STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA
PADA ALIRAN KEATAS PIPA PERSEGI DALAM KEADAAN
MIRING
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ NIM. I0412034
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
iv
PERSEMBAHAN
Dengan segala puja dan puji syukur kepada Allah SWT dan atas dukungan
serta doa dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat dirampungkan dengan
baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu dengan rasa bangga dan bahagia saya
haturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada :
1. Allah SWT, karena hanya atas izin dan karunia-Nya maka skripsi ini dapat
selesai dengan baik.
2. Bapak, Ibu dan adik serta keluarga besar tercinta yang telah memberikan doa
yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah lantunan
doa.
3. Bapak dan Ibu dosen pembimbing, penguji dan pengajar yang selama ini tulus
dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan saya,
memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya agar saya
menjadi lebih baik.
4. Sahabat, teman dan mahasiswa Program Studi Teknik Mesin UNS khususnya
angkatan 2012, tanpa semangat dukungan dan bantuan kalian semua tak kan
mungkin saya sampai disini, terima kasih untuk canda tawa, tangis dan
perjuangan yang kita lewati bersama dan terima kasih untuk kenangan manis
yang telah mengukir selama ini.
5. Terima kasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua, orang-orang yang
saya sayangi, dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk
v
MOTTO
“Tak perlu memikirkan seperti apa nanti hasilnya, seperti apa nanti akhirnya, yang perlu kau pikirkan hanya bagaimana caramu melakukan yang terbaik”
“The more difficult it is to reach your destination, the more you will remember and appreciate your journey”
“Sepiro gedhening sengsoro yen tinompo amung dadi cobo”
“Sopo tekun bakal ketekan, Sopo temen bakal tinemu”
“Pinter ora ngguroni, Banter ora nglancangi,
Landhep ora natoni”
vi
ABSTRAK
STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA ALIRAN KEATAS PIPA PERSEGI DALAM KEADAAN MIRING
MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta
E-mail : mahfud123@outlook.co.id
Aliran dua fase merupakan fenomena yang banyak dijumpai pada proses-proses industri seperti pada sistem perpipaan, penukar kalor, geothermal, reaktor nuklir dan lain sebagainya. Tujuan utama penelitian ini adalah untuk meneliti pengaruh kemiringan terhadap aliran dua fase gas-cair. Untuk itu penelitian ini dilakukan dengan mengamati pola aliran, peta pola aliran, kecepatan gelembung dan fraksi hampa pada aliran dua fase air-udara pada pipa persegi miring dengan diameter hidrolik 5 mm. Pola aliran elongated bubble flow, bubble flow, slug flow dan annular flow terbentuk pada rentang kecepatan superfisial udara 0,07 – 7,73 m/s dan kecepatan superfisial air 0,21 – 3,11 m/s. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada saluran mendekati vertikal, pola aliran elongated bubble flow jarang terlihat. Sementara pada saluran mendekati horisontal, pola aliran bubble flow jarang terlihat. Di sisi lain, kemiringan tidak terlalu mempengaruhi fraksi hampa.
vii
ABSTRACT
VISUALISATION STUDY OF AIR-WATER TWO-PHASE FLOW PATTERN IN UPWARD INCLINED SQUARE CHANNEL
MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University Surakarta
E-mail : mahfud123@outlook.co.id
Two-phase flow is a phenomenon commonly encountered in process industries such as in piping systems, heat exchanger, geothermal, nuclear reactors and etc. The main objective of this study is to investigate the effect of inclination on gas-liquid two-phase flow. To accomplish this objective, experiment was investigate the flow pattern, flow pattern map, bubble velocity and void fraction on air-water two-phase flow on inclined square channel by 5 mm hydraulic diameter. Elongated bubble flow, bubble flow, slug flow and annular flow were observed on the range of gas and liquid superficial velocities by 0.07 – 7.73 m/s and 0.21 – 3.11 m/s. The experimental results showed that on the channel approaching to the vertical, elongated bubble flow is rarely observed. While the channel approaching to the horizontal, bubble flow is rarely observed. On the other hand, the inclination is not too affect on the void fraction.
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan Skripsi “Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada
Aliran Keatas Pipa Persegi dalam Keadaan Miring” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini,
6. Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T., selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
7. Bapak Dominicus Danardono, S.T., M.T., Ph.D., selaku Pembimbing II atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
8. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T., Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T.,
dan Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T., selaku dosen penguji Tugas Akhir penulis yang telah memberi saran yang membangun.
9. Bapak Prof. Dr. Dwi Aris H., S.T., M.T., selaku Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret Surakarta ini.
10.Bapak Nurul Muhayat S.T., M.T., selaku koordinator Tugas Akhir.
