STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE ( AIR - UDARA ) MELEWATI ELBOW 30 DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 60 Gede Widayana 1) dan Triyogi Yuwono 2) 1) Dosen Universitas Pendidikan Ganesha (Undiksha) Singaraja ( Mahasiswa Pasca Sarjana Jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya ) Jl. A Yani no 67 Singaraja (Bali) 81116. 2) Guru besar di Pascasarjana Jurusan Teknik Mesin, ITS Surabaya Jl.Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111. Email : 1) widayana_1@yahoo.co.id, 2) triyogi@me.its.ac.id Abstrak Dalam kehidupan sehari-hari selain aliran satu phase, kita juga temukan aliran multiphase dimana salah satunya adalah aliran dua fase. Aliran dua fase banyak dijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada ketel uap, kondensor, alat penukar panas, reaktor nuklir, pencairan gas alam, pipa saluran dan lainlain.pada aliran satu fase, pressure drop dipengaruhi oleh Reynolds number yang merupakan fungsi dari viskositas, berat jenis fluida dan diameter pipa. Sedangkan aliran dua fase, pressure drop disamping dipengaruhi oleh Reynolds number juga dipengaruhi oleh interaksi antar fase, deformasi permukaan dan pergerakan antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pola aliran dan lain sebagainya. Pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh elbow 30 dengan R/D 0,7 terhadap parameter aliran dua fase (air dan udara) dalam pipa yaitu pressure drop, distribusi void fraction dan perubahan flow pattern. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental dan numerik. Dimana menggunakan bahan pipa transparan (acryllic) diameter (D) 0,036 m, panjang pipa vertikal 2 m, elbow 30 R/D 0,7 dan pipa miring 1 m. Fluida kerja yang digunakan adalah air dan udara. Pada eksperimen kecepatan superficial liquid yang digunakan adalah 0,3 m/s 1,1 m/s dan volumetrik rasionya (β) adalah 0,03 0,25. Pengukuran pressure drop menggunakan manometer U pada pipa vertikal, inlet elbow, outlet elbow dan pada pipa miring 60. Sedangkan global void fraction (α) dilakukan dengan metode pressure gradient dan visualisasi aliran menggunakan kamera digital. Pada penelitian secara numerik menggunakan program Fluent 6. dan Matlab 7 untuk membandingkan flow pattern dan distribusi void fraction dengan hasil eksperimen. Hasil penelitian didapatkan bahwa untuk pressure drop pada pipa vertikal terjadi penurunan dengan bertambahnya kualitas volumetrik gas. Hal ini juga terjadi pada elbow dan pada pipa miring 60, namun nilainya lebih kecil dibanding dengan yang terjadi pada pipa vertikal. Kecepatan superficial liquid (Usl) mempengaruhi pola aliran setelah melewati elbow 30 dimana pada hasil visualisasi terlihat adanya perubahan dari bubble menjadi bubble cluster, plug bubble, slug bubble. Kata kunci : Elbow 30, aliran dua fase air dan udara, pressure drop, flow pattern. 1. Pendahuluan Aliran dua fase mempunyai fenomena yang sangat kompleks dibanding pada aliran satu fase diantaranya adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan, pergerakan
antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pola aliran dan perubahan pressure drop sehingga menjadi ketertarikan dalam penelitian. Penelitian yang dilakukan oleh Benard (2006) menggunakan elbow 90, R/D = 0,6539 dari pipa vertikal menuju pipa horizontal. Diameter dalam pipa (D) = 0,026 m. Hasil yang didapatkan bahwa pressure drop pada posisi vertical inlet tangent menunjukkan beberapa perbedaan yang signifikan pada pipa vertikal. Karena adanya elbow yang menyebabkan aliran inlet terhambat sehingga menaikkan tekanan dan jumlah fase liquid pada vertical inlet riser dan perbedaan struktur dari flow regime dibandingkan dengan pipa vertikal lurus tanpa adanya gangguan belokan. Penelitian yang dilakukan Yudi Sukmono (2009) menggunakan elbow 90 dengan R/D = 0,6 dan diameter dalam pipa (D) 0,036 m. Hasil penelitiannya bahwa pressure drop pipa vertikal akan semakin turun pada β yang semakin tinggi pada setiap variasi Usl. Sedangkan pada elbow memiliki kecenderungan naik pada Usl dengan β yang semakin besar tetapi turun pada Usl rendah dan pada pipa horozontal memiliki kecenderungan naik pada setiap Usl dengan nilai β yang semakin besar akibat pengaruh elbow. Penelitian oleh Priyo Heru Adiwibowo (2009) menggunakan elbow 45 R/D = 0,7, hasilnya adalah pada setiap variasi Usl, pressure drop pada pipa uji vertikal terjadi penurunan dengan bertambahnya β, pada elbow terjadi penurunan dengan bertambahnya β, dan pipa miring terjadi penurunan dengan bertambahnya β. Pada penelitian ini meneliti fenomena flow pattern dan pressure drop two-phase flow dengan menggunakan elbow 30 R/D = 0,7 dengan diameter dalam pipa (D) = 0,036 m dari arah vertikal ke menuju pipa dengan sudut kemiringan 60. 2. Metode Penelitian Rangkaian eksperimen, seperti terlihat pada Gambar 1 yang terdiri dari tangki air, pompa sentrifugal, sistem pengatur aliran, water accumulator, test section, liquid-gas separator dan gas supply. Bidang uji terdiri dari satu buah pipa vertikal dengan tinggi 2 m dan sebuah pipa miring dengan panjang 1 m yang saling terhubung dengan elbow 30 o (short elbow R/D=0,7). Semua bidang uji terbuat dari pipa acrilyc dengan diameter dalam (ID) 0,036 m. Air dan udara akan bercampur di bagian dasar bidang uji. Udara yang suplai dari kompresor akan diinjeksikan ke dalam bidang uji melalui annular air injectors dengan 32 ports dengan ukuran 710 µm. Kecepatan alir air akan diukur menggunaan Doppler flow meter dan kecepatan alir udara (gas) akan diukur menggunakan tipe pelampung (Dwyer Rate- Master) gas flow meter. Thermocouple tipe T digunakan untuk mengukur temperatur dari fluida kerja. Eksperimen akan dilakukan dengan variasi kecepatan superficial cairan (U SL ) dengan kisaran 0,3 m/s ~ 1,1 m/s sedangkan kualitas volumetrik gas (β) akan divariasikan dengan kisaran 0,03~0,25. Keterangan : 1. Tangki air 8. Termometer digital 2. Pompa 9. Rotameter 3. Katup bypass 10. Dryer 4. Accumulator 11. Tangki udara 5. Droppler flow meter 12.Kompresor 6. Annular air injector 13. Kamera digital 7. Pressure gauge 14. Komputer 15. Gas liquid separator Gambar 1. Diagram Eksperiment Setup
Pengukuran penurunan tekanan ( Pressure drop ) menggunakan manometer tipe U. Kamera digital dipasang untuk merekam gambar visualisasi pola aliran di bagian pipa vertikal, elbow dan di sepanjang pipa dengan sudut kemiringan 60. 3. Analisa Data dan Hasil Perhitungan pressure drop secara eksperimen dilakukan pada tiga bagian, yaitu pada pipa vertikal ( P vertical ), elbow ( P Elbow ) dan pipa miring ( P Miring ). ( h1 h )] ρ g ( h h )] ρ g Gambar 2. Elbow 30 dengan R/D = 0,7 p verical = [ Z12 + 2 (1) p elbow = [ Z 2 + 3 2 3 (2) p miring = [ Z 34 + ( h3 h4 )] ρ g (3) Dimana: Z 12 = Elevation antara pressure taps 1 & 2 (m) Z 23 = Elevation antara pressure taps 2 & 3 (m) Z 34 = Elevation antara pressure taps 3 & 4 (m) h 1, h 2, h 3, h 4 = Hasil ketinggian level air pada monometer g = Percepatan gravitasi (m s -2 ) ρ = Kerapatan liquid (kg/m 3 ) (m) Hasil eksperimen dan numerik yang didapat adalah sebagai berikut : (a) (b)
(c) Gambar 3. Pressure drop numerik dan eksperimen pada kecepatan U SL =0,3m/dt di (a) pipa vertikal, (b) elbow 30 dan 75 dan (c) pipa miring 60 dan 15 Pada Gambar 3 (a) diatas menunjukkan bahwa pressure drop pada pipa vertikal terjadi penurunan dengan bertambahnya kualitas volumetrik gas (β) yang diberikan atau dengan bertambahnya Reynolds superficial gas (Re SG ). Gambar 3 (b) menunjukkan bahwa pressure drop pada elbow menurun dengan bertambahnya Re SG yang diberikan. Gambar 3 (c) menunjukkan pressure drop pada pipa miring 60 semakin menurun dengan semakin bertambahnya Re SG. Penurunan pressure drop pada gambar 3 diatas mempunyai tren yang sama dengan hasil numerik yang dilakukan dengan program Matlab. (a) (b)
(c) Gambar 4. Pressure drop numerik dan eksperimen pada kecepatan U SL =1,1m/dt di (a) pipa vertikal, (b) elbow 30 dan 75 dan (c) bidang miring 60 dan 15 Pada Gambar 4 (a) diatas terlihat bahwa pada pipa vertikal pressure drop mengalami penurunan pada Re SG yang semakin naik. Untuk di elbow gambar 4 (b), pressure drop juga mengalami penurunan dan untuk di pipa miring gambar 4 (c), pressure drop juga mengalami penurunan dengan bertambahnya Re SG. Hasil visualisasi pola aliran pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Bubbly cluster (a) (b) (c) Gambar 5. Visualisasi pola aliran dua fase pada pipa vertikal untuk kec 0,3 m/dt, a) pada β=0,03 b) pada β=0,11 c) pada β=0,25
Plug bubbly flow Slug bubbly flow (a) Gambar 6. Visualisasi pola aliran dua fase pada elbow 30 dan bidang miring 60 untuk kec 0,3 m/dt, a) pada β=0,13 b) pada β=0,25 Pada gambar 6 diatas memperlihatan bahwa pada kecepatan rendah U SL =0,3 m/dt tampak bahwa pada pipa miring terjadi perubahan dari bubbly menjadi plug-bubbly flow dan slugbubbly flow. 4. Kesimpulan Dari hasil diskusi diatas dapat diambil suatu kesimpulan sebagai berikut : 1. Karakteristik pressure drop terjadi penurunan dengan bertambahnya kualitas volumetrik gas (β) yang diberikan atau dengan bertambahnya Re SG, baik pada ppa vertikal, elbow maupun pipa miring 60.Besarnya penurunan pressure drop pada masing-masing pipa berbeda-beda. 2. Pola Aliran sangat tergantung dari kecepatan superficial cairan (U SL ) dan volumetrik gas rasio (β) yang diberikan. 5. Daftar Pustaka [1] Boyun Guo: Offshore Pipelines, University of Louisiana at Lafayette (2005). [2] Benard. E & Spedding P.L: Gas Liquid Two Phase Flow through a Vertical 90 Elbow Bend, Experimental Thermal and Fluid Science 31 hal. 761 769 (2006). [3] Chilsholm, 1967: Two-phase Flow in Bends, International Journal of Multiphase Flow, volume 6, Issue 4, pages 363-367 (1967). [4] Levy. E.K: Gas Solid Flow Behavior in a Horizontal Pipe after a 90 Vertical-to- Horizontal Elbow, Powder Technology 116 2001 hal. 43 52 (2000). [5] Priyo H.A: Studi Eksperimen Dan Numerik Gas-Cairan Aliran Dua Fase Melewati Elbow 45 Dari Arah Vertikal Ke Posisi Miring 45 (2009). [6] Tekna: Handbook of Multiphase Flow Metering (2005). [7] Triyogi Yuwono: Pengukuran Global Void Fraction dengan Menggunakan Metode Pressure Gradien, volume 6 no.2 Jurnal IPTEK Teknik Mesin, ITS, Surabaya (1995) [8] Taylor & Francis: Multiphase Flow Handbook (2006). (b)