BAB II LANDASAN TEORI

5 BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Barnea dkk [3] meneliti transisi pola aliran untuk aliran dua fase gas-cair dalam saluran horisontal dan saluran incline menggunakan pipa transparan plexiglass dengan ukuran diameter 2,5 cm panjang 3 m untuk meneliti peta pola aliran yang terjadi pada aliran mulai dari sudut kemiringan 2º dan 10º (dari horisontal). Pengamatan pola aliran dilakukan dengan pengamatan visual dan menggunakan osiloskop dengan conductivity probes. Hasil penelitian peta pola aliran yang dilakukan oleh Barnea dkk. [ 3 ] kemudian dibandingkan dengan peta pola aliran yang telah dibuat oleh Mandhane ditunjukkan pada Gambar 2.1 dibawah ini.

Gambar 2.1 Peta pola aliran Barnea dkk [3]

(a) Saluran lingkaran D_h = 2,6mm

(b) Saluran persegi D_h = 5,36mm

Gambar 2.2 Peta pola aliran Coleman dan Garimella [7]

Coleman dan Garimella [7] meneliti pengaruh diameter dan bentuk saluran terhadap pola aliran dan daerah transisi aliran untuk aliran air-udara pada saluran lingkaran, dan persegi panjang dengan diameter hidrolik kurang dari 5,6 mm.

Kecepatan superfisial air dan udara bervariasi dari 0,1 m/s < Jg < 100 m/s dan 0,01 m/s < Jl 10 m/s. Dari penelitian tersebut didapat peta pola aliran saluran diameter 2,6 mm dan 5,36 mm pada Gambar 2.2.

Penelitian tersebut juga menyimpulkan bahwa diameter dan tegangan permukaan saluran memiliki peran penting dalam menentukan pola aliran dan transisi antar pola aliran. Semakin kecil diameter saluran maka transisi antar pola aliran akan terjadi pada kombinasi yang berbeda antara kecepatan superfisial udara dan kecepatan superfisial air. Pada diameter saluran yang kecil juga pola aliran stratified lebih sedikit dibandingkan dengan diameter saluran yang lebih besar. Sebaliknya pola aliran intermittent lebih banyak ditemukan pada diameter saluran kecil.

Ide dkk. [8] meneliti tentang pengaruh ukuran diemeter saluran terhadap pola aliran dua fase dengan aliran vertikal dan horisontal. Pada aliran horisontal terdapat perbedaan pola aliran dari setiap diameter pipa dengan kecepatan fase gas dan air yang sama. Pada saluran dengan diameter 9 mm terlihat adanya perubahan

pola aliran dari plug menjadi wavy yang disebabkan adanya peningkatan kecepatan superfisial gas dari 0,5 m/s menjadi 5 m/s dan kecepatan superfisial cairan dari 0,2 m/s menjadi 1 m/s. Pada kecepatan superfisial gas 5 m/s dan kecepatan superfisial cairan 1 m/s menunjukkan adanya perbedaan pola aliran dari setiap ukuran diameter saluran yang berbeda. Pola aliran plug terbentuk pada diameter saluran 1 mm dan 2,4 mm sedangkan pola aliran wavy terbentuk pada diameter saluran 9 mm dan 26 mm. Peta pola aliran penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Penelitian tersebut juga menyebutkan bahwa gaya kapiler menjadi sangat penting dan berpengaruh pada aliran dua fase dalam saluran kecil dengan diameter hidrolik kurang dari 5 mm.

Gambar 2.3 Peta pola aliran dua fase Ide dkk [8]

Santoso dkk [14] melakukan analisa hubungan antara kecepatan aktual udara (uG) dan kecepatan superfisial total (j) diklasifikasikan menjadi dua bagian.

Pembagian ini didasarkan pada nilai Froude number (Fr) untuk menentukan nilai dari parameter distribusi (C₀). Pembagian berdasarkan Fr ini didasarkan pada penelitian yang dilakukan Bendiksen [7] yang membaginya menjadi Fr < 3,5 dan Fr > 3,5. Untuk nilai Fr < 3,5 besarnya nilai C₀ antara 1,00-1,20 sedangkan nilai Fr > 3,5 besarnya nilai C₀ antara 1,19-1,20.

