STUDI FRAKSI HAMPA PADA ALIRAN DUA FASE MELINTASI SEDERETAN PIPA BERSIRIP SECARA MELINTANG

STUDI FRAKSI HAMPA PADA ALIRAN DUA

FASE MELINTASI SEDERETAN PIPA BERSIRIP

SECARA MELINTANG

Maimuzar

(1)

, Hanif

(1) (1)

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang

ABSTRACT

A study concerning the fraction of vacuum in the flow of two-phase gas-liquid adiabatic conditioned on the two-phase flow across a row of transversely finned pipes with pipe number 5 x 20 lines with a pitch and diameter ratio of 1.28, and the size of the fin (width 1 mm, height 1.2 mm), a series of test sections form a heat exchanger models. Void fraction measurements done with the valve closure system quickly. The experimental results are compared with the separated flow model and homogeneous flow and the influence of fin measurement results compared with the results of previous researchers. Results showed that the experimental void fraction smaller than that predicted by the homogeneous flow and has compatibility with separate streams estimate. Dramatically higher void fraction obtained as rising gas mass velocity. Similar results were also reported by Schrage et al (1988) and Xu et al (1998) with the pipe without fins, this shows that the fin does not affect the void fraction measurements

Keywords: heat exchanger models, two-phase flow, void fraction.

1. PENDAHULUAN

Sistem aliran dua fase beraneka ragam. Dilihat dari fase-fasenya dijumpai aliran gas-cair,gas-padat dan cair-padat. Berdasarkan kedudukan saluran ada aliran mendatar, aliran tegak atau miring; dan bila ditinjau arah aliran fase-fasenya maka ada aliran berlawanan arah dan aliran searah: sedangkan bila ditinjau bentuk penampang saluran maka ada saluran berpenangpang lingkaran dan saluran berbetuk shell yang dilengkapi dengan pipa-pipa didalamnya. Pada sistem-sistem tersebut, aliran didalam shell yang dilengkapi dengan pipa-pipa, banyak dijumpai dalam industri, seperti kondensor, reboiler, generator uap, dll. Fraksi hampa adalah diantara aspek hidrodinamika dari aliran dua

fasa dan merupakan elemen yang penting untuk

perencanaan alat penukar kalor.

Studi tentang fraksi hampa telah banyak dilakukan, baik aliran didalam pipa maupun didalam shell. Beberapa peneliti yang melakukan penelitian tentang fraksi hampa tersebut antara lain:

Penelitian[5]aliran dua fase gas-cair melewati sebuah

shell segi empat yang dilengkapi dengan 27 baris

pipa berdiameter 7,94 mm dengan perbandingan picth dan diameter (P/D) 1,3. Pengukuran fraksi hampa yang dihasilkan dibandingkan dengan model

aliran terpisah dan aliran homogen. Hasil

menunjukan, fraksi hampa dengan model aliran homogen secara dramatis memperlihatkan harga yang berlebihan untuk semua kualitas dan tingkat kecepatan massa. Meskipun demikian kecenderungan umum antara model aliran homogen dan datanya

adalah sama. Persesuaian yang kurang baik

menunjukkan bahwa model aliran homogen tidak

dapat diaplikasikan, dengan demikian, harus

digunakan model aliran yang terpisah.

Prediksi[1] fraksi hampa dengan menggunakan

pendekatan fenomenologis dari Zuber dan Findlay (1965), yang disebut model fluks aliran (drift flux

model), pada aliran dua fase udara-air melintasi

sederetan pipa yang sejajar (in-line bundles), dengan

perbandingan pitch dan diameter pipa serta

susunannya (layout) yang bervariasi. Pendekatan ini

dibandingkannya dengan prediksi fraksi hampa

menggunakan korelasi empiris dari Dowlati dkk (1990), dimana prediksinya ini menyatakan bahwa fraksi hampa sebagai suatu fungsi kecepatan gas tanpa dimensi (j*g,) dan model fluks aliran yang

digunakan ini, ternyata sama secara fungsional dan

mampu memprediksi data fraksi hampa

eksperimental dengan deviasi rata-rata yang sama.

