STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR MINI-CHANNEL

(1)

STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE

AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR

MINI-CHANNEL

SKRIPSI Diajukansebagaisalahsatusyarat untukmemperolehgelar SarjanaTeknik Oleh : ZULFIKAR MAHMUD NIM. I0412055

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

(3)

(4)

iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN

Saya yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : Zulfikar Mahmud

NIM : I0412055

Program Studi : S1 Teknik Mesin

Dengan ini menyatakan bahwa Skripsi dengan judul “Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada Vertical Upward Circular Mini-Channel” adalah hasil pekerjaan saya dan seluruh ide, pendapat, atau materi dari sumber lain telah dikutip dengan cara penulisan referensi yang sesuai.

Pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan ini tidak sesuai dengan kenyataan , maka saya bersedia menanggung sanksi sesuai dengan peraturan yang telah ditetapkan.

Surakarta, 4 Mei 2017

(5)

v

MOTTO

“Allah mengangkat orang-orang beriman di antara kamu dan juga orang-orang yang dikaruniai ilmu pengetahuan dengan beberapa derajat”

(Al-Mujadalah : 11)

“Tuntutlah ilmu. Di saat kamu miskin, ia akan menjadi hartamu. Di saat kamu kaya, ia akan menjadi perhiasanmu”

(Luqman Al-Hakim)

“Orang yang banyak ketawa itu kurang wibawanya. Orang yang suka menghina orang lain, dia juga akan dihina. Orang yang mencintai akhirat,

dunia pasti menyertainya” (Sayyidina Umar bin Khattab RA)

“Banyak hal yang menjatuhkanmu. Tapi satu-satunya hal yang benar-benar dapat menjatuhkanmu adalah sikapmu sendiri”

(R.A. Kartini)

“Barang siapa ingin mutiara, harus berani terjun di lautan yang dalam” (Ir. Soekarno)

“Gantungkan cita-citamu setinggi langit. Bermimpilah setinggi langit. Jika engkau jatuh, engkau akan jatuh di antara bintang-bintang”

(Ir. Soekarno)

“Hidup bagaikan menaiki sepeda. Agar tetap seimbang anda harus tetap bergerak” (Albert Einstein)

(6)

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Terselesaikannya laporan skripsi ini tidak dapat lepas dari bantuan beberapa pihak. Maka dari itu laporan skripsi ini dipersembahkan diantaranya adalah kepada

1. Bapak, Ibu, Kakak dan Adik yang sangat penulis cintai dan selalu memberikan dukungan secara penuh kepada penulis dari awal hingga berakhirnya masa studi perkuliahan.

2. Keluarga besar H. Busro yang secara tak langsung membantu penulis selama masa perkuliahan.

3. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT sebagai pembimbing khususnya selama perkuliahan hingga penyelesaian skripsi ini.

4. Bapak Prof. Dwi Aries Himawanto yang selama kurang lebih 5 tahun mengarahkan penulis dalam segala hal yang berkenaan dengan perkuliahan. 5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT, sebagai Ketua Program Studi Teknik

Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta sebagai penanggungjawab penulis di lingkungan perkuliahan.

6. Teman-teman seperjuangan “Camro” 2012 di Teknik Mesin. 7. Teman-teman Forum Mahasiswa Bidikmisi Karanganyar.

8. Teman-teman di Program Studi lain yang sudah menemani selama penulis mengenyam pendidikan perkuliahan.

(7)

vii

STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE

AIR-UDARA PADA VERTICAL UPWARD CIRCULAR

MINI-CHANNEL

Zulfikar Mahmud Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta Indonesia

Email : zulfikarmahmud76@gmail.com

ABSTRAK

Studi eksperimen aliran dua fase penting dilakukan sebagai pertimbangan dalam penerapan desain sistem perpipaan yang bergantung pada aliran dua fase. Pola aliran air-udara diidentifikasi pada penelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pola aliran air-udara yang terbentuk pada saluran bulat kecil dengan arah aliran vertikal ke atas serta mengetahui konfigurasi alirannya. Saluran bening diameter dalam 2,5 mm dan 5 mm dengan panjang 1200 mm digunakan dalam penelitian ini. Pola aliran yang terbentuk adalah bubble, slug, churn dan

annular. Peta pola aliran baru dibentuk kembali pada penelitian ini. Peta pola

aliran hasil penelitian memiliki kemiripan yang baik dengan peta pola aliran Fukano dan Kariyasaki (1993) untuk pipa diameter dalam 2,5 mm dan peta pola aliran Hanafizadeh (2011) untuk pipa diameter dalam 5 mm. Konfigurasi aliran lain seperti kecepatan aktual udara dan fraksi hampa juga diteliti. Analisa dengan

drift-flux models dilakukan pada analisa kedua konfigurasi tersebut. Nilai

parameter korelasi C0 mengalami penurunan dari 1,240 ke 1,103 ketika terjadi

kenaikan ukuran diameter saluran dari 2,5 mm ke 5 mm. Fraksi hampa hasil penelitian memiliki korelasi yang sangat baik terhadap model fraksi hampa dari Nicklin (1962) dan Armand (1946).

Kata kunci : dua fase, saluran bulat, pola aliran, peta pola aliran, drift-flux models, konfigurasi aliran

(8)

viii

VISUALIZATION STUDY OF AIR-WATER

TWO PHASE FLOW REGIME INVERTICAL UPWARD

CIRCULAR MINI-CHANNEL

Zulfikar Mahmud

Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of SebelasMaret University

Surakarta Indonesia

Email :zulfikarmahmud76@gmail.com

ABSTRACT

Two phases flow experimental study was important to be observed as a consideration in the application of piping system design which depends on two phases flow. Air-water flow regime was identified in this experiment. The purposes of this experiment were to investigate the air-water flow regime which was occurred in circular mini-channel with vertical upward flow and to investigate the flow configuration. The transparent channel with inner diameter 2,5 mm and 5 mm, 1200 mm length were used in this experiment. The flow regime which was formed were bubble, slug, churn and annular. The new flow regime map was reformed in this experiment. The flow regime map of the experiment had a similarity to Fukano and Kariyasaki’s (1993) flow regime map for 2,5 mm inner-diameter and Hanafizadeh’s (2011) flow regime map for 5 mm inner-inner-diameter. The other flow configuration such as air actual velocity and void fraction were also observed. The Analysis by means of drift-flux models was done to both configurations. The value of correlation parameter C0 decreased from 1,240 to

1,103 when the channel diameter increased from 2,5 mm to 5 mm. The void fraction of the experiment had a very good correlation to void fraction models by Nicklin (1962) and Armand (1946).

Keywords: two phase, circular channel, flow regime, flow regime map, drift-flux models, flow configuration

(9)

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi dengan judul “Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada Vertical Upward Circular Mini-channel” ini dengan lancar dan baik.

Skripsi ini dibuat dan disusun guna memenuhi salah satu persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam pelaksanaan hingga penyelesaian skripsi ini tidak mungkin dapat tercapai tanpa bantuan pihak lain baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Maka pada kesempatan kali ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak yang telah membantu pada pelaksanaan skripsi ini hingga selesai, terutama kepada :

1. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT, selaku Pembimbing I yang senantiasa membimbing, mengarahkan, memberikan nasehat dan menularkan ilmunya dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD, selaku Pembimbing II yang turut serta membimbing dan member arahan dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT., bapak Dr. Budi Kristiawan, ST.,

MT., dan ibu Indri Yaningsih, ST., MT., selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan saran yang membangun dalam skripsi ini. 4. Bapak Prof. Dwi Aries Himawanto, sebagai pembimbing akademik yang

telah membimbing, memberikan nasehat, memotivasi dan memberikan bekal pengalaman yang akan sangat berguna saat yang akan dating.

5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin yang senantiasa memberikan motivasi lebih pada mahasiswa dalam perkuliahan maupun aktivitas di luar akademik.

6. Seluruh Dosen, laboran dan Staff di Program Studi Teknik Mesin yang turut serta membantu demi kelancaran penyelesaian skripsi ini.

(10)

x

7. Bapak, ibu, dan kakak yang selalu memberikan dorongan baik secara materi maupun spiritual, serta adik “kecil” yang senantiasa menjadi hiburan disela kesibukan dalam perkuliahan maupun kegiatan di luar sekolah.

8. Teman-teman “CAMRO” selaku teman-teman senasib seperjuangan yang telah mendorong penulis untuk lebih maju selama kurang lebih empat tahun mengenyam manis pahit suka duka menjalani perkuliahan di Program Studi Teknik Mesin ini.

9. Mahfudz, Guntur, Ridwan, Herlambang “tommy” dan Siti Kholifah “Ifa” selaku teman-teman satu penelitian Aliran Dua Fase yang kurang lebih setahun saling bahu-membahu dan melengkapi dalam penyelesaian skripsi ini.

10. Mas Latif dan Mas Mufrih yang telah membantu mengajari dan mengarahkan dalam penggunaan peralatan penelitian Aliran Dua Fase. 11. Teman-teman Badminton KMTM yang selalu menemani melepas penat

usai kegiatan perkuliahan maupun dalam penyelesaian skripsi ini.

12. Serta pihak-pihak lain yang sedikit banyak telah membantu demi kelancaran penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam penyusunan laporan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan adanya masukan dan saran yang membangun demi tercapainya laporan hasil skripsi yang lebih baik dan sempurna di kemudian hari.

Akhir kata, penulis berharap semoga hasil dari skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua, serta penulis pada khususnya.

Surakarta, 4 Mei 2017

(11)

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ... iv

HALAMAN MOTTO ... v

HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi

ABSTRAK ... vii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR NOTASI ... xvi

DAFTAR LAMPIRAN ... xvii

DAFTAR PERSAMAAN ... xviii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan Masalah ... 2 1.3. Batasan Masalah ... 3 1.4. Tujuan Penelitian ... 3 1.5. Manfaat Penelitian ... 4 1.6. Sistematika Penulisan ... 5

BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 6

2.2. Dasar Teori ... 12

2.2.1. Pola aliran gas-cair ... 12

2.2.2. Persamaan umum aliran dua fase ... 15

2.2.3. Pengamatan visual aliran dua fase ... 17

2.2.5. Korelasi fraksi hampa ... 18

2.2.4. Kecepatan aktual fase gas ... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian ... 22

3.2. Alat dan Bahan Penelitian ... 22

3.2.1. Alat penelitian ... 22

3.2.2. Bahan penelitian ... 28

3.3. Parameter Penelitian... 28

3.3.1. Parameter yang ditentukan ... 28

3.3.2. Parameter yang diukur ... 28

3.3.3. Parameter yang dihitung ... 28

3.4. Prosedur Penelitian ... 29

(12)

xii

3.4.2. Tahap pengambilan Data ... 29

3.4.3. Tahap pengolahan dan analisa Data ... 30

3.5. Diagram Alir Penelitian ... 31

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pola Aliran ... 34

4.1.1. Transisi Pola Aliran ... 34

4.1.2. Penentuan Pola Aliran ... 37

4.2. Peta Pola Aliran ... 41

4.2.1. Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 2,5 mm ... 41

4.2.2. Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 5 mm ... 42

4.3. Perbandingan dengan Peta Pola Aliran Penelitian Lain ... 43

4.3.1. Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 2,5 mm ... 44

4.3.2. Peta pola aliran pada pipa diameter dalam 5 mm ... 47

4.4. Kecepatan Aktual Udara dan Fraksi Hampa Penelitian ... 52

4.4.1. Kecepatan Aktual Udara ... 52

4.4.2. Fraksi Hampa ... 54 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 57 5.2. Saran ... 57 Daftar Pustaka ... 58 Lampiran

(13)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pola aliran air-udara Mishima dan Hibiki ... 6

Gambar 2.2 Peta pola aliran Barnea dkk ... 7

Gambar 2.3 Peta pola aliran Fukano & Kariyasaki ... 7

Gambar 2.4 Peta pola aliran Hanafizadeh dkk ... 8

Gambar 2.5 Peta pola aliran pipa 3 mm Yamaguchi ... 9

Gambar 2.6 Peta pola aliran pipa 5 mm Yamaguchi ... 9

Gambar 2.7 Batas pola bubble-slug ... 10

Gambar 2.8 Batas pola slug-churn ... 10

Gambar 2.9 Batas pola churn-annular ... 10

Gambar 2.10 Pola aliran pipa vertikal searah ke atas ... 12

Gambar 2.11 Pola aliran pipa vertikal searah ke bawah ... 15

Gambar 3.1 Skema alat uji aliran dua fase air-udara ... 21

Gambar 3.2 Pompa air ... 22

Gambar 3.3 Kompresor udara ... 22

Gambar 3.4 Mixer air-udara ... 23

Gambar 3.5 Saluran uji ... 23

Gambar 3.6 (a) Flowmeter air, (b) Flowmeter udara ... 24

Gambar 3.7 Kamera Casio EX-ZR1000 ... 24

Gambar 3.8 Lampu led deret ... 25

Gambar 3.9 Perpipaan by-pass ... 25

Gambar 3.10 Tangki air... 26

Gambar 3.11 Rangka utama ... 26

Gambar 3.12 Diagram alir penelitian ... 30

Gambar 4.1 Aplikasi pengolah data video Phantom 630 ... 32

Gambar 4.2 Pola bubble ke slug hasil penelitian (Jl = 0,985 m/s) ... 35

Gambar 4.3 Pola slug ke churn hasil penelitian (Jl = 0,496 m/s) ... 35

Gambar 4.4 Pola churn ke annular hasil penelitian (Jl = 0,185 m/s) ... 35

Gambar 4.5 Peta pola aliran (pipa diameter dalam 2,5 mm) ... 41

Gambar 4.6 Peta pola aliran (pipa diameter dalam 5 mm) ... 42

Gambar 4.7 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 2,4 mm Fukano dan Kariyasaki (1993) ... 43

Gambar 4.8 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 2 mm Hanafizadeh dkk (2011) ... 44

Gambar 4.9 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 3 mm Hanafizadeh dkk (2011) ... 45

Gambar 4.10 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 3 mm Yamaguchi (2012) ... 45

Gambar 4.11 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran pada pipa 4,9 mm Fukano dan Kariyasaki (1993) ... 46

(14)

xiv

Gambar 4.12 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran

pada pipa 4 mm Hanafizadeh dkk (2011) ... 47 Gambar 4.13 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran

pada pipa 5 mm Yamaguchi (2012) ... 48 Gambar 4.14 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran

pada pipa 4 mm Barnea dkk (1983) ... 48 Gambar 4.15 Perbandingan peta pola penelitian dengan peta pola aliran

pada pipa 12,3 mm Barnea dkk (1983) ... 49 Gambar 4.16 Peta pola aliran air-udara penelitian pada pipa 2,5 mm ... 50 Gambar 4.17 Peta pola aliran air-udara penelitian pada pipa 5 mm ... 50 Gambar 4.18 Grafik kecepatan aktual udara pada pipa diameter

dalam 2,5 mm ... 51 Gambar 4.19 Grafik kecepatan aktual udara pada pipa diameter

dalam 5 mm ... 52 Gambar 4.20 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi

fraksi hampa model Armand (1946) ... 53 Gambar 4.21 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi

fraksi hampa model Nicklin (1962) ... 54 Gambar 4.22 Perbandingan fraksi hampa penelitian terhadap korelasi

(15)

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Penelitian-penelitianacuanaliranduafase ... 11 Tabel 4.1 Perbandinganfraksihampapenelitianterhadap model

(16)

xvi

DAFTAR NOTASI

Simbol Satuan Keterangan

A m2 Luas penampang lubang saluran

AG m2 Luas penampang lubang saluran yang diselimuti fase

gas

Co - Parameter distribusi pada drift-flux models

D m Diameter dalam pipa

g m/s2 Percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2)

j m/s Kecepatan superfisial total (Jg+ Jl)

jG m/s Kecepatan superfisial fase gas

jL m/s Kecepatan superfisial fase cair

L m Panjang total saluran

Le m Panjang saluran dari mixer

mG kg/s Laju aliran massa fase gas

mL kg/s Laju aliran massa fase cair

Q m3/s Laju aliran volum total

QG m3/s Laju aliran volum fase gas

QL m3/s Laju aliran volum fase cair

uG m/s Kecepatan aktual fase gas

uL m/s Kecepatan aktual fase cair

V∞ m/s Kecepatan seret rata-rata pada drift-flux models

X - Kualitas massa campuran

α - Fraksi hampa

β - Kualitas aliran volumetrik

µG kg/m.s Viskositas dinamik fluida gas

(17)

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Pola aliran air-udara pada pipa diameter dalam 2,5 mm ... 60

Lampiran 2. Pola aliran air-udara pada pipa diameter dalam 5 mm ... 61

Lampiran 3. Pengukuran kecepatan aktual udara tiap frame ... 62

Lampiran 4. Kecepatan aktual udara atau uG (dalam m/s) ... 63

Lampiran 5. Fraksi hampa eksperimen atau α (-) ... 64

Lampiran 6. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm(jL = 0,741 m/s) ... 65

Lampiran 7. Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (jL = 0,917 m/s) .... 66

Lampiran 10.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam 2,5 mm (jL = 1,451 m/s) .... 69

Lampiran 15.Pola aliran air-udara pipa diameter dalam5 mm (jL = 0,185 m/s) ... 74

(18)

xviii

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan 2.1. Fraksi hampa (void fraction)... 15

Persamaan 2.2. Kualitas massa campuran ... 16

Persamaan 2.3. Kecepatan superfisial fase gas ... 16

Persamaan 2.4. Kecepatan superfisial fase cair ... 16

Persamaan 2.5. Kecepatan superfisial fase total ... 16

Persamaan 2.6. Kecepatan aktual fase gas ... 17

Persamaan 2.7. Kecepatan aktual fase cair ... 17

Persamaan 2.8. Kualitas aliran volumetrik ... 17

Persamaan 2.9. Kualitas aliran volumetrik ... 17

Persamaan 2.10. Model korelasi fraksi hampa Armand (1946) ... 20

Persamaan 2.11. Model korelasi fraksi hampa Nicklin (1962) ... 20

Persamaan 2.12 Model korelasi fraksi hampa Toshiba (1989) ... 20