m/s) Gambar 4.5 Peta pola aliran (pipa diameter dalam 2,5 mm) Gambar 4.6 Peta pola aliran (pipa diameter dalam 5 mm) Gambar 4.7 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 2,4 mm Fukano dan Kariyasaki (1993) Gambar 4.8 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 2 mm Hanafizadeh dkk (2011) Gambar 4.9 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 3 mm Hanafizadeh dkk (2011) Gambar 4.10 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 3 mm Yamaguchi (2012) Gambar 4.11 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 4,9 mm Fukano dan Kariyasaki (1993) xiii

14 Gambar 4.12 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 4 mm Hanafizadeh dkk (2011) Gambar 4.13 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 5 mm Yamaguchi (2012) Gambar 4.14 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 4 mm Barnea dkk (1983) Gambar 4.15 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 12,3 mm Barnea dkk (1983) Gambar 4.16 Peta pola aliran air-udara penelitian pada pipa 2,5 mm Gambar 4.17 Peta pola aliran air-udara penelitian pada pipa 5 mm Gambar 4.18 Grafik kecepatan aktual udara pada pipa diameter dalam 2,5 mm Gambar 4.19 Grafik kecepatan aktual udara pada pipa diameter dalam 5 mm Gambar 4.20 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi fraksi hampa model Armand (1946) Gambar 4.21 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi fraksi hampa model Nicklin (1962) Gambar 4.22 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi fraksi hampa model Toshiba (1989) xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Penelitian-penelitianacuanaliranduafase Tabel 4.1 Perbandinganfraksihampapenelitianterhadap model korelasifraksihampaacuan xv

16 DAFTAR NOTASI Simbol Satuan Keterangan A m 2 Luas penampang lubang saluran A G m 2 Luas penampang lubang saluran yang diselimuti fase gas C o - Parameter distribusi pada drift-flux models D m Diameter dalam pipa g m/s 2 Percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s 2 ) j m/s Kecepatan superfisial total (J g + J l ) j G m/s Kecepatan superfisial fase gas j L m/s Kecepatan superfisial fase cair L m Panjang total saluran L e m Panjang saluran dari mixer m G kg/s Laju aliran massa fase gas m L kg/s Laju aliran massa fase cair Q m 3 /s Laju aliran volum total Q G m 3 /s Laju aliran volum fase gas Q L m 3 /s Laju aliran volum fase cair u G m/s Kecepatan aktual fase gas u L m/s Kecepatan aktual fase cair V m/s Kecepatan seret rata-rata pada drift-flux models X - Kualitas massa campuran α - Fraksi hampa β - Kualitas aliran volumetrik µ G kg/m.s Viskositas dinamik fluida gas µ L kg/m.s Viskositas dinamik fluida cair xvi

17 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Pola aliran air-udara pada pipa diameter dalam 2,5 mm Lampiran 2. Pola aliran air-udara pada pipa diameter dalam 5 mm Lampiran 3. Pengukuran kecepatan aktual udara tiap frame Lampiran 4. Kecepatan aktual udara atau u G (dalam m/s) Lampiran 5. Fraksi hampa eksperimen atau α (-) Lampiran 6. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm(j L = 0,741 m/s) Lampiran 7. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 0,917 m/s) Lampiran 8. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,094 m/s) Lampiran 9. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,274 m/s) Lampiran 10.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,451 m/s) Lampiran 11.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,627 m/s) Lampiran 12.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,807 m/s) Lampiran 13.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 1,984 m/s) Lampiran 14.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (j L = 2,164 m/s) Lampiran 15.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,185 m/s) Lampiran 16.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,229 m/s) Lampiran 17.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,273 m/s) Lampiran 18.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,318 m/s) Lampiran 19.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,363 m/s) Lampiran 20.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,407 m/s) Lampiran 21.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,452 m/s) Lampiran 22.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,496 m/s) Lampiran 23.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,541 m/s) Lampiran 24.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,629 m/s) Lampiran 25.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,808 m/s) Lampiran 26.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (j L = 0,985 m/s) xvii

18 DAFTAR PERSAMAAN Persamaan 2.1. Fraksi hampa (void fraction) Persamaan 2.2. Kualitas massa campuran Persamaan 2.3. Kecepatan superfisial fase gas Persamaan 2.4. Kecepatan superfisial fase cair Persamaan 2.5. Kecepatan superfisial fase total Persamaan 2.6. Kecepatan aktual fase gas Persamaan 2.7. Kecepatan aktual fase cair Persamaan 2.8. Kualitas aliran volumetrik Persamaan 2.9. Kualitas aliran volumetrik Persamaan Model korelasi fraksi hampa Armand (1946) Persamaan Model korelasi fraksi hampa Nicklin (1962) Persamaan 2.12 Model korelasi fraksi hampa Toshiba (1989) Persamaan Kecepatan aktual fase udara pada drift-flux models xviii