Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase pada Pipa Berdiameter 7.6 mm dengan Refrijeran R-22 dan R-290 pada Kualitas Uap Rendah

Penurunan Tekanan Aliran Dua Fase pada Pipa Berdiameter 7.6 mm dengan

Refrijeran R-22 dan R-290 pada Kualitas Uap Rendah

Muhammad Fikar Maulana (0906516801)

Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Kampus Baru UI Depok 16424 – Indonesia E-mail: muhammad.fikar@ui.ac.id

Abstrak

Penurunan Tekanan dalam sistem pendingin merupakan salah satu faktor yang penting. Penurunan tekanan yang rendah dalam sistem pendingin dapat mengurangi size dari sistem pendingin. Pada penurunan tekanan rendah, koefisien perpindahan kalor akan meningkat dan membutuhkan luas penampang pada evaporator lebih kecil untuk menyerap besar kalor yang sama, sehingga ukuran dimensi sistem pendingin dapat dibuat lebih compact dan dapat menghemat ruang dalam kapal . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui fenomena didih alir dari refrijeran R-290 dan R-22 dengan menganalisa penurunan tekanan serta penggambaran pola aliran pada pipa konvensional. Kemudian dibandingkan dengan persamaan yang telah diberikan peneliti sebelumnya. Hasilnya adalah refrijeran kenvensional R-22 memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan refrijeran alami R-290. Sedangkan perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen dengan nilai penurunan tekanan prediksi pada fluida kerja R-22 yang paling mendekati nilainya adalah korelasi Lockhart dan Martinelli (1949). Sedangkan pada fluida kerja R-290, nilai penurunan tekanan prediksi yang paling mendekati adalah Lockhart dan Martinelli (1949).

Kata Kunci:

Penurunan Tekanan, Aliran Dua Fase, Sistem Pendingin, Pola Aliran

Two-phase Flow Boiling Pressure Drop in 7.6 mm Circular Tube Diameter with R-22 and

R-290 for Low Vapor Quality Region

Abstract

Pressure drop in the cooling system is one of the important factors. Low pressure drop in the cooling system can reduce the size of the cooling system. At low pressure drop, heat transfer coefficient will increase and require cross-sectional area at the evaporator to absorb less of the same heat, so that the volume of the cooling system can be made more compact and can save space in the ship. The purpose of this study is to investigate the phenomenon of flow boiling refrigerant R-290 and R-22 by analyzing the pressure drop and flow patterns in the portrayal of the conventional pipe. The result will be compared with the equation given earlier researchers. The result is conventional refrigerant R-22 has a higher pressure drop compared with the natural refrigerant R-290. The comparison of experimental pressure drop with pressure drop’s correlation prediction in refrigerant R-22 closest valie is correlation Lockhart and Martinelli (1949). While the working fluid R-290, the value of the pressure drop is predicted that most closely Lockhart and Martinelli (1949).

Key words:

Daftar Notasi Subscript dan superscript

x kualitas uap (kg / m3_{) f Fluida liquid}

G mass flux (kg/!!_{s) g Gas}

! fraksi hampa fo Liquid only µ Viskositas (Kg/m.s) ! Surface Tension vg specific volume fase vapor (m3kg-1) o Outlet

vf specific volume fase liquid (m3kg-1) i Inlet

!"