Azizi dkk. [2] melakukan penelitian tentang fraksi hampa aliran dua fase gas-cair pada saluran horisontal dan miring dengan sudut kemiringan -20° sampai +20°. Penelitian ini juga membandingkan data fraksi hampa dengan prediksi menggunakan metode ANN dan 17 persamaan prediksi fraksi hampa untuk pola aliran yang berbeda pada aliran horisontal dan miring. Dari 17 persamaan prediksi fraksi hampa, diantaranya yaitu persamaan prediksi Armand [1], 1946 (Persamaan 2.1).

2.1

Jagan dan Satheesh [9] melakukan eksperimental perilaku aliran dua fasa dengan pipa berdiameter 8 mm dan panjang 2 m dengan orientasi yang berbeda.

Udara dan air dianggap sebagai fluida kerja. Kecepatan superfisial air dan udara bervariasi pada rentang yang bervariasi dari 0,06 - 1 m/s dan 0,06 - 15 m/s. Pipa dimiringkan pada sudut 0°, 30°, 45°, 60°, dan 90° untuk menyelidiki pengaruh gravitasi pada perilaku aliran dua fasa. Pengaruh orientasi pipa dan kecepatan air pada pola aliran dua fasa, void fraction (α) dan kecepatan drift flug (Ugj) disajikan. Pola aliran diamati dengan menggunakan perekam video berkecepatan tinggi dan visualisasi komprehensif aliran dua fasa air-udara dianalisis dengan menggunakan teknik pemrosesan citra. Hasilnya menunjukkan bahwa aliran bertingkat diamati pada pipa horisontal namun tidak muncul pada pipa miring.

Untuk kecepatan air dan udara yang sama, efek turbulensi didominasi saat sudut pipa meningkat melawan gravitasi yang menyebabkan aliran churn. Pola aliran yang diperoleh secara eksperimental dibandingkan dengan literatur yang ada dan mengamati bahwa keduanya sesuai. Selanjutnya, void fraction diukur secara

eksperimental, dan dibandingkan dengan perkiraan hasil korelasi yang terkenal yang dilaporkan dalam literatur. Berdasarkan penelitian ini, korelasi baru juga dikembangkan dan digunakan untuk memprediksi void fraction dari dua aliran fasa pada setiap sudut dari 0 - 90°.

Thaker dan Banerjee [17] melakukan penelitian tentang transisi antara pola aliran plug dan slug pada aliran dua fase gas-cair. Pada penelitian tersebut dinyatakan bahwa fase gas memiliki pengaruh lebih besar terhadap transisi pola aliran plug menjadi slug. Pola aliran plug dan slug menurut penelitian tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.4. Perbedaan dari kedua pola aliran ini terjadi pada bagian diantara dua gelembung plug/slug, yaitu hanya terdapat cairan pada pola aliran plug, sedangkan pada pola aliran slug terdapat gelembung-gelembung kecil diantara gelembung slug.

Gambar 2.4 Sketsa perbedaan pola aliran plug dan slug Plug flow

Slug flow

Tabel 2.1 Penelitian tentang aliran dua fase Peneliti Geometri

Saluran

Diameter Hidrolik

Orientasi Tujuan Penelitian

Barnea dkk.

[3] Lingkaran 25 mm Horisontal

dan miring Peta pola aliran

Coleman dan Garimella [7]

Lingkaran dan persegi

1,3 – 5,5 mm Horisontal Pola aliran dan peta pola aliran

Ide dkk [8]

Lingkaran dan persegi

1 mm – 4,9 mm

Horisontal dan vertikal

Pola aliran dan peta pola aliran

Santoso dkk

[14] Lingkaran 24 mm Horisontal Kecepatan pola aliran

Azizi dkk.

[2] Lingkaran - Horisontal

dan miring Fraksi hampa

Jagan dan

Satheesh [9] Lingkaran 8 mm

Horisontal, miring, dan

vertikal

Pola aliran, peta pola aliran, fraksi hampa

Thaker dan Banerjee

[17]

Lingkaran 25 mm Horisontal Transisi pola aliran plug – slug

Penelitian

sekarang Lingkaran 2,5 mm dan 5

mm Horisontal Pola aliran, peta pola aliran, fraksi hampa

2.2. Dasar Teori 2.2.1 Aliran dua fase

Aliran multi fase menunjukkan aliran yang terdiri dari dua atau tiga fase (gas, cair, dan padat) yang mengalir secara bersamaan. Aliran fase gas-cair merupakan tipe aliran yang paling sering dijumpai dari campuran dua fase. Oleh karena itu, banyak teori dan penelitian mengenai aliran dua fase gas-cair tersebut.