Pengukuran[7] fraksi hampa yang dikondisikan

adiabatik pada aliran dua fasa horisontal udara-air dan udara-minyak melintasi sederetan pipa (tube

bundle) mendatar segaris, 5x20 dengan perbandingan pitch dan diameter (P/D) sebesar 1,28. Hasil

pengukuran menunjukan bahwa rata-rata fraksi

hampa yang terukur ternyata lebih kecil

dibandingkan dengan model aliran homogen dan

menunjukan pengaruh kecepatan massa pada x < 0,1. Pada kualitas itu, fraksi hampa yang lebih tinggi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas.

2. FRAKSI HAMPA

Aliran homogen; diasumsikan kedua fase bercampur dengan baik dan mengalir dengan kecepatan yang sama Aliran terpisah; fase-fase secara fisik mengalir terpisah dengan kecepatan berbeda. Fraksi hampa

didefinisikan sebagai fraksi dari volume saluran yang ditempati oleh fase gas dan dapat dicari dengan cara sebagai berikut: A u A u AGx AG_g   _{g g g}  _{g g} … (1) A u A u x AG AGl  (1 ) l l l  l l(1) … (2) Dari “Persamaan (1) dan (2)” diperoleh





         l l g g x u x u    1 1 1 … (3)

Untuk aliran homogen dimana kecepatan tiap fase sama,

u

_g



u

_l





         l g h x x    1 1 1 … (4)

Jika didefinisikan S sebagai rasio kecepatan antara fase gas dan fase cair, maka untuk aliran terpisah “Persamaan (3)” menjadi

x

x

S

x

l g l t

_

_











)

1

(

… (5)

Rasio kecepatan S menurut korelasi CISE adalah

S=1+E1 5 , 0 2 2 1 _       yE yE y … (6) dengan

y

=





 1 … (7) ) 1 ( x x x g l l   









…(8) E1=1,578 Re-0,19 22 , 0         g l   … (9) E2=0,0273 WeRe-0,51 08 , 0 

















g l





_{… (10)} Re= l H GD



… (11) We= l H

D

G



2 … (12)

x



m

g … (13) G = m

A

m

… (14) dimana: m = aliran massa m

A

= luas penampang aliran minimum

s m

A

A

A





… (15)



A

luas penampang aliran tanpa sirip

a D P A4(  p). … (16)



s

A

luas puncak sirip yang dianggap

berbentuk segitiga dengan sudut



















H

w

D

tg

p

.

2

/

1

.

2



… (17)





s s

w

tg

w

n

A



2

.

/



.

1

/

2

.

.

… (18)

p

A

D

m H

4



… (19) dimana



p

keliling permukaan basah



P

D

p

a



n

A

w

n

s

p



(



)



.

2

.



2

.

.

…(20)

3. METODA PENELITIAN

Skema alat penelitian seperti “Gambar (1d)”.

Penelitian ini menggunakan sebuah model penukar kalor “Gambar (1a)” yang memiliki shell segi empat terbuat dari plexiglass dengan ukuran panjang 280 mm,tinggi 250 mm dan lebar 50 mm. Bagian uji berisikan sederetan pipa berdiameter 10 mm yang dilingkari sirip dengan lebar 1 mm, tinggi 1,2 mm dan pitch 15 mm, dengan bentuk rodnya seperti “Gambar (1c), dengan jumlah 20 baris dengan tiga

fullrod dan dua halfrod pada tiap baris dizona aliran.

Dua halfrod digunakan untuk mengurangi kebocoran dan meminimalkan pangaruh dinding. Susunan rod dibuat segaris berbentuk segi empat yang mempunyai

perbandingan pitch terhadap diameter 1,28.

Keseluruhan dari 7 bagian buffle dipakai untuk memberikan 8 jalur di dalam shell.