11.Seluruh Dosen serta Staf di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
12.Bapak, Ibu dan seluruh keluarga yang telah memberikan doa restu, motivasi dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 13.Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2012 beserta kakak dan adik tingkat di
ix
14.Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yag tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan Skripsi ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga Skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Mei 2017
x
Kata Pengantar ... viii
Daftar Isi... x
Daftar Tabel ... xii
Daftar Gambar ... xiii
Daftar Notasi ... xv
Daftar Lampiran ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka ... 4
2.2 Dasar Teori ... 12
2.2.1 Pola aliran dua fase ... 12
2.2.2 Peta pola aliran dua fase ... 14
2.2.3 Parameter aliran dua fase ... 15
2.2.4 Identifikasi pola aliran ... 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian ... 18
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ... 18
3.2.1 Skema rangkaian alat penelitian ... 18
3.2.2 Alat penelitian ... 19
3.2.3 Bahan penelitian ... 23
3.3 Prosedur Penelitian ... 23
3.3.1 Parameter dalam penelitian ... 23
3.3.2 Tahap persiapan... 24
3.3.3 Tahap pengambilan data... 24
3.3.4 Tahap pengolahan data ... 25
3.3.5 Tahap analisis data ... 25
3.4 Diagram Alir ... 26
BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1 Validasi peta pola aliran ... 28
4.2 Pola Aliran... 29
4.3 Peta pola aliran ... 31
4.3.1 Perbandingan dengan peta Barnea dkk. (1985) ... 31
4.3.2 Perbandingan dengan peta Oddie dkk. (2003) ... 35
xi
4.4 Pengamatan Transisi Pola Aliran ... 39
4.4.1 Elongated bubble – bubble ... 39
4.4.2 Elongated bubble – slug ... 39
4.4.3 Slug – bubble ... 40
4.4.4 Slug – annular ... 41
4.5 Parameter Aliran Dua Fase ... 42
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 48
5.2 Saran ... 48
Daftar Pustaka ... 49
xii
DAFTAR TABEL
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 20°, 50° dan 70° ... 5
Gambar 2.2 Penelitian Zhao dkk. (2004) ... 6
Gambar 2.3 Peta pola aliran dua fase Ide H. dkk (2007) ... 7
Gambar 2.4 Peta pola aliran Coleman dan Garimella (1999) ... 8
Gambar 2.5 Sketsa perbedaan pola aliran plug flow dan slug flow ... 9
Gambar 2.6 Pola aliran pada saluran miring (Oddie, 2003) ... 14
Gambar 2.7 Peta pola aliran horisontal oleh Mandhane dkk. (1974) ... 15
Gambar 2.8 Peta pola aliran vertikal keatas oleh Taitel dkk. (1980) ... 15
Gambar 3.1 Skema rangkaian alat penelitian ... 18
Gambar 3.2 Kompresor ... 19
Gambar 3.3 Flowmeter udara ... 19
Gambar 3.4 Mixer ... 20
Gambar 3.5 Tangki... 20
Gambar 3.6 Pompa air... 21
Gambar 3.7 Flowmeter air ... 21
Gambar 3.8 Seksi uji ... 22
Gambar 3.9 Lampu LED ... 22
Gambar 3.10 Kamera ... 23
Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ... 26
Gambar 4.1 Validasi peta pola aliran penelitian ... 28
Gambar 4.2 Pola aliran pada kemiringan saluran 20° ... 30
Gambar 4.3 Pola aliran pada kemiringan saluran 50° ... 30
Gambar 4.4 Pola aliran pada kemiringan 70° ... 31
Gambar 4.5 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 20° ... 32
Gambar 4.6 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 50° ... 33
Gambar 4.7 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 70° ... 33
Gambar 4.8 Perbedaan hasil pola aliran pada sudut 70° ... 34
Gambar 4.9 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Oddie dkk. (2003) pada sudut 20° ... 35
Gambar 4.10 Peta pola aliran sudut 20° hasil penelitian ... 36
Gambar 4.11 Peta pola aliran sudut 50° hasil penelitian ... 37
Gambar 4.12 Peta pola aliran sudut 70° hasil penelitian ... 37
Gambar 4.13 Pengaruh kemiringan pada peta pola aliran ... 38
Gambar 4.14 Pola aliran transisi elongated bubble – bubble pada Jg = 0,13 m/s dengan sudut kemiringan 20° ... 39
Gambar 4.15 Pola aliran transisi elongated bubble – slug pada Jl = 0,35 m/s dengan sudut kemiringan 20° ... 40
Gambar 4.16 Pola aliran transisi slug – bubble pada Jg = 1,63 m/s dengan sudut kemiringan 20° ... 41
Gambar 4.17 Pola aliran transisi slug – annular pada Jl = 0,35 m/s dengan sudut kemiringan 20° ... 41
xiv
Gambar 4.19 Hubungan kecepatan aktual udara terhadap kecepatan superfisial .. 43 Gambar 4.20 Hubungan fraksi hampa terhadap fraksi volume... 44 Gambar 4.21 Pengaruh sudut kemiringan terhadap fraksi hampa ... 45 Gambar 4.22 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Armand (1946) .... 46 Gambar 4.23 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Sowinski dkk. (2009)
xv
DAFTAR NOTASI
𝐴 = luas penampang saluran (m2)
𝐴𝑔 = luas penampang yang ditempati udara (m2)
𝐶0 = parameter distribusi
𝑑ℎ = diameter hidrolik (m)
𝑔 = percepatan gravitasi (9,81 m/s2)
𝐽 = kecepatan superfisial total (m/s)
𝐽𝑔 = kecepatan superfisial udara (m/s)
𝐽𝑙 = kecepatan superfisial air (m/s)
𝑢𝑔 = kecepatan aktual udara (m/s)
𝑢𝑙 = kecepatan aktual air (m/s)
𝑣𝑔𝑗 = kecepatan drift flux (m/s)
𝛼 = fraksi hampa
𝛼ℎ = fraksi hampa metode homogen
𝛽 = fraksi volumetrik
𝜎𝑙 = tegangan permukaan air (0,072 N/m)
𝜇𝑔 = viskositas udara (1,789 10-5 kg/ms)
𝜇𝑙 = viskositas air (95 10-5 kg/ms)
𝜌𝑔 = densitas udara (1,225 kg/m3)
𝜌𝑙 = densitas air (997 kg/m3)
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Matriks variasi debit aliran penelitian Lampiran 2. Pola aliran penelitian pada sudut 20° Lampiran 3. Pola aliran penelitian pada sudut 50° Lampiran 4. Pola aliran penelitian pada sudut 70° Lampiran 5. Kecepatan aktual udara
