Studi aliran dua-fase gas-cair melewati perbesaran saluran secara mendadak dengan penampang lingkaran

Studi aliran dua-fase gas-cair melewati perbesaran saluran secara mendadak dengan penampang lingkaran. Penelitian tentang aliran satu fase melalui perbesaran telah banyak dilakukan tetapi untuk aliran multi fase masih kurang sehingga penulis tertarik untuk melakukan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat visualisasi pola aliran dua fase air-udara. Kemudian mendiskripsikan distribusi tekanan aliran dua fase air-udara melewati perbesaran pipa dengan perbandingan antara outlet dan inlet masing-masing 1,5:1 ; 2:1; 2,5:1. Hasil visualisasi pola aliran dua fase pada kecepatan supervisial U_g= 0,16 – 0,263 m/s, U_l= 0,622 m/s membentuk pola aliran gelembung, pada U_g= 0,329 m/s , U_l=0,622 m/s membentuk pola aliran kantong, pada U_g= 0,493 m/s, U_l= 0,622 m/ s membentuk pola aliran strata gelombang dan pada U_g= 0,658 m/s, U_l=0,622 m/s membentuk pola aliran sumbat.Hasil pengukuran dan perhitungan distribusi tekanan sepanjang sumbu saluran memperlihatkan bahwa penurunan tekanan meningkat dengan kenaikan fluks massa (G) dan kualitas (x). Penurunan tekanan dengan asumsi aliran homogen lebih besar dibanding dengan asumsi aliran terpisah menggunakan teori Chisholm

Kata kunci : Perbesaran, Dua-fase,Distribusi tekanan, Homogen, Terpisah.

Latar Belakang

Pada aliran satu fase, informasi tentang penurunan tekanan pada pengecilan diameter saluran (kontraksi) dan perbesaran saluran (ekspansi) telah banyak terdapat dalam pustaka, bahkan data sudah ditabelkan untuk berbagai harga koefisien kontraksi. Namun pada aliran dua fase, (gas-air) karena masalahnya lebih komplek, informasinya masih terbatas dan model-model teori untuk menghitung
penurunan tekanan seringkali berhasil baik hanya pada kasus-kasus tertentu. Misalnya, Collier (1977) melaporkan hasil penelitian yang menunjukkan bahwa pada fluida uap air basah, model persamaan homogen dapat memberikan hasil prediksi yang baik pada koefisien kontraksi 0,75 dan 0,5 tetapi kurang baik pada 0,66. Tujuan Penelitian ini dimaksudkan :

1. Untuk membuat visualisasi pola aliran dua fase melewati perbesaran pipa mendatar, dengan rasio antara outlet dan inlet 1,5:1; 2:1 dan 2,5:1

2. Untuk mendiskripsikan distribusi tekanan sebelum dan sesudah dinding perbesaran pada aliran dua fase, dengan rasio antara outlet dan inlet 1,5:1; 2:1 dan 2,5:1

Tinjauan Pustaka

Durst dan Whitelaw (1978), Fearn, Mullin dan Cliffe (1990),Durst, Preira dan Tropea (1993) melaporkan hasil percobaan aliran laminar incompressilble 2-D fluida viscous dalam saluran simetri melalui perbesaran tiba-tiba untuk rasio ekpansi (S) antara outlet dan inlet pada 2:1 dan 3:1. Alirannya simetris dengan dua daerah pusaran, ukurannya sama besar pada sudut perbesaran. Panjang daerah pusaran itu bertambah besar dengan bertambahnya Re. Huang dan Darve (2000) dalam penelitiannya tentang aliran fluida helium melewati perbesaran secara mendadak yang diterapkan pada sebuah heat exchanger melaporkan bahwa distribusi tekanan sepanjang pipa pada arah sumbu ditunjukkan seperti grafik berikut.

Gambar 1. Grafik hasil perhitungan penurunan tekanan

pada perbesaran pipa secara mendadak (Christine D. dan Huang Y., 2000)

Sumarli (2000) melakukan penelitian penurunan tekanan dan distribusi tekanan untuk aliran air – udara pada pengecilan mendadak melalui saluran segi empat, bahwa penurunan tekanan pada aliran dua fase udara – air lebih besar dibanding penurunan tekanan aliran satu fase air.

Landasan Teori

Dalam aliran dua-fase tunak yang melalui perbesaran tiba-tiba (Gbr.2). gaya gesek dinding dan gaya gravitasi diabaikan dan subskrip 1 dan 2 menyatakan kondisi pada bidang 1 dan 2 dalam diskontinyu tersebut. Tekanan pada bidang 1 sama dengan tekanan pada ujung pipa diameter kecil.

Gambar 2. Profil perbesaran tiba-tiba aliran dua-fase

Bahan-bahan Penelitian

Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah :

1. Fluida cair = air bersih

2. Fluida gas = udara

3. Cairan berwarna = pewarna makanan

Alat-alat Penelitian

1. Kompresor dengan spesifikasi :

a. Tipe : Small Sized Reciprocating Compresor.

b. Tipe motor : EFOUP Form K 3φ

c. Max. WP : 7 – 7,9 kg/cm²

d. Putaran : 1000 rpm

2. Pompa air dengan spesifikasi :

a. Merk : Shimizu model PN-125 BIT

b. Sumber daya : listrik

c. Dayaoutput : 125 Watt

d. Tinggi isap maximum : 9 m

e. Total head maksimum : 33 m

f. Kapasitas maksimum : 43 lpm

g. Dimeter pipa isap dan tekan : 1”

h. Putaran : 2850 rpm

3. Penampung udara untuk menampung udara sebelum diinjeksikan ke seksi uji

4. Flowmeter air untuk mengukur debit air yang mengalir ke dalam seksi uji

5. Rotameter udara untuk mengukur debit udara yang diinjeksikan dalam seksi uji

6. Pencampur air-udara, tempat untuk menginjeksikan udara ke dalam aliran air sehingga terjadi aliran dua fase

7. Termometer untuk mengukur temperatur udara dan untuk mengukur campuran udara-air

8. Seksi Uji

9. Pemisah udara-air untuk memisahkan udara dengan air setelah melewati seksi uji sehingaa air dapat disalurkan kembali ke nstalasi

10. Manometer air raksa untuk mengukur tekanan udara yang diinjeksikan ke instalasi

11. Manometer kolom air untuk mengukur beda tekanan pada seksi uji

12. Bak Penampung air sebagai tempat air yang akan dipompa dan tempat menampung air setelah keluar dari seksi uji

13. Katup untuk mengatur debit air dan udara

14. Pipa PVC untuk saluran air

15. Camera Merk Yasica jenis Z 20 untuk mengambil visualisasi  streamline dan pola aliran

Jalannya Penelitian

Membuat Visualisai Pola Aliran Dua Fase Dan Pengukuran Perbedaan Tekanan

1. Mengisi bak penampung air setinggi ¾ bagian.

2. Menetapkan titik-titik yang akan diukur beda tekanannya.

3. Menyiapkan manometer supaya sebelum instalasi dialirkan fluida, tinggi air dalam manometer harus sama.

4. Menghidupkan pompa dan mengatur debit air dengan memutar katup sehingga flowmeter menunjukkan debit yang ditentukan.

5. Menghidupkan kompresor dan mengatur debit udara dengan memutar katup sehingga rotameter menunjukkan debit yang ditentukan.

6. Mencatat kondisi penelitian antara lain : koefisien perbesaran, debit air, debit udara, tekanan udara, temperatur udara, dan temperatur air.

7. Melihat tinggi air dalam manometer kemudian mencatat beda tinggi air dalam manometer pada lembar data yang telah disiapkan.

8. Melakukan pemotretan terhadap pola aliran.

KESIMPULAN

1. Hasil visualisasi pola aliran dua fase pada kecepatan superfisial U_g= 0.16-0,263m/s, U_l=0,622 m/s membentuk pola aliran gelembung, pada U_g= 0,329 m/s, U_l= 0,622 m/s membentuk pola aliran kantong, pada U_g= 0,493 m/s, U_l= 0,622 m/ s membentuk pola aliran strata gelombang dan pada U_g= 0,658 m/s, U_l= 0,622 m/s membentuk pola alrian sumbat cair.

2. Hasil pengukuran dan perhitungan distribusi tekanan sepanjang sumbu saluran memperlihatkan bahwa penurunan tekanan meningkat dengan kenaikkan fluks massa (G) dan kualitas (x). penurunan tekanan pengukuran lebih besar dibanding dengan asumsi aliran terpisah menggunakan teori Chisholm.