Jalannya Penelitian

Udara bertekanan diinjeksikan ke dalam mixing

chamber dan bercampur dengan fase cair. Campuran

cairan dan udara kemudian masuk pada seksi uji, pada saat ini pola aliran diamati dan pengukuran fraksi hampa dilakukan, dengan menggerakan tiga

(quick closing valve) yang berada pada saluran masuk dan keluar dari seksi uji, ketika kedua katup masuk dan keluar seksi uji tertutup, katup baypass terbuka. Cairan dan udara yang terjebak didalam

seksi uji (model penukar kalor) dibiarkan selama

kira-kira 5 menit lalu pengukuran volume air dan

udara baru dilakukan.

14

2

9

1

2

3

4

12

13

11

12

10

6

5

7

8

9

a

b

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 1 (a) Model Penukar kalor, (b) Penampang shell, (c) Tube yang dilingkari sirip.(d) Skema Instalasi penelitian.

Keterangan :

1. Alat uji (Experimental heat exchanger) 9. Pompa air 2. Katup penutup tiba-tiba 10.Tangki air

3. Katup Bypass 11.Tangki pemisah udara-air

4. Ruang pencampur Air-Udara (Mixing chamber) 12.Termometer 5. Tangki penampung udara 13.Alat ukur tekanan

6. Rotometer 14. Stop kran

7. Flowmeter Ali ran udara

8. Kompresor Aliran air

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Percobaan ini dilakukan pada kondisi temperatur air

berkisar antara (25-27)oC, temperatur udara

(27-30)oC serta tekanan udara pengukuran yang

diinjeksikan ke dalam mixing chamber (0,06-0,55) kg/cm2. debit air divariasikan mulai dari 7,57 lt/m (2Gpm) hingga 18,92 lt/m (5Gpm) dengan kenaikan setiap variasi 1,89 lt/m (0,5Gpm) dan debit udara divariasikan mulai dari 3,42 hingga 70,2 lt/m dengan kenaikan setiap variasi 3,5 lt/m.

4.1 Peta Pola Aliran

Berdasarkan pengamatan yang dilakukan selama penelitian berlangsung pola aliran yang diperoleh adalah:

a. Bubble flow (aliran gelembung) “Gambar

(2a)”, dimana aliran gelembung ini bertahan hingga shell kelima dan pada shell keenam

hingga shell ketujuh aliran cendrung

membetuk kantong,, tetapi pada shell

kedelapan sebagian kantong tadi membetuk gelembung kembali, gelembumg dan kantong ini mengalir pada bagian atas shell.

b. Stratified flow (aliran strata licin) “Gambar

(2b)”, dimana permukaan bidang sentuh

liquid-gas adalah licin namun kadang-kadang bergelombang, fase gas hanya menempati permukaan bagian atas dari shell. Rejim-rejim ini diperlihatkan dalam peta pola aliran pada “Gambar (2c)”.

Srtatified flow flow Bubble Gas bubbles in liquid Gas Liquid (a) (b) (c)

Gambar 2 visualisasi pola aliran (a) aliran gelembung (b) aliran strata licin (c) peta pola aliran

4.2 Fraksi Hampa

Fraksi hampa diukur dengan sistem penutupan katup secara cepat pada saat air dan udara mengalir dalam seksi uji. Dari pengukuran didapatkan fraksi hampa terkecil terjadi pada debit air 18,92 lt/m (5Gpm) dan debit udara 3,42 lt/m, pada keadaan ini pola aliran adalah gelembung. Sedangkan fraksi hampa terbesar terjadi pada debit air 7,57 lt/m (2Gpm) dan debit udara 70,2 lt/m dan pada keadaan ini pola aliran

adalah strata licin. Hasil seluruh pengukuran

ditampilkan pada “Gambar (3)”. Gambar tersebut menunjukan bahwa fraksi hampa adalah fungsi debit aliran massa udara atau fungsi kecepatan massa udara jika debit air kanstan. Sedangkan fraksi hampa teoritis dihitung berdasarkan model aliran homogen dan terpisah seperti “Gambar (4) dan (5)”.

Gambar 3 Fraksi hampa eksperimen.