Campuran gas-air banyak dijumpai pada proses-proses bidang teknik seperti pada mekanik, nuklir, dan kimia. Aliran campuran gas-cair dalam pipa menunjukkan suatu variasi distribusi dari permukaan interfasial gas-cair. Distribusi dari fase- fase ini biasa dikategorikan dalam bentuk atau pola-pola aliran. Rentang daerah dari pola aliran dua fase secara umum diteliti dengan eksperimen yang biasanya dipresentasikan dalam diagram yang disebut peta pola aliran.

2.2.2 Pola aliran dua fase

Saat pencampuran udara dan air mengalir didalam pipa, pola aliran yang berbeda dapat terjadi diakibatkan oleh beberapa variabel. Dari beberapa penelitian yang sudah dilakukan didapat banyak pola aliran yang terjadi dalam aliran dua fase gas-cair.

1. Pola aliran pada saluran mendatar (horizontal)

Pola aliran pada pipa mendatar dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dengan gravitasi yang tegak lurus terhadap arah aliran memungkinkan pemisahan aliran antara udara dan air dapat terjadi. Pola aliran yang terjadi diantaranya : a. Bubble flow

Dimana gelembung-gelembung kecil menyebar didalam cairan secara kontinyu, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 (1).

b. Plug flow

Dimana sebagian gelembung menyatu dan memanjang di sisi atas saluran.

Pola aliran ini terlihat seperti pada Gambar 2.5 (2).

c. Startified flow

Dimana gravitasi memisahkan aliran antara kedua fase secara sempurna.

Pola aliran ini terjadi pada laju aliran massa udara dan air yang relatif rendah, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 (3).

d. Stratified-wavy flow

Saat kecepatan bertambah dan udara mengalir dengan lebih cepat akan menyebabkan batas antara aliran udara dan air mulai membentuk gelombang. Pola aliran ini terlihat seperti pada Gambar 2.5 (4).

Gambar 2.5. Pola aliran pada saluran mendatar [11]

e. Slug flow

Dengan semakin bertambahnya kecepatan udara maka gelombang yang terjadi akan semakin besar dan air akan mencapai dinding atas saluran sehingga akan membentuk gelembung memanjang seperti yang terjadi pada plug flow namun gelembung tersebut sedikit berada ke tengah karena pada dinding atas saluran terdapat air. Berbeda dengan pola aliran plug flow yang terjadi karena kecepatan air, pola aliran slug flow terjadi

karena meningkatnya kecepatan udara. Pola aliran ini terlihat seperti pada Gambar 2.5 (5)

f. Annular flow

Pada pola aliran anular dengan semakin bertambahnya kecepatan udara, air akan menempati dinding saluran dan membentuk seperti cincin mengelilingi udara yang berada di tengah saluran. Lapisan air yang berada dibawah akan lebih tebal akibat dari gaya gravitasi. Pola aliran ini terlihat seperti pada Gambar 2.5 (6).

2. Pola aliran pada aliran keatas (upward) saluran tegak (vertical)

Pola aliran utama yang terjadi pada aliran vertikal searah keatas dapat dilihat pada Gambar 2.6

a. Bubble b. Slug c. Churn d. Annular

Gambar 2.6. Pola aliran pada saluran tegak [11]

a. Bubble flow

Pola ini ditandai dengan adanya penyebaran gelembung-gelembung diskrit yang mengalir dalam sebuah fase cairan kontinyu. Gelembung umumnya berbentuk bulat apabila diameternya kurang dari 1 mm, dan bentuknya variatif apabila berdiameter lebih dari 1 mm. Jumlah gelembung bertambah seiring meningkatnya laju aliran gas. Pola aliran ini terlihat seperti pada Gambar 2.6 (1).

b. Slug flow

Pola aliran ini terjadi dengan gelembung udara yang menyatu dan memanjang didalam saluran dan berada di tengah. Diameter gelembung biasanya hampir menyamai diameter saluran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 (2).

c. Churn flow

Pola aliran ini hampir mirip dengan pola aliran slug flow namun bentuknya lebih tidak beraturan dan tidak stabil. Pola aliran ini sering disebut juga dengan pola aliran semiannular flow karena pola aliran ini merupakan transisi antara slug flow dan annular flow, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 (3).

d. Annular flow

Sama seperti pola aliran annular flow pada saluran mendatar, air menempati dinding saluran dan membentuk seperti cincin mengelilingi udara yang berada di tengah saluran. Pola aliran ini terjadi dengan laju aliran massa yang relatif tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 (4).

3. Pola aliran pada aliran keatas (upward) saluran miring (incline)

Pola aliran yang diamati dalam kondisi incline dengan arah aliran naik mirip dengan yang diamati di aliran vertikal, terutama untuk yang mendekati system vertikal. Termasuk bubble, slug, churn, dan annular seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Pola aliran incline upward [11]

(1) Bubble flow

(2) Slug flow

(3) Churn flow

(4) Annular flow

a. Bubble flow

Gelembung-gelembung kecil menyebar di dalam cairan secara kontinyu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 (1).

b. Slug flow

Pola aliran ini terjadi dengan gelembung udara yang menyatu dan memanjang. Diameter gelembung biasanya hamper menyamai diameter saluran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 (2).

c. Churn flow

Pola aliran ini hampir mirip dengan pola aliran slug flow namun bentuknya lebih tidak beraturan dan tidak stabil. Pola ini ditunjukkan pada Gambar 2.7 (3).

d. Annular flow

Air menempati dinding saluran dan membentuk seperti cincin mengelilingi udara yang berada di tengah saluran. Pola aliran ini terjadi dengan laju aliran massa yang relatif tinggi, seperti pada Gambar 2.7 (4).

2.2.3 Peta pola aliran dua fase

Lamari [11] menyatakan bahwa peta pola aliran adalah diagram yang mengindikasikan rentang terjadinya bermacam-macam pola aliran. Salah satu peta pola aliran dua fase horisontal yang sering dijadikan sebagai rujukan adalah peta pola aliran Mandhane dkk. [12], Untuk aliran dua fase vertikal peta pola aliran yang sering digunakan adalah peta pola aliran Taitel dkk. [3]. Sedangkan pada saluran incline peta pola aliran yang sering digunakan adalah peta pola aliran Barnea dkk. [4].

2.2.4 Klasifikasi saluran

Perbedaan yang signifikan dari fenomena transport pada saluran berukuran kecil dan normal adalah pada dimensi saluran tersebut. Sangat penting untuk mendefinisikan antara saluran normal dan kecil. Gambar 2.8 menunjukkan aplikasi dari setiap ukuran saluran yang digunakan pada industri. Berdasarakan perbedaan tersebut Mahendale dkk. mendefinisikan beberapa penukar kalor berdasarkan diameter hidrolik (Dh):

Penukar kalor mikro, diameter hidrolik antara 1 µm sampai 100 µm.

Penukar kalor meso, diameter hidrolik antara 100 µm sampai 1 mm.

Penukar kalor compact, diameter hidrolik antara 1 mm sampai 6 mm.

Penukar kalor konvensional, diameter hidrolik diatas 6 mm.

Menurut pengertian di atas perbedaan antara saluran diameter kecil dan normal adalah pada batas ukuran 6 mm. Berdasarkan aplikasi pada bidang rekayasa, saluran mini banyak digunakan pada sistem pendingin alat elektronik dan penukar kalor ringkas. Kandlikar [10] mendefinisikan beberapa saluran berdasarkan ukuran diameter hidrolik:

Saluran konvensional, dengan diameter hidrolik lebih dari 3 mm.

Saluran mini, dengan diameter hidrolik antara 200 µm sampai 3 mm.

Saluran mikro, dengan diameter hidrolik antara 10 µm sampai 200 µm.

Gambar 2.8 Penerapan saluran pada setiap ukuran [1]

2.2.5 Void Fraction

Void fraction atau fraksi hampa ( ) didefinisikan sebagai rasiokecepatan superfisial fase gas dengan kecepatan aktual fase gas. Sehingga dapat dituliskan dengan

(2.1)

Fraksi hampa merupakan salah satu fenomena penting pada aliran dua fase.

Dalam analisa fraksi hampa, diperlukan model fraksi hampa dari penelitian sebelumnya. Model fraksi hampa pada penelitian sebelumnya dapat disebut dengan model korelasi fraksi hampa. Tujuan dari analisa fraksi hampa ini adalah untuk mengetahui kesesuaian fraksi hampa penelitian terhadap model korelasi fraksi hampa penelitian terdahulu. Semakin dekat nilai antara fraksi hampa penelitian dengan model korelasi, maka semakin baik nilai fraksi hampa jika didekati dengan model korelasi untuk kondisi penelitian yang sama.

Korelasi fraksi hampa secara umum dikelompokkan menjadi tiga katagori yaitu korelasi slip ratio, korelasi KεH, korelasi drift-flux, dan korelasi umum (general). Woldesemayat & Ghajar [18] membahas perbedaan antara korelasi- korelasi fraksi hampa tersebut seperti berikut.

1. Korelasi slip ratio

Butterworth [5] menyatakan korelasi fraksi hampa ini sebagai fungsi dari fraksi kelembaban / wetness (1-x) dan kualitas campuran (x). “x” didefinisikan sebagai rasio laju aliran fase gas terhadap laju aliran total, atau rasio dari massa jenis fase (ρG dan ρL) serta rasio viskositas fase (µG dan µL). Korelasi slip ratio beberapa penelitian juga menghasilkan bentu konstanta baru seperti

dalam persamaan dari Smith, ASM, dan Premoli dkk., APRM.

2. Korelasi KεH

Korelasi model ini didefinisikan sebagai suatu konstanta atau beberapa kumpulan fungsi dari no-slip atau fraksi hampa model homogeneous.

Beberapa peneliti juga mengembangkan korelasi ini sebagai fungsi dari tekanan (P), bilangan Froude (Fr), bilangan Reynolds (Re) dan variasi input (JG dan JL)

3. Korelasi drift-flux

Korelasi ini didefinisikan sebagai perbedaan antara kecepatan aktual fase gas (UG) dan kecepatan superfisial total pada aliran dua fase (J). Korelasi ini dinyatakan sebagai konstanta parameter distribusi (Co) dan kecepatan drift- flux (V∞). Kecepatan superfisial gas (JG) menjadi suatu bagian yang penting dalam persamaan ini.

4. Korelasi umum (general correlations)

Korelasi ini didefinisikan sebagai fungsi dari perbedaan parameter-parameter fisik yang terdiri dari persamaan empiris dasar dan prinsi-prinsip besaran fisika dasar. Banyak parameter yang digunakan dalam korelasi ini seperti parameter Lockhart-Martinelli (Xtt), parameter Froude rate (Ft), dan bilangan Weber (We). Beberapa korelasi juga dapat digunakan khusus dalam perhitungan fraksi hampa pada kondisi aliran miring (inclined).

Dari beberapa katagori korelasi fraksi hampa, model korelasi fraksi hampa yang digunakan sebagai acuan pada penelitian ini diantaranya adalah model korelasi fraksi hampa Armand [1], Chisholm [6] dan Sowinski [16]. Rumus ketiga model korelasi fraksi hampa tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Tabel 2.2 Persamaan fraksi hampa dari berbagai model

Peneliti Deskripsi Metode

Prediksi Persamaan No

Persamaan umum

Persamaan umum

Model

homogen 2.7

Armand (1946)

Korelasi model homogen

2.8

Sowinski (2009)

Vertikal - 1.13 mm,

Korelasi model

dengan (Koefisien

Bankoff) = 0.8 2.9

1.25 mm, 2.23 mm, 4.01 mm

homogen

Chisholm (1973)

Pipa

vertikal Slip ratio 2.10

Penurunan tekanan dan fraksi hampa merupakan aspek hidrodinamika dari aliran dua fase. Pengukuran fraksi hampa mempunyai arti penting dalam system dua fase. Pengetahuan mengenai fraksi hampa penting dalam perhitungan gradient tekanan dan dalam hubungannya untuk perhitungan banyaknya cairan dan gas yang ada dalam sistem (Hestroni, 1982).

2.2.6 Kecepatan Superfisial

Kecepatan superfisial adalah laju aliran air pada fraksi hampa atau sebaliknya. Kecepatan superfisial dapat dinyatakan dengan

(2.2) (2.3) (2.4) dimana kecepatan superfisial udara, kecepatan superfisial air, dan densitas aliran volumetrik total.