!"! _!" = gradien penurunan tekanan gesekan Tp Dua Fase

!_!"! _{= faktor pengali gesekan a Percepatan}

1.Pendahuluan

Proses pendinginan merupakan suatu penemuan yang sangat membantu umat manusia, terutama dalam menjalankan kehidupannya sekarang ini. Contoh aplikasi dari sistem pendinginan ini adalah sebagai pengawet makanan, yaitu dengan mendinginkan bahan makanan sehingga bahan makanan tersebut dapat disimpan tanpa rusak dalam waktu yang lebih lama dibandingkan dengan bahan makanan yang disimpan tanpa menggunakan aplikasi proses pendinginan. Pada kapal, peran dan fungsi dari sistem pendinginan sangat penting. Sistem pendinginan digunakan sebagai pengatur suhu di dalam kapal. Baik itu di ruang mesin, ruang kabin penumpang, ruang navigasi, dan ruang-ruang lainnya pada kapal. Temperatur didalam kapal, terutama saat berlayar di siang hari yang cerah dapat sangat tinggi dibandingkan dengan didarat. Sehingga diperlukan sistem pendinginan yang baik dan mencukupi untuk mengatur temperatur di dalam kapal. Salah satu komponen penting dari sistem pendinginan adalah refrijeran yang digunakan. Namun, dalam beberapa tahun belakangan ini diketahui ternyata penggunaan refrijeran-refrijeran tersebut dapat menimbulkan potensi penipisan ozon. Sehingga, penggunaan

refrijeran-refrijeran tersebut mulai dikurangi bahkan sudah dihentikan, terutama R-11 yang memiliki ODP lebih tinggi dibandingkan dengan R-22 yang memiliki ODP lebih rendah. Sehingga R-22 menjadi refrijeran utama yang digunakan sistem pendinginan selama beberapa dekade. ODP merupakan Ozone Depletion

Potential. Namun, seiring dengan bertambahnya

kesadaran akan pencemaran lingkungan dan dengan diberlakukannya protokol kyoto, penggunaan R-22 mulai ditinggalkan dan penelitian-penelitian pun mulai dilakukan mengenai penggunaan refrijeran alami. Hal ini dilakukan karena ternyata R-22 memiliki nilai GWP (Global Warming Potential) yang lebih tinggi dibandingkan karbon dioksida.

Sebagai pengganti R-22 salah satu refrijeran yang memiliki performa yang cukup baik dan ramah lingkungan adalah R-290. R-290 ini memiliki nilai ODP 0 dan GWP < 3 sehingga refrigerant ini cukup ramah lingkungan. Namun, kekurangan dari refrijeran R-290 ini adalah memiliki temperatur didih yang rendah, sehingga diperlukan tekanan yang cukup tinggi dalam pengoperasiannya.

Karena refrijeran tersebut mengalir dalam suatu sistem pendingin dalam pipa, maka harus diperhatikan aspek penting aliran fluida refrijeran tersebut. Salah satunya adalah terjadinya penurunan tekanan (pressure drop). Penurunan tekanan ini diakibatkan oleh perbedaan ketinggian, gesekan, dan perubahan energi kinetik fluida. Penurunan tekanan merupakan faktor penting karena dapat merubah sifat dan karakteristik suatu refrijeran dalam suatu sistem pendinginan.

2.

Batasan Masalah

Asumsi dan batasan yang digunakan pada penelitian ini antara lain :

Pada penelitian penurunan tekanan aliran dua fase R-290 dan R-22 ini menggunakan pipa kanal konvensional berdiameter dalam 7.6 mm dan panjang 1.07 m, serta aliran memiliki karakteristik sebagai berikut :

• Laju aliran dari 100 ~ 600 kg/m2_s

dengan interval 100kg/m2_s

• Temperatur dari -5°C ~ 10°C dengan interval 5°C

• Daya dari pemanas listrik pada pipa dari 10 kW ~ 40 kW dengan interval 10 kW Asumsi yang digunakan adalah fenomena metastabil di kubah saturasi tidak terjadi dan heater diasumsi memanaskan secara

uniform.

2.2 Reduksi Data

Penurunan Tekanan pada pipa horizontal

dipengaruhi oleh gaya gesek penurunan

tekanan dengan dinding pipa dan penurunan

tekanan akselerasinya.

−

!"

!"

=

−

!"

!"

!

+

−

!"

!"

!

Menggunakan data eksperimen data kualitas

uap maka penurunan tekanan akselerasi bisa

didapat. Persamaannya menjadi

−

!"

_!"

!

=

 

−

!"

_!"

—

!"

_!"

!

=

−

!"

_!"

−

 

!

!

!

!"

!

!

_!

!

!

+

1

−

!

!

_!"

1

−

!

Fraksi hampa yang di kemukakan oleh Steiner (1993) adalah

Untuk mendapatkan two-phase frictional

miltiplier berdasarkan total aliran diasumsi

liquid, maka kalkulasi untuk mencarinya adalah !"_!!= −!"_!"! !" −!"_!"! !" = −!"_!"! !" 2!_!"!! !_!"

Panjang Subcooled dihitung dengan mencari titik awal saturasinya

!!" =! !!−!!" Δ! =! !!−!!" Q/W

3. Metodologi Penelitian

Gambar 1 Skema Penelitian

Secara umum prinsip kerja alat uji seperti yang terlihat pada gambar, sistem sirkulasi yang digunakan pada perangkat alat uji ialah sistem sirkulasi tertutup. Dimana refrijeran nantinya akan disirkulasikan pada sistem dengan menggunakan pompa refrijeran. Pada awal memasukkan refrijeran ke sistem, refrijeran yang akan masuk pada umumnya bercampur fase antara cair dan gas. Untuk itu diperlukan modifikasi metode pemasukan refrijeran ke sistem yaitu dengan membalik tabung refrijeran. Dengan memanfaatkan gaya gravitasi bumi, maka fase cair yang memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan fase gas refrijeran, otomatis cenderung berada di bawah fase gas. Karena

refrijeran yang dibutuhkan saat masuk ke dalam sistem yaitu fase cair.

Setelah keluar dari tangki kemudian refrijeran masuk ke kondensor. Kondensor yang digunakan bermodel tube and tube dengan tabung yang diisolasi karena temperaturnya lebih rendah dibanding lingkungan. Kondensasi pada refrijeran menggunakan fluida dingin berupa larutan ethylene glycol yang didinginkan menggunakan sistem pendingin kapasitas 3 PK. Hal tersebut bertujuan untuk menurunkan temperatur dari refrijeran dan memastikan refrijeran pada saat masuk test section berada sepenuhnya pada fase cair. Setelah dari kondensor lalu refrijeran masuk ke dalam liquid

receiver. Penggunaan liquid receiver yaitu untuk

menampung refrijeran ketika sistem berhenti beroperasi, selain itu untuk menjaga agar tidak

ada vapor yang masuk ke tahap selanjutnya.

Kemudian refrijeran berfase liquid

masuk ke gear pump yang di-couple dengan motor listrik. Gear pump yang digunakan dapat menghasilkan tekanan sebesar 10 bar dengan kapasitas motor 0.5 PK. Motor disambungkan dengan voltage regulator sehingga dapat mengatur voltase dari motor yang otomatis tekanan pada pompa juga berubah. Kemudian refrijeran bertekanan mengalir ke flow meter dengan model coriolis untuk diukur massa, rate atau debit refrijeran yang akan masuk ke test

section. Flux massa refrijeran yang

disirkulasikan dapat diatur besarnya dengan mengatur putaran pompa dengan menggunakan inverter yang terpasang pada pompa. kemudian akan mengalir menuju preheater unit dimana pada unit ini refrigeran dikondisikan, agar ketika mencapai inlet pada test section sudah dalam kondisi saturasinya.

Setelah melewati preheater unit, refrijeran kemudian masuk ke test section untuk dipanaskan. Dimana pada test section

dipanaskan dengan cara memberikan fluks kalor yang merata ke heater yang dililitkan disepanjang test section dengan mengalirkan arus listrik menggunakan power supply dimana besarnya daya yang keluar dapat diatur sesuai dengan besarnya fluks kalor yang dibutuhkan pada kondisi pengujian. Untuk mencegah

terbuangnya kalor kelingkungan sekitar maka pada bagian luar test section diberikan insulasi agar kalor yang diberikan nantinya tidak terbuang kelingkungan sekitar. Inlet dan outlet

test section dipasang sight glass untuk

menentukan pola aliran dan fase refrijeran. Untuk mengetahui temperatur dinding luar test section dipasang termokopel pada tiga sisi yaitu sisi bagian atas, samping dan bawah dan diletakkan di 9 titik di sepanjang pipa test

section ditambah termocouple di inlet dan

outlet, lalu untuk mengetahui fasa yang terjadi sebelum dan setelah melewati test section

dipasang sight glass. Sedangkan untuk mengetahui tekanan masuk dan keluar test

section dipasang pressure gauge pada bagian

inlet dan oulet test section. Keluar dari test

section selanjutnya refrijeran akan mengalir

menuju kondenser untuk dilepas kalornya dimana pada unit ini refrijeran yang dalam keadaan fase gas atau dua fase akan diubah menjadi fase liquid dan disirkulasikan kembali.

Sedangkan kondisi pengujian eksperimen, yaitu percobaan yang dilakukan pada perangkat alat uji untuk mengetahui karakteristik koefisien perpindahan kalor aliran dua fasa R-290 dan R-22 yaitu dengan kondisi pengujian sebagai berikut ;

a) Test section terbuat dari bahan stainless

steel 316 (SS 316) dengan diameter dalam (ID) 7.6 mm, konduktivitas bahan 13.4 W/m.K dan panjang 1.07 m dengan memberikan insulasi pada bagian luar test section.

b) Memberikan flux kalor yang merata di sepanjang test section seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.3 dengan variasi dari 10 s/d 40 kW/m2 dan interval 10 kW/m2 serta memberikan insulasi pada bagian luar test section

agar kalor yang diberikan untuk memanaskan test section tidak terbuang ke lingkungan sekitar.

Gambar 2. Pemberian fluks kalor yang seragam di sepanjang test section

c) Variasi fluks massa dari 100 s/d 600 kg/m2s dengan interval 100 kg/m2s d) Temperatur masukan (inlet) dengan

variasi dari -5°C 0°C ,5°C dan 10°C,dan variasi kualitas massa uap sampai dengan satu .

e) Untuk mengukur temperature permukaan luar test section dipasang termokopel pada bagian atas, bawah, sisi kiri dan kanan test section pada 9 titik disepanjang test section , seperti yang diilustrasikan oleh Gambar 3.4. Pemasangan termokopel hanya pada tiga sisi ini karena dengan asumsi temperatur yang tejadi pada dinding samping kiri dan kanan diasumsikan tidak berbeda jauh, oleh karena itu pada sisi samping hanya dipasang satu termokopel saja, sisi kiri atau kanan.

Gambar 3. Pengukuran temperatur permukaan disepanjang test section.

f) Untuk pengukuran Tekanan masuk dan keluar test section dipasang pressure

gauge pada sisi masukan dan keluaran

test section. Sedangkan untuk mengukur

flux massa refrigran yang dipompakan diukur dengan menggunakan Corriolis

mass flow meter yang dipasang setelah

unit pompa.

g) Percobaan ini tergantung ada pendinginan minimum AC 3 PK untuk mencapai pendinginan maksimum sehingga didapat temperature minimum.

4. Hasil dan Analisis

Proses Pengujian Refrijeran R-22 dan R-290

Variasi yang dilakukan pada esperimen ini adalah variasi heat flux, mass flux, dan temperatur saturasi. Kemudian, dari hasil data yang didapat dari hasil variasi tersebut akan dianalisa. Beberapa nilai yang akan dianalisa diantaranya adalah nilai reynold aliran yang menggambarkan aliran tersebut, pengaruh faktor-faktor seperti heat flux, mass flux, mass flow, tekanan saturasi, dan kualitas uap pada penurunan tekanan yang terjadi pada sistem.

Variasi Heat Flux dengan Fluida Kerja R22

Gambar 4. Pengaruh Heat Flux terhadap Penurunan Tekanan R22

Dari grafik, dapat dilihat bahwa variasi

heat flux sangat mempengaruhi nilai dari

penurunan tekanan. Pengaruh heat flux terhadap penurunan tekanan juga pernah dikutip dari salah satu jurnal A.S. Pamitran et al (2010). Hal ini disebabkan karena semakin tinggi heat flux

yang diberikan kepada sistem, maka akan semakin tinggi juga tingkat penguapan, kecepatan aliran, dan meningkatkan kualitas uap rata-rata fluida kerja. Pada aliran 2 fase diabatik, heat flux yang diberikan pada sistem menyebabkan jumlah bubble meningkat dengan waktu yang lebih cepat, selain itu juga menyebabkan timbulnya slug formation pada pemanasan fluida kerja. Hal ini menyebabkan nilai dari penurunan tekanan yang terjadi pada sistem bertambah besar.

Variasi Heat Flux dengan Refrijeran R290

Gambar 5 Pengaruh Heat Flux terhadap Penurunan Tekanan R290

Tidak jauh berbeda dengan refrijeran R22, pengaruh variasi heat flux pun sangat berpengaruh terhadap nilai dari penurunan tekanan R290. Hal ini juga dibuktikan oleh Kwang ill Choi et al (2010) yaitu semakin tinggi

heat flux, maka akan semakin tinggi juga

penguapan yang terjadi pada aliran, kecepatan aliran dan meningkatkan kualitas uap rata-rata fluida kerja sehingga nilai penurunan tekanan juga akan semakin besar

Variasi Mass Flux R22

Gambar 6 Pengaruh Mass Flux terhadap Penurunan Tekanan R22

Pengaruh dari nilai mass flux terhadap penurunan tekanan refrijeran r22 ternyata besar, seperti ditunjukkan pada gambar 6. Menurut A.S Pamitran et al (2010) kemungkinan terjadinya aliran turbulen dan pola aliran wavy (stratified)

juga akan meningkat apabila nilai mass flux

yang dialiri dalam sistem diperbesar. Hal ini menyebabkan meningkatnya nilai dari penurunan tekanan yang terjadi dalam sistem.    

 

Gambar 7 Pengaruh Variasi Mass Flux terhadap Penurunan Tekanan R290

Tidak jauh berbeda dengan refrijeran R22, pada R290 pun mass flux memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap nilai dari penurunan tekanan. Menurut kWang ill Choi et al (2008) semakin tinggi nilai mass flux yang diberikan/dialirkan kepada sistem, maka akan semakin tinggi juga kecepatan aliran yang terjadi dalam sistem yang akan menyebabkan bertambahnya penurunan tekanan friksi dan akselerasinya. Dengan kata lain, maka akan meningkatkan besarnya nilai penurunan tekanan yang terjadi pada sistem.

Variasi Tekanan Saturasi R22

Pada pengujian untuk variasi temperature saturasi dengan fluida kerja R22 tidak dapat dilakukan. Hal ini disebabkan karena tidak ada data yang mempunyai nilai range mendekati sama untuk parameter mass flux dan temperatur saturasi pada heat flux tertentu. Sehingga perbandingan temperatur saturasi hanya dapat dilakukan pada R-290. Variasi temperatur saturasi dilakukan dengan mengatur needle valve

yang dipasang sebelum test section. Namun efek

needle valve sebagai proses isoentalpi kurang

maksimal karena penurunan tekanan belum sesuai yang diinginkan.

Variasi Tekanan Saturasi R290

Gambar 8 Pengaruh Tekanan Saturasi terhadap Penurunan Tekanan R290

Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan saturasi yang merepresentasikan semakin tinggi pula temperature saturasinya maka semakin rendah nilai penurunan tekanannya. Menurut A.S Pamitran et al (2010) semakin rendah nilai temperatur saturasinya, maka akan semakin tinggi nilai dari penurunan tekanan pada sistem. Hal ini disebabkan karena pengaruh dari

physical properties terutama massa jenis dan

viskositas dari fluida kerja yang dapat berubah ketika temperatur berubah. Massa jenis dan viskositas dari fluida kerja akan bertambah ketika temperaturnya menurun, dan sebaliknya massa jenis dan viskositas dari vapor akan turun ketika temperatur turun.

Refrijeran R22 vs R290

Gambar 9 Perbandingan nilai Penurunan Tekanan Refrijeran R22 vs R290.

Dapat dilihat, berdasarkan grafik diatas, menunjukkan bahwa penurunan tekanan pada

fluida kerja R22 memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan penurunan tekanan dengan fluida kerja R290. Menurut A.S Pamitran et al (2010) hal ini disebabkan karena physical

properties masing-masing fluida kerja, yaitu

R22 dan R290 yang berbeda. Contoh dari

physical properties yang berbeda tersebut adalah

viskositas dan massa jenis dari fluida kerja tersebut.

Tabel Physical Properties Perbandingan Penurunan Tekanan Eksperimen terhadap Penurunan Tekanan

Prediksi Refrijeran R22

Gambar 10 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi A.S Pamitran et al (2010)

Gambar 11 Perbandingan Penurunan Tekanan Eksperimen dengan prediksi Lockhart dan Martinelli

(1949)

Dapat dilihat perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen R22 dengan nilai

penurunan tekanan prediksi Lockhart-Martinelli (1949) dan A.S. Pamitran et al (2010). Kedua gambar tersebut menunjukkan bahwa nilai penurunan tekanan prediksi Lockhart-Martinelli (1949) memiliki nilai yang lebih mendekati dengan hasil eksperimen R22. Hal ini disebabkan karena pada korelasi A.S. Pamitran (2010) digunakan untuk minichannel yang relatif memiliki nilai penurunan tekanan lebih besar dibandingkan konvensional sehingga hasilnya jauh lebih tinggi dibandingkan eksperimen.

Refrijeran R290

Gambar 11 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi Lockhart dan Martinelli

(1949)

Gambar 12 Perbandingan Penurunan Tekanan eksperimen dengan prediksi A.S. Pamitran et al (2010) Dari Perbandingan 2 gambar diatas dapat dilihat pada perbandingan nilai penurunan tekanan eksperimen dengan refrijeran R290 pun ternyata nilai penurunan tekanan prediksi Lockhart dan Martinelli (1949) yang paling mendekati dengan nilai penurunan tekanan eksperimen. Sedangkan pada korelasi A.S. Pamitran et al (2010) yang memiliki selisih paling besar dengan nilai penurunan tekanan eksperimen. Hal ini disebabkan karena korelasi A.S. Pamitran et al

(2010) digunakan untuk minichannel yang notabene memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih besar dibandingkan dengan pipa konvensional.

5. Kesimpulan

Hasil dari eksperimen ini menunjukkan bahwa fluida kerja R-22 memiliki nilai penurunan tekanan dalam sistem yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluida kerja R-290. Dari hasil eksperimen ini, korelasi prediksi penurunan tekanan berdasarkan korelasi para peneliti terdahulu memiliki selisih paling kecil dengan nilai penurunan tekanan pada eksperimen dengan fluida kerja R22 adalah korelasi Lockhart dan Martinelli (1949). Sedangkan pada fluida kerja R290 adalah korelasi yang sama, yaitu Lockhart dan Martinelli (1949).

Daftar Referensi

Beattie, D.R.H., Whalley, P.B., 1982. A simple two-phase flow frictional pressure drop

calculation method. Int. J. Multiphase Flow 8,

83–87

Chisolm, D., 1973. Pressure Gradient due to friction during the flow of evaporating

two-phase mixtures in smooth tubes and channels.

Int. J. Heat Mass Transfer 16, 347-358.

Choi, Kwang ill, Pamitran, A.S., Oh, Jong-Taek, Saito, Kiyoshi. 2009. Pressure drop and heat transfer during two-phase flow vaporization pf

propane in horizaontal smooth minichannels. Int

J. Refrigeration 32 (2009) 837-845.

Choi, Kwang ill, Pamitran, A.S., Oh, Jong-Taek. 2007. Two-phase flow heat transfer of CO2

vaporization in smooth horizontal

minichannels. Int J. Refrigeration 30 (2007)

Lockhart, R., Martinelli, R.C., 1949. Proposed correlation of data for isothermal two-phase

two-components flow in pipes. Chem. Eng.

Prog., 45.39.

Pamitran, A.S., Choi, Kwang ill, Oh, Jang-Taek, Hrnjak, Pega. 2010. Characteristics of two-phase flow pattern transitions and pressure drop of five refrigerants in horizontal circular small

tubes.Int J. Refrigeration 33 (2010) 578-588.