Gambar 5 Fraksi hampa aliran homogen

Gambar 6 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan teoritis pada debit air = 11, 35 (lt/m)

Pada “Gambar (6)” menampilkan hubungan antara fraksi hanpa dan debit aliran udara pada debit aliran air =11,35 (lt/m) dan “Gambar (7)” menampilkan hubungan antara fraksi hanpa dan kualitas aliran dengan dua data eksperimen , dua hitungan teoritis dengan model aliran terpisah dan dua hitungan dengan model aliran homogen dengan masing-msing

memiliki haraga Gg = 404,882 dan 647,811 kg/m

2

s serta harga GL= 0,175 – 3,716 kg/m2s, dan untuk

pembanding dicantumkan juga satu data[7]. Dari

“Gambar (6)” tersebut terlihat dengan jelas bahwa fraksi hampa eksperimen ternyata lebih rendah dibandinkan dengan fraksi hampa dengan model aliran homogen dan sebaliknya terlihat adanya

terpisah. Fraksi hampa yang lebih tingi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas.

Gambar 7 Hubungan fraksi hampa dengan kualitas aliran

Gambar 8 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan fraksi hampa model aliran terpisah

Hasil pengujian sama dengan aliran dua fase melintang vertikal melintasi sederet pipa tanpa sirip[5] dan aliran dua fase melintang horisontal melintasi sederet pipa tanpa sirip[7]. Dan dari “Gambar (7)”

juga terlihat bahwa adanya kesesuaian data

eksperimen[7]. Fraksi hampa eksperimen dibandingan dengan fraksi hampa toeritis model aliran terpisah

ditunjukan pada “Gambar (8)” yang memiliki

koefisien korelasi rata-rata (rrata-rata ) = 0,95 5. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis

pembahasannya dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Fraksi hampa eksperimen ternyata lebih rendah

dibandingkan dengan fraksi hampa model aliran

homogen dan sebaliknya terlihat adanya

kesesuaian dengan fraksi hampa dengan model aliran terpisah. Fraksi hampa yang lebih tingi diperoleh seiring naiknya kecepatan massa gas.

2. Perbandingan antara fraksi hampa teoritis model

aliran terpisah dan fraksi hampa eksperimen, mempunyai koefisien korelasi rata-rata (rrata-rata)

= 0,95

3. Pola aliran yang ditemukan selama penelitian ini adalah: Bubble flow dan Stratified flow

PUSTAKA

1. Dowlati,R., Kawaji,M., Chisholm,D., and Chan, A.M.C., Void Fraction in Two-Phase

Flow Across a Tube Bundle, AIChE Journal, vol.38, no.4,pp. 619-622, 1992.

2. Kakac. s, Bergles. A.E., Fernandes. E.O,

Two-Phase Flow Heat Exchangers (Thermal Hydraulic Fundamental and Design), Kluwer

Academic Publishers, Netherland, 1988.

3. Koestoer, R.A., Proborini, S., Aliran Dua-Fasa

dan Fluk Kalor Kritis, PT.Pradnya Paramita,Jakarta,1994.

4. Olson, R.M., Wright, S.J., Widodo, A.T.K,

Dasar-Dasar Mekanika Fluida Teknik ,PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.

5. Schrage, D.S., Hsu, J.T., and Jense, M.K,

Two-Phase Pressure Drop in Vertical Cross Flow Across a Horizontal Tube Bundle, AIChE

journal,vol.34,no.1,pp. 107 – 115, 1988.

6. Wallis,G.B, One Dimensional Two-Phase Flow

,McGraw-Hill, New York,1969.

7. Xu, G.P., Tuo, K.W., Tso, C.P, Two-Phase

Void Fraction and Pressure Drop in Horizontal Cross Flow Across a Tube Bundle, International

Journal of Fluid Engineering, vol.120, pp.140-145,1998.

CURRICULUM VITAE

Maimuzar, ST., MT adalah Staf Pengajar pada

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang. Menyelesaikan pendidikan S2 di UGM dalam bidang

Teknik Mesin. Email:maimuzar@yahoo.co.id.

Hanif, ST., MT. Adalah staf pengajar di Jurusan