KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR DUA FASA UDARA DAN AIR SEARAH DALAM PIPA VERTIKAL PADA DAERAH ALIRAN KANTUNG (SLUG FLOW)

Transkripsi

1 KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR DUA FASA UDARA DAN AIR SEARAH DALAM PIPA VERTIKAL PADA DAERAH ALIRAN KANTUNG (SLUG FLOW) Imam Syofii, Nuryo Suwito, Kunarto, Deendarlianto Jurusan Teknik Mesin, UGM ABSTRAK Koefisien perpindahan kalor lokal dan parameter alir telah terukur untuk aliran kantung dengan menggunakan aliran dua fasa air-udara dan pipa tembaga berdiameter 25,4 mm dan tinggi 1200 mm. Aliran kantung diperoleh dengan mengalirkan udara melalui nosel sepusat berlubang yang ditempatkan di dalam suatu pipa transparan yang di dalamnya terdapat aliran air. Data pemindahan kalor telah terukur di bawah suatu syarat batas fluks kalor dinding berkisar antara 4850 sampai 9250 W/m2. Angka Reynolds supercial dari 4222 sampai 8350 untuk air dan dari 364 sampai 700 untuk udara. Hasil percobaan menunjukan bahwa koefisien perpindahan kalor eksperimen meningkat dengan kenaikan angka Reynolds superficial air dan sebaliknya koefisien perpindahan kalor eksperimen turun dengan turunnya angka Reynolds superficial udara, korelasi koefisien perpindahan kalor eksperimen bila dibandingkan dengan metode Chen dan Ghajar menunjukkan tren yang samadan memiliki karekteristik yang sama. Kata kunci ; koefisien perpindahan kalor, aliran kantung, pipa vertikal PENDAHULUAN Aliran gas-cair banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses industri. Gejala perpindahan kalor dalam media dengan aliran gas-cair banyak dijumpai dalam komponenkomponen sistem konversi energi. Ketel uap (boiler) harus merubah air yang mengalir di dalam pipapipanya menjadi uap, sehingga proses pendidihan (boiling) terjadi pada struktur aliran dua fasa. Perpindahan kalor yang terjadi ditentukan oleh koefisien perpindahan kalor yang dalam hal ini sangat dipengaruhi oleh hubungan kompleks antara properties fluida, dimensi dan permukaan pipa serta pola aliran (flow pattern) dua fasa. Apabila fluida terdinginkan lanjut (subcooled) memasuki suatu pipa penguap (evaporator) dan keluar dari pipa tersebut sebagai uap terpanaskan lanjut (superheated), maka berbagai pola aliran dan regim perpindahan kalornya dapat terjadi. Berbagai upaya untuk memprediksi koefisien perpindahan kalor pada aliran dua fasa karena pendidihan dengan berbagai bentuk pola aliran telah banyak dilakukan secara analitis maupun eksperimen, namun pada aliran dua fasa dua komponen dengan pola aliran kantung ( slug flow ) belum begitu banyak literature yang membahas. Tulisan ini melaporkan upaya penelitian perpindahan kalor pada pipa tegak dengan bentuk aliran kantung aliran searah menggunakan peralatan yang menghasilkan aliran kantung tanpa proses pendidihan. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan: 1. Untuk mengetahui harga koefisien perpindahan kalor aliran dua fasa yang dipengaruhi oleh perubahan debit udara, perubahan debit air dan perubahan fluks kalor listrik pada aliran dua fasa (air-udara) dengan pola aliran kantung (slug flow) yang mengalir searah keatas dalam pipa yang dindingnya dipanaskan. 2. Mendapatkan korelsi empiris koefisien perpindahan kalor hasil penelitian. Tinjauan Pustaka Ghajar dkk (2006), melakukan penelitian tentang koefisien perpindahan kalor aliran dua fasa dalam pipa horizontal, dengan fluida uji air-udara dalam bentuk aliran kantung. Peralatan utama untuk melakukan percobaan adalah pipa stainless steel diameter 27,9 mm dan L/D adalah 100. Data perpindahan kalor yang diukur pada kondisi batas heat flux dinding uniform dengan daerah antara 3000 W/m 2 sampai W/m2, bilangan Reynold superficial antara 820 sampai untuk air dan dari 560 sampai untuk udara. Hasil penelitiannya menunjukan terjadi kenaikan koefisien perpindahan kalor rata-rata dengan kenaikan Re SL (Re SG konstan ) dan terjadi penurunan perpindahan kalor dengan kenaikan Re SG (Re SL konstan). Kim dkk (2000) meneliti korelasi perpindahan panas dua fasa tanpa pendidihan (non boiling) pada pipa vertikal dengan menggunakan kombinasi empat fluida ( air-udara, slikon-udara, air - helium,dan air-freon 12) untuk aliran turbulen (Re SL >4000) di dalam pipa vertikal. Hasil penelitiannya 47

2 menunjukan peningkatan korelasiperpindahan panas cal dan deviasi rata 3,53 %, rms deviasi 12,98 %, range deviasi -13,97% dan 39,55% (airudara 105 titik data Vijay). Kamal, melakukan penelitian tentang koefisien perpindahan kalor aliran dua fasa dalam pipa vertikal yang dipanaskan tanpa pendidihan, dengan fluida uji air-udara dalam bentuk aliran kantung. Peralatan utama untuk melakukan percobaan adalah pipa stainless steel diameter 12,7 mm dan panjang 1500 mm, ujung atas dan bawah pipa dipasang pipa kaca untuk mengukur pola aliran fluida uji. Sepanjang pipa uji diberi elemen pemanas listrik yang mampu menghasilkan fluks kalor 400 kw/m2. untuk mengukur temperatuir dinding dipasang 10 termokopel sepanjang pipa uji, temperatur aliran masuk dan keluar diukur menggunakan termokopel yang dipasang masuk sampai sumbu pipa. Analisis hasil penelitian dilakukan menggunakan korelasi Chen dan Wadekar. Hasil penelitiannya menunjukan bahwa prediksi Wadekar lebih dekat dengan hasil pengukuran dibanding prediksi Chen. Namun demikian, terutama untuk kondisi kualitas gas yang kecil sekitar 0,05 hingga 0,2 prediksi Chen memberikan harga perpindahan kalor yang cukup baik. Aliran kantung biasanya terjadi pada proses pendidihan yang mengalir dengan fluks massa dan kualitas uap yang rendah. Sebagai criteria transisi dari aliran kantung ke aliran annular dapat digunakan angka Froud termodifikasi J G * > 1 dengan (1) Kualitas uap x, akan naik terhadap tekanan. Dengan demikian, penelitian aliran kantung diharapkan lebih stabil jika dilakukan pada flow boiling dengan fluks massa dan kualitas uap yang rendah, tapi dengan tekanan yang tinggi. Namun demikian gabungan ketiga factor tersebut di atas pada pipa percobaan yang dipanasi, juga lebih mendorong terjadinya nucleat boiling pada saat temperature dinding melebihi temperature saturasi dari fluida, dan perpindahan kalor konveksi dua fasa dalam bentuk aliran kantung dengan mudah akan sangat terganggu oleh adanya nucleat boiling tersebut. Koefisien perpindahan kalor eksperimen dihitung dari koefisien kalor lokal masing-masing segmen.kalor yang diserap oleh fluida dua fasa adalah, Koefisien perpindahan kalor lokal dihitung dengan persamaan berikut, (2) (3) Tb dan Tw adalah temperatur bulk dan wall fluida pada masing-masing segmen. Koefisien perpindahan kalor seluruh pipa uji merupakan hasil rata-rata dari koefisien perpindahan kalor masing masing segmen. Korelasi Chen (1966) diasumsikan untuk dapat digunakan pada seluruh daerah aliran mulai dari nucleat boiling sampai dengan titik dry out dalam bentuk (4) dengan demikian F dapat juga dikatakan merupakan rasio perpindahan kalor konvektif aliran dua fasa terhadap aliran satu fasa cair. Komponen satu fasa cair dihitung dari persamaan Dittus Boelter (5) Ghajar, mengembangkan korelasi perpindahan kalor dua fasa aliran gas-cair dalam pipa tanpa pendidihan. Koefisien perpindahan kalor dua fasa merupakan penjumlahan perpindahan kalor tiap fasa 48

3 dimana h L dari Seider dan Tate korelasi perpindahan panas adalah (6) (7) Berdasarkan korelasi ini, koefisien perpindahan panas satu fasa pada persamaan 6), h L dan h G dapat dimodelkan sebagai fungsi bilangan Reynolds, bilangan Prandtl dan rasio bulk terhadap dinding viscositas. Setelah melalui analitis matematis, koefisien perpindahan kalor dua fasa (pers.6) menjadi (8) Dimana C = 16,69; m = -0,32; n = 1,68; p = 1,23; q = 0,40 Koefisien perpindahan kalor dua fasa hasil penelitian dianalisis dalam bentuk bilangan Nuselt, persamaan 8 dapat dikembangkan menjadi, selanjutnya dibentuk dalam persamaan logaritma, (9) (10) Persamaan 10 merupakan persamaan linier yang sama dengan persamaan berikut, Y = b 0 + b 1 v 1 + b 2 v 2 + b 3 v 3 (11) Menggunakan regresi linier jamak dapat dibentuk menjadi persamaan berikut, (12) Persamaan 12 diselesaikan menggunakan metode eliminasi Gaus untuk mendapatkan nilai b0, b1, b2, b3 yang equivalen dengan koefisien a, b, c, dan d Alat Dan Cara Percobaan Pipa seksi uji terbuat tembaga berdiameter 25,4 mm dan panjang 1200 mm.sebagai pemanas digunakan listrik dari pemasok daya dengan tegangan dan arus langsung pada pipa seksi uju dengan kemampuan menghasilkan fluks kalor sampai dengan kw/m2. Sepanjang pipa percobaan, dipasang 16 termokopel untuk mengukur temperature permukaan. Temperatur aliran masuk dan keluar pipa percobaan diukur menggunakan termokopel yang dipasang masuk ke dalam tengah laju aliran massa aliran dan udara diukur menggunakan rotameter. Keseleruhan peralatan percobaan terlihat pada gambar 1). Untuk memeriksa bahwa peralatan dan alat ukur beroperasi dengan benar, maka pertama dilakukan percobaan aliran satu fasa, menggunakan air, dan dilakukan pembacaan serta kalkulasi berdasar kesetimbangan kalor. Percobaan dilakukan dengan pertama, mengalirkan air ke dalam pipa percobaan menggunakan pompa dan kemudian udara, yang diambil dari saluran udara laboratorium, dialirkan ke dalam pipa percobaan melalui pengatur tekanan dan debit udara. Kedua aliran tersebut diatur menggunakan keran pengatur, sampai terjadi aliran kantung steady pada percobaan yang terlihat pada pipa gelas bawah seksi uji dan atas seksi uji. Setelah itu, aliran listrik diberikan dengan mengaktifkan pemasok daya yang dapat diatur. Bila sudah tercapai kondisi steady state secara keseluruhan, maka mulai dilakukan pencatan dan penghitungan; catu aliran air dan udara, tekana, 49

4 temperature udara dan air masuk dan keluar pipa percobaan, serta temperature permukaan pipa percobaan untuk mendapatkan fluks kalor. Pembacaan tekanan diperlukan untuk menentukan temperature saturasinya. Selanjunya, catu udara dan air divariasi untuk menghasilkan angka Reynold superficial air dan udara pada fluks massa nominal yang sama /tetap. Total percobaan yang dilakukan adalah sebanya 90 data titik percobaan. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari gambar 3(a) dapat diobservasi bahwa koefisien perpindahan kalor rata-rata overall pada hakekatnya meningkat dengan peningkatan Angka Reynolds superficial cairan dan gambar 3(b) menunjukkan suatu pengurangan sedikit dengan peningkatan Angka Reynolds superficial gas pada suatu Angka Reynolds superficial cairan ditetapkan. Di dalam gambar ini, telah ditunjukkan bahwa cairan adalah fase yang dominan untuk pemindahan kalor, dan seperti itu, diasumsikan bahwa pemindahan kalor di dalam aliran kantung adalah serupa dengan aliran satu fase. Dengan korelasi Sider dan Tate's, efek Angka Reynolds superficial gas, yang mana menunjukkan suatu gradient negatif di dalam gambar 3(b), pada pemindahan kalor telah diadaptasikan sebagai suatu parameter tambahan. Koefisien perpindahan kalor hasil eksperimen memiliki harga yang jauh berbeda dengan hasil yang diberikan dari korelasi Chen maupun Ghajar. Korelasi Chen telah digunakan untuk analisis perpindahan kalor dua fasa air-udara dalam bentuk aliran kantung vertical tanpa pendidihan, hasilnya cukup baik untuk kualitas gas yang kecil sekitar 0,05 hingga 0,2 (Kamal 2000). Adanya perbedaan yang cukup besar dapat dikemukakan alasannya bahwa penelitian ini memiliki harga kualitas gas 0, hingga 0, Sementara itu korelasi Ghajar menggunakan syarat batas Angka Re superficial cairan 4000 sampai 1,26E05 dan 1,18E- 3<(Prg/Prl)<0,14, sedangkan pada penelitian ini harga Angka superficial cairan dari 4000 sampai 8000 dan 0,103702<(Prg/Prl)<0, Hal lain yang dapat dikemukakan adalah adanya perbedaan skema instalasi percobaan. Hasil selengkapnya diberikan pada gambar 4. 50

