pengaruh konsentrasi garam terhadap …eprints.ulm.ac.id/603/1/ke-22.pdf · jenis fluida dan...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-22

PENGARUH KONSENTRASI GARAM TERHADAPKARAKTERISITIK ALIRAN DUA FASE GAS DAN AIR

Edi Widodo1*, , Ali Akbar 2 , Supriyanto 3⁾Universitas Muhammadiyah Sidoarjo Kampus IIJl. Raya Gelam 250, Candi, Sidoarjo, 61271, Jawa Timur

Telp : (031) 8945444 [email protected], [email protected], [email protected]

AbstrakFenomena aliran dua fase memiliki karakteristik khusus yang dikaji dalam

penelitian aliran. Sebagai bagian dari aliran multi fase, aliran dua fase diuji untukmendapatkan data-data karakteristik aliran, kelebihan dan kekurangannnya. Aliran dua fasepada pipa vertikal banyak dijumpai pada sistem transportasi perpipaan karenafleksibiltasnya dalam jaringan dan distribusi. Analisa dilakukan untuk mengetahuipengaruh penggunaan pipa vertical terhadap karakteristik pressure drop pada aliran duafase gas-cairan.

Pengujian dilakukan secara eksperimental mengunakan pipa transparan dengandiameter dalam 36 mm dan tebal 2 mm pada pipa vertical serta larutan garam sebagaifluida kerja cairan dan udara sebagai fluida kerja gas. Persentase larutan garamdivariasikan mulai dari 5%, 10%, 15%, dan 20% untuk mendapatkan karakteristik pressuredrop pada masing-masing kondisi. Pengukuran pressure drop pipa vertical diukur denganmenggunakan flowmeter.

Hasil pengamatan dan pengolahan data didapatkan kondisi flooding selalu diawalidengan ketidakstabilan aliran film diikuti adanya pola aliran seperti droplet, aliran acakserta tetesan-tetesan air. Saat flooding, pola aliran tersebut saling berinteraksi danmembentuk gelombang. Permukaan film bergerak ke atas searah dengan aliran udara dangradien tekanan meningkat tajam. Peningkatan kecepatan udara menyebabkanpengangkatan sebagian film air, dan terjadi peningkatan ketebalan film secara mendadakterjadi lebih cepat pada jarak relatif lebih jauh dari sisi air masuk. Kecepatan superficialflooding penuh dari 4 variasi, persentase larutan garam yang paling rendah sebesar 5%diperoleh kecepatan superficial air 0,06 (m/s) dan kecepatan superficial udara 5,62 (m/s).Kecepatan superficial ini merupakan nilai kecepatan terbesar dibandingkan dengan 3presentasi larutan garam yang lebih besar. Dengan demikian semakin kecil persentasekonsentrasi larutan garam, kecepatan superficial baik air maupun udara semakinmeningkat. Flooding yang terjadi dipengaruhi dengan konsentrasi garam. Semakin rendahkandungan garam, fenomena flooding akan terjadi semakin cepat.

Kata kunci : flooding, aliran dua fase,


KE-22

1. PendahuluanAliran dua fase adalah aliran fluida

yang terdiri dari dua macam zat yangberbeda fase yang mengalir secarabersamaan dalam suatu saluran. Misalnya,aliran dua fase air dan udara, aliran duafase cair-padat atau aliran dua fase gas-padat. Aliran dua fase ini banyakditemukan pada berbagai instalasi mesin,seperti instalasi pompa air lumpur yangmengalirkan zat cair dan padat atau padainstalasi Air Conditioning yangmengalirkan fluida freon dalam fase gasdan cair.

Pada aliran satu fase, pressure dropdipengaruhi oleh Reynolds number yangmerupakan fungsi dari viscositas, beratjenis fluida dan diameter pipa. Sedangkanaliran dua fase mempunyai fenomena yangsangat kompleks disamping dipengaruhioleh Reynolds number pada aliran dua fasejuga dipengaruhi oleh beberapa faktor,diantaranya adalah interaksi antar fase,pengaruh deformasi permukaan danpergerakan antar fluida, pengaruhketidakseimbangan fase, perubahan polaaliran dan hambatan-hambatan yang adadidalam pipa.

Flooding adalah peristiwa pembalikanