STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR-UDARA) MELEWATI ELBOW 60 o DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30 o Agus Dwi Korawan 1, Triyogi Yuwono 2 Program Pascasarjana, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 email: 1 ad_korawan@yahoo.co.id, 2 triyogi@me.its.ac.id Kata kunci: aliran dua fase, elbow 60 o, pressure drop Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh elbow terhadap pressure drop aliran dua fase (air dan udara) dalam pipa. Menggunakan pipa transparan dengan diameter dalam 36 mm, posisi vertikal dengan panjang 2000 mm, dihubungkan dengan elbow 60 o yang mempunyai R/D = 0,7 dan dilanjutkan dengan pipa dengan sudut kemiringan 30 o sepanjang 1000 mm, air sebagai fluida kerja liquid dan udara sebagai fluida kerja gas. Pengujian dilakukan dengan memberikan variasi superficial liquid velocity (Usl) mulai 0,3 m/s 1,1 m/s serta variasi volumetric gas quality (β) = 0,03 0,25. Pressure drop diukur menggunakan manometer U dan secara numerik digunakan MATLAB 7 untuk memprediksi pressure drop secara analitik. Hasil pengukuran pressure drop pipa vertikal akan semakin turun pada β yang semakin besar pada setiap variasi superficial liquid velocity (Usl), pressure drop pada elbow memiliki kecenderungan turun pada setiap superficial liquid velocity (Usl) dengan β yang semakin besar, dan pressure drop pada pipa miring juga memiliki kecenderungan turun pada setiap superficial liquid velocity (Usl) dengan nilai β yang semakin besar. Kata kunci: aliran dua fase, elbow 60 o, pressure drop Latar Belakang Di Industri seringkali dijumpai beberapa fase ( cair-gas, cair-padat dan padat-gas) mengalir secara bersama dalam sebuah saluran tertutup (pipa), misalnya fase cair dan gas pada instalasi ketel uap, evaporator dan kondensor pada mesin pendingin, fase gas dan padat dalam aliran udara-pasir dalam sand blast (mesin pembersih karat), fase cair dan padat dalam aliran air-pasir dalam proses penambangan pasir. Bila dibandingkan dengan aliran satu fase maka aliran dua fase ini mempunyai fenomena yang sangat komplek, hal ini disebabkan karena adanya interaksi antar fase, deformasi permukaan, pergerakan antar fase, ketidak seimbangan fase dan sebagainya, yang disebabkan oleh bercampurnya fase gas dan cair yang tidak homogen. Bilangan Reynolds yang semula pada aliran satu fase merupakan fungsi dari viscositas, berat jenis fluida dan diameter pipa, maka pada aliran dua fase juga dipengaruhi oleh interaksi antar fase dan akan menghasilkan fenomena pola aliran yang berubah-ubah. Oleh karenanya penting untuk mengetahui dan memprediksi pola aliran yang terjadi sepanjang aliran sehingga dapat mengetahui hubungannya dengan pressure drop pada aliran tersebut, hasil penelitian ini akan berguna bagi daya saing industri dalam menghadapi ACFTA.
Penelitian aliran dua fase telah dilakukan oleh Benard (2006) menggunakan elbow 90 0 dari pipa vertikal menuju pipa horisontal dengan diameter dalam pipa 0,026 m menunjukkan bahwa Pressure drop pada posisi vertikal terjadi beberapa perbedaan yang signifikan pada pipa vertikal karena adanya elbow yang menyebabkan aliran inlet terhambat sehingga menaikkan tekanan dan perbedaan struktur dari flow regime dibandingkan dengan pipa vertikal lurus tanpa adanya gangguan elbow. Juga dilakukan oleh Yudi Sukmono (2009) menggunakan elbow 90 0 dengan R/D = 0,6 dengan diameter dalam pipa 36 mm. Hasil pengukuran 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. Berbeda dengan Priyo Heru Adiwibowo (2009) yang menggunakan elbow 45 0 dengan R/D = 0,7, menyimpulkan bahwa 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. Metodologi Untuk melakukan eksperimen, dibuat rangkaian khusus aliran tertutup seperti terlihat pada Gambar 1. Bidang uji terdiri dari satu buah pipa vertikal dengan tinggi 2 m dan sebuah pipa dengan kemiringan 30 0 sepanjang 1 m yang saling terhubung dengan elbow 60 o (R/D=0,7). Semua bidang uji terbuat dari pipa acrilyc dengan diameter dalam 36 mm. Air dan udara akan bercampur di bagian dasar bidang uji. Kecepatan air diukur menggunaan Doppler flow meter dan debit udara diukur menggunakan rotameter tipe pelampung, dilakukan dengan variasi kecepatan air pada kisaran 0,3 m/s 1,1 m/s sedangkan volumetric gas quality akan divariasikan dengan kisaran 0,03-0,25. Pengukuran pressure drop menggunakan manometer air tipe U pada pipa vertikal, elbow dan pipa miring. Keterangan : 1. Tangki air 2. Pompa 3. Katup bypass 4. Accumulator 5. Doppler flow meter 6. Annular air injector 7. Pressure gauge 8. Termometer digital 9. Rotameter 10. Dryer 11. Tangki udara 12. Kompresor 13. Kamera digital 14. Photo editing 15. Gas-liquid separator Gambar 1. Diagram peralatan penelitian Hasil dan Pembahasan Perhitungan pressure drop secara eksperimen dilakukan pada tiga bagian, yaitu pada pipa vertikal (P vertical ), elbow (P Elbow ) dan pipa miring (P Miring ).
p verical p elbow p miring [ Z12 2 Z h1 h ] g h h ] g [ 23 2 3 [ Z 34 ( h3 h4 )] g 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 m g = Percepatan gravitasi m s -2 =Kerapatan liquid kg/m 3 Dengan variasi superficial liquid velocity (Usl) mulai dari 0,3 m/s (Resl=13497) sampai dengan 1,1 m/s (Resl=49487) dan variasi volumetric gas quality (β) dari 0,03 sampai dengan 0,25 didapat pressure drop pada pipa vertikal seperti gambar 2. 21,00 ΔPvertikal (kpa) 20,50 20,00 19,50 19,00 18,50 18,00 17,50 17,00 Re sl = 13497 22494 32492 40490 49487 16,50 16,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 β Gambar 2. Grafik Pressure drop pada pipa vertikal dari berbagai Re sl terhadap kualitas volumetrik gas β (β = 0 adalah single phase hanya air) Menunjukkan bahwa pressure drop pada pipa vertikal cenderung menurun dengan meningkatnya β pada setiap Reynolds superficial liquid (Re sl ),. Besarnya kemiringan dari grafik menunjukkan bahwa pressure drop untuk aliran vertikal ke atas cenderung menurun akibat pengaruh densitas kedua fase. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pressure drop akibat ketinggian (elevation) memberikan kontribusi yang paling dominan dibandingkan pressure drop akibat friction dan momentum. Pressure drop pada elbow juga menurun dengan meningkatnya β pada bilangan Reynolds superficial liquid (Re sl ) 13497 sampai dengan 32492, seperti ditunjukkan pada gambar 3. Tetapi pada Reynolds superficial liquid (Re sl ) 40490 4948 pressure drop cenderung turun dan kemudian naik dengan bertambahnya β.
Gambar 3. Grafik Pressure drop pada elbow dari berbagai Re sl terhadap kualitas volumetrik gas β (β = 0 adalah single phase hanya air) Pada gambar 4 merupakan grafik dari variasi bilangan Reynolds superficial liquid (Resl) dan variasi kualitas volumetrik gas (β) pada pipa miring yang mengalami penurunan pressure drop dengan meningkatnya β meskipun penurunannya tidak sebesar pada pipa vertikal. Hal ini akan dijelaskan sebagai berikut pada pipa miring dipengaruhi oleh tiga komponen yaitu akibat elevasi (gravitasi sebagai komponen utama), gesekan (friction) dan momentum. Dari ketiga komponen tersebut faktor elevasi masih dominan walaupun tidak sebesar pada pipa vertikal. Tetapi dilihat dari variasi bilangan Reynolds superficial liquid (Resl) terlihat bahwa semakin besar nilai bilangan Reynolds superficial liquid (Resl) maka pressure drop yang terjadi semakin besar. ΔPmiring (kpa) 5,00 4,80 4,60 4,40 4,20 4,00 3,80 Re sl = 13497 22494 32492 40490 49487 3,60 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 β Gambar 4. Grafik Pressure drop pada pipa miring dari berbagai Re sl terhadap kualitas volumetrik gas β (β = 0 adalah single phase hanya air)
Berdasarkan pola aliran yang terjadi setelah elbow, dilakukan perhitungan pressure drop secara analitik menggunakan Matlab dengan fasilitas GUI (graphic User interface) sehingga hasil bisa disajikan dalam bentuk grafik, pada gambar 5, 6 dan 7 dibandingkan grafik pressure drop secara analitis dan eksperimen untuk pipa vertikal, elbow dan pipa miring. Gambar 5. Grafik perbandingan pressure drop pada pipa vertikal dengan Re sl = 22494 Gambar 6. Grafik perbandingan pressure drop pada elbow dengan Re sl = 22494 Secara garis besar terlihat bahwa pressure drop secara eksperimen dan analitik memiliki tren yang sama meskipun nilainya berbeda, dimana pressure drop secara analitik lebih rendah dari eksperimen, hal ini disebabkan karena data teoritis didapat pada kondisi ideal.
Gambar 7. Grafik perbandingan pressure drop pada elbow dengan Re sl = 22494 Kesimpulan Karakteristik pressure drop aliran dua fase melewati elbow dari arah vertikal menuju miring, pada pipa vertikal, elbow dan pipa miring dapat disimpulkan sebagai berikut: - Pressure drop menurun dengan meningkatnya volumetric gas quality (β). - Pressure drop meningkat dengan bertambahnya superficial liquid velocity (Usl) Hal tersebut didukung dengan data teoritis yang menunjukkan tren yang sama meskipun nilainya lebih kecil. Daftar pustaka [1] Benard E, 2006, Gas Liquid Two Phase Flow through a Vertical 90 Elbow Bend, Experimental Thermal and Fluid Science 31 hal. 761 769 [2] Priyo H A, 2009, Studi Eksperimental dan Numerik Gas Cairan Aliran Dua Fase Melewati Elbow 45 o dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰, Thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya [3] Triyogi Y. M, 1995, Pengukuran Global Void Fraction dengan Menggunakan Metode Pressure Gradient, Volume 6 No.2 Jurnal IPTEK Teknik Mesin, ITS, Surabaya [4] Yudi S, 2009 Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase (Air Udara) Melewati Elbow 90 o dari Arah Vertikal Menuju Horizontal, Thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya