MEKANIKA 51Volume 10 Nomor 1, September 2011

KAJI EKSPERIMEN KECEPATAN POLA ALIRAN SLUG AIR-UDARAPADA ALIRAN DUA FASE SEARAH PIPA HORISONTALMENGGUNAKAN HIGH SPEED VIDEO CAMERA

Budi Santoso,14, Fithroh D. R.2, Indarto2, Deendarlianto2, Thomas S. W.31Program Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada2Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada3Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada4Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

Keywords:

Two phase flow, Horizontal pipe,Air-water, Slug flow, High-speedvideo camera, Visulisation

Abstract:

The purpose of this study was to examine velocity of the slug flowpattern of air-water. The method used is the visualization of flowpatterns using high-speed video camera. The study was conducted onthe water superficial velocity 0.139 m/s - 1.952 m/s and the airsuperficial velocity 1.043 m/s - 3.652 m/s on a horizontal pipe with adiameter of 24 mm pipe. Increase in superficial gas velocity causesthe aeration mechanism (gas-phase entry in the form of small bubblesinto the liquid phase) to produce slug flow. Constant value C0 inequation Nicklin (1962) obtained in this study correspond to the valueproposed by Bendiksen (1984) for Fr> 3.5.

PENDAHULUANAliran dua fase ini banyak dijumpai baik

dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada ketel uap, kondensor,alat penukar panas, reaktor nuklir, pencairan gasalam, pipa saluran dan lain-lain. Dalam aliran duafase pengetahuan tentang pola aliran sangatpenting, karena hal ini menentukan bagaimanamodel analisis atau korelasi yang akan digunakandalam meramalkan perilaku aliran fluida. Polaaliran tertentu akan diperoleh effisiensi produksiyang lebih dari pola aliran lain, dapat berbahaya,dan sebagai pertimbangan dalam perencanaanfasilitas aliran dua fase yang berkaitkan denganpenurunan tekanan. Studi tentang aliran dua fasedapat diperhatikan atas beberapa parameter, yaituwujud fase, arah aliran dan kedudukan saluran.Beberapa teknik yang telah direkomendasikanuntuk identifikasi pola aliran dibagi dalam tigakategori:

1. Metode analitis (Analytical methods).2. Metode Visualisasi (Visualization

methods): metode photografi, radiografisinar X dan multibeam gammadensitometry.

3. Metode yang tergantung padapengukuran dari banyaknya fluktuasidan karakteristik statistik dalamparameter pola aliran.

Marruaz dkk.(2001) menyatakan bahwapengetahuan tentang karakteristik aliran slugseperti frekuensi, kecepatan unit cell, panjang

gelembung, dan panjang liquid slug sangat pentingdalam menentukan ukuran jaringan perpipaan dandesain receiving vessel serta peralatan pre-processing. Sebagai contoh, kecepatan unit cellmenentukan laju aliran sesaat gas dan cairan yangmasuk pada receiving vessel; panjang liquid slugmempunyai korelasi yang kuat dengan penurunantekanan.

Dalam analisa pola aliran slug, struktur aliransering dinyatakan dalam ”unit cell”. Rosa (2004)menyatakan bahwa konsep ini pertama kalidiusulkan oleh Dukler dan Hubbard (1975). Dalamkonsep ini struktur aliran slug dapat dibagi menjadidua bagian yaitu liquid slug dan elongated gasbubble. Liquid slug merupakan bagian yang terdiridari fase cair dengan kemungkinan adanyagelembung gas sedangkan elongated gas bubbleadalah gelembung panjang yang mengalir di ataslapisan film cairan. Gambar sebuah unit cell dapatdilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Skematis dari sistem slug dengankantung udara, liquid slug, dan total slug unit

(Rosa, 2004).

Pengukuran bubble velocity yang dilakukanpada penelitian ini adalah untuk menentukan nilai

E-mail: msbudis@yahoo.co.id

MEKANIKA 52Volume 10 Nomor 1, September 2011

C0 dan V∞ pada persamaan bubble nose velocityyang diajukan oleh Nicklin dkk (1962) berikut ini:

VB = C0 . J + V∞ (1)

Bendiksen (1984) menyatakan bahwa untuk aliranhorisontal nilai C0 dan V∞ adalah sebagai berikut :

C0 = 1,0 dan V∞ = 0,54 jika Fr < 3,5C0 = 1,2 dan V∞ = 0,00 jika Fr ≥ 3,5

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkajipola aliran slug air-udara beserta kecepatangelembung. Metode yang digunakan dalampenelitian ini adalah metode visualisasi pengamatanpola aliran menggunakan peralatan high-speedvideo camera.