5 Gambar 3. Variasi koefisien perpindahan kalor dua fasa dengan Bilangan Re cairan dan gas pada fluks kalor 9250 W/m 2 Gambar 4. Korelasi koefisien perpindahan kalor dua fasa dengan koefisien perpindahan kalor eksperimen pada fluks kalor 9250 W/m 2 KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil pengamatan dan pembahasan penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Koefisien perpindahan kalor dua fasa air-udara aliran searah meningkat dengan meningkatnya Angka Reynolds superficial cairan dan menurunnya koefisien perpindahan kalor dengan peningkat Angka Reynolds superficial gas. 2. Harga koefisien perpindahan kalor dua fasa air-udara aliran searah hasil korelasi Ghajar dan korelasi Chen memiliki harga yang jauh lebih kecil dibanding hasil penelitian. 3. Korelasi empiris yang dihasilkan pada penelitian ini adalah: Berlaku pada kondisi: 4222<Resl<8250 dan 464<Resg<700 dan 0,00153<x<0,03217 Berdasarkan hasil penelitian, pembahasan dan kesimpulan yang diperoleh, ada beberapa hal yang dapat disarankan untuk penelitian serupa di masa datang sebagai berikut: 1. Ketelitian pembacaan alat ukur agar lebih ditingkatkan utamanya dalam pengukuran temperature, pembacaan dan penggunaan alat ukur manual memberikan pengaruh kesalahan terhadap hasil penelitian karena kemampuan pembacaan masing-masing alat ukur berbeda. Perangkat pengukurandengan metoda akusisi data sangat diperlukan karena mampu mengukur beberapa 51

6 titik dalam waktu yang bersamaan. Dengan metoda akusisi dimungkinkan untuk melakukan pengukuran pada titik yang lebih banyak dengan ketelitian yang lebih baik, pengukuran temperature dinding untuk tiap segmen akan lebih akurat bila dilakukan pada beberapa titik secara keliling. DAFTAR PUSTAKA Celata, G. P., Chiaradia, A., Cumo, M., D annibale, F., (1999), Heat transfer enhancement by air injection in upward heated mixed-convection flow of water, MF, 33, Ghajar, A.J., 2004, Heat Transfer Measurements and Correlations For Air-Water Two Phase Slug Flow in a Horizontal Pipe, Proceedings of HT-FED2004 ASME Heat Transfer/Fluid Engineering Summer Conference Charlotte July 11-15, 2004, North Carolina. Kamal, S. 2002, Studi Eksperimental Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fasa pada Pipa Vertikal dalam Bentuk Aliran Kantung (Slug Flow) Menggunakan Aliran Udara-Air, Teknosains, 16B(1), UGM, Yogyakarta. Notasi A Luas penampang m2 α Fraksi hampa Ch Chen μ Viskositas dinamis kg/m s Cp Kalor jenis J/kg oc ρ Densitas kg/m3 D Diameter M Gh Ghajar Eks Eksperimen h Koefisien perpindahan kalor W/m2 oc G Fluks laju aliran Kg/m2s x Kualitas gas T Temperatur o C y Fraksi berat U Kecepatan aktual m/s Z Panjang m I Arus listrik Amp Indeks j Kecepatan superfisial m/s k Konduktivitas termal W/m2 oc b Curah Laju aliran massa Kg/s g Gas Nu Bilangan Nuselt i Dalam Pr Bilangan Prandtl in Masuk Q Debit m 3 /s l Cair q Kalor W o Luar q Fluks kalor W/m 2 out Keluar Re Bilangan Reynold tp Dua fasa 52