BAHAN DAN METODE PENELITIANSusunan perlatan eksperimen dapat dilihat

pada Gambar 2. Udara sebagai fase gas pada alirandua fase disuplai dari kompresor dengan daya 0,75kW 3Ø; debit maksimum 75 l/min; tekananmaksimum 5,5 kg/cm2; dan putaran engkol 1000rpm. Aliran udara diatur dengan regulator danbesarnya diukur oleh flowmeter udara. Sebelummasuk ke mixer udara melalui katup bola yangberfungsi mencegah aliran alir masuk ke flowmeterudara. Aliran udara pada eksperimen ini adalahmenggunakan siklus terbuka, artinya setelahmelalui seksi uji, udara akan dibuang kembali keatmosfer.

Gambar 2. Susunan peralatan eksperimen

Air sebagai fase cair pada aliran dua fasedisuplai dengan pompa yang mempunyai datateknis total head 16 m, kapasitas 3,6-17 m3/jam,diameter isap dan tekan 1,5”, putaran motor 2.970rpm, 1 fase dan daya output 1,05 kW. Air dipompadari tangki input dan diatur laju alirannyamenggunakan sistem by-pass dan kemudian lajualiran tersebut diukur dengan flowmeter air sebelummasuk ke mixer. Setelah melalui mixer air danudara akan membentuk aliran dua-fase di dalampipa seksi uji. Setelah melalui seksi uji air akanditampung dalam tangki output untuk selanjutnyadipompa kembali ke tangki input sehinggamembentuk siklus tertutup.

Data yang diambil berupa video yangdihasilkan oleh high-speed video camera dengantipe MEMRECAM C3. Pada saat pengambilan

gambar, hal yang sangat perlu diperhatikan adalahsistem pencahayaan (lighting). Sistem pencahayaanakan sangat menentukan baik atau buruk gambaryang dihasilkan. Data berupa video kemudiandiolah menggunakan software PHANTOM 630untuk menghasilkan data parameter dalam slugseperti panjang slug, kecepatan slug, dan kecepatanslug. Variabel kontrol dalam penelitian ini adalahdebit air dan debit udara.

HASIL DAN PEMBAHASANPola aliran slug yang diamati ditunjukkan

pada Gambar 3 dan Gambar 4. Pola aliran slugmempunyai ciri khusus dimana aerasi terjadi padaseluruh bagian likuid slug. Selain itu, batas antarakantung dan liquid slug tidak halus.

MEKANIKA 53Volume 10 Nomor 1, September 2011

Kemudian, data pola aliran slug yang didapatdibandingkan dengan peta pola aliran Mandhanedkk. (1974) seperti ditunjukkan Gambar 5. Gambar5. mengidikasikan bahwa data pola aliran slug yangdidapat adalah sesuai dengan hasil penelitianMandhane dkk. (1974). Pengamatan visualisasialiran sebagai fungsi kecepatan superfisial fluidaditunjukkan pada Gambar 5 dilakukan pada rentangkecepatan superfisial udara: JG = 1.043-3,652 m/sdan rentang kecepatan superfisial air: JL = 0.139-3.952 m/s.

Gambar 3. Tipe pola aliran slug hasil observasipenelitian pada kecepatan superfisial air tetap

Gambar 4. Tipe pola aliran slug hasil observasipenelitian pada kecepatan superfisial udara tetap

Gambar 5. Peta pola aliran

Tujuan dibuatnya grafik kecepatan gelembungterhadap kecepatan campuran adalah untukmendapatkan nilai C0 dan V∞ pada persamaan

Nicklin dkk (1962) seperti telah dijelaskan padatinjauan pustaka. Data yang digunakan pada grafikkecepatan gelembung terhadap kecepatansuperfisial campuran merupakan data dengankecepatan superfisial 1,02 m/s dan 1,56 m/s,sedangkan untuk kecepatan di atas 1,56 m/s tidakdilakukan pengukuran kecepatan gelembung karenabatas antara gelembung dengan cairan tidak jelasterlihat. Data kemudian diklasifikasikan dalam 2kelompok yaitu untuk nilai Fr < 3,5 dan untuk nilaiFr > 3,5. Hal ini mengacu pada nilai C0 dan V∞

yang diajukan Bendiksen (1984) yangmenggunakan nilai Fr untuk menentukan nilai C0

dan V∞.

Gambar 6. Grafik kecepatan gelembungterhadap kecepatan superfisial campuran untuk Fr <

3,5

Gambar 7. Grafik kecepatan gelembung terhadapkecepatan superfisial campuran untuk Fr > 3,5

Pada grafik kecepatan gelembung terhadapkecepatan campuran untuk Fr < 3,5 (Gambar 6)didapatkan nilai C0 sebesar 0,9579, V∞ sebesar0,7285 dan nilai R2 sebesar 0,6973. Apabiladibandingkan dengan nilai yang dikemukakan olehBendiksen (1984) memang terdapat penyimpangan.Regresi yang dilakukan juga kurang baik terbuktidengan nilai R2 kurang dari 0,9.

Untuk nilai Fr > 3,5 dapat dilihat padaGambar 7. Dari hasil regresi linier seperti padagrafik sebelumnya ternyata didapatkan nilai C0

sebesar 1,1715, V∞ sebesar 0,4265 dan R2 sebesar0,9765. Hasil yang didapatkan ini lebih baikdaripada hasil yang didapatkan untuk nilai Fr < 3,5.Nilai C0 yang didapatkan sangat mendekati dengannilai yang diajukan oleh Bendiksen (1984) yaitusebesar 1,2. Untuk nilai V∞ terdapat penyimpanganyang cukup besar dengan nilai yang diajukan oleh

MEKANIKA 54Volume 10 Nomor 1, September 2011

Bendiksen (1984). Regresi linier yang dilakukanpada grafik tersebut ternyata lebih baik dari grafiksebelumnya, terbukti dari nilai R2 lebih dari 0,9.

KESIMPULANPola aliran slug dapat diamati secara

visualisasi dengan jelas. Kecepatan gelembungdapat diukur dengan cara visualisasi. Pada Fr < 3,5didapatkan nilai C0 sebesar 0,9579, V∞ sebesar0,7285 dan nilai R2 sebesar 0,6973. Untuk nilai Fr> 3,5 didapatkan nilai C0 sebesar 1,1715, V∞

sebesar 0,4265 dan R2 sebesar 0,9765. Nilai C0

yang didapatkan sangat mendekati dengan nilaiyang diajukan oleh Bendiksen (1984).

Daftar NotasiC0 = konstantad = diameter dalam pipa (m)g = konstanta gravitasi (m/s2)J = kecepatan superfisial campuran (mixture

velocity), (m/s)Jl = kecepatan superfisial cairan, (m/s)Jg = kecepatan superfisial cairan, (m/s)VB = kecepatan ujung depan gelembung (bubble

nose velocity), (m/s)V∞ = konstanta

gd

JNumberFroudeFr

DAFTAR PUSTAKAAndreussi, P. and Bendiksen, K., 1989, “An

investigation of void fraction in liquid slugsfor horizontal and inclined gas-liquid pipeflow”, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 15, pp.937-946.

Barnea, D. and Brauner, N., 1985, “Holdup of theliquid flow in two-phase intermittent flow”,Int. J. Multiphase Flow, Vol. 11, pp. 43-49.

Barnea, D. and Taitel, Y, 1993, “A model forlength distribution in gas-liquid flow”, Int. J.Multiphase Flow, Vol. 19, pp. 829-837.

Bendiksen, K.H., 1984, “An ExperimentalInvestigation of the Motion of Long Bubbles

in Inclined Tubes”, Int. J. Multiphase Flow,Vol. 10, n.4, pp. 467-483.

Dukler, E. and Hubbard, M.G., 1975, “A model forgas-liquid slug flow in horizontal and nearhorizontal tubes”, Ind. Eng. Chem. Fundam.,Vol. 14, n.4, pp.377-347

Fithroh D. R., 2009, “Kaji Eksperimen Pola AliranPlug Dan Slug Air-Udara Pada Pipa MendatarMenggunakan high speed video-camera”,Skripsi Jurusan Teknik Mesin dan IndustriFakultas Teknik Universitas Gadjah Mada,Yogyakarta.

Lamari, M.L., 2001, “An ExperimentalInvestigation of Two-Phase (Air-Water) FlowRegimes In a Horizontal Tube at NearAtmospheric Condition”, Disertation,Department of Mechanical and AerospaceEngineering Carleton University, OntarioCanada.

Marruaz, Keyla S., Gonçalves, Marcelo A. L.,Gaspari, Eduardo, Ribeiro, Geraldo S., França,Fernando A., Rosa, Eugênio S., 2001,“Horizontal Slug Flow in a Large-SizePipeline: Experimentation and Modeling”, J.Braz. Soc. Mech. Sci., vol.23, no.4, Rio deJaneiro

Nicklin, D.J., Wilkes, J. and Davidson, J.F., 1962,“Two-phase Flow in Vertical Tubs”, Trans.Inst. Chem. Engng, Vol.40, pp61-68.

Rosa, E.S., 2004, Flow Structure In The HorizontalSlug Flow, Universidade Estadual deCampinas Faculdade de Engenharia MecanicaDepartemento de Energia, Campinas Brasil.

Speeding dan Spence, 1993, Flow regimes in two-phase gas-liquid flow, Int. J. Multiphase Flow,Vol. 19, No. 2, pp. 245-280

Wallis, G.B., One Dimensional Two Phase Flow,Mc. Graw Hill Company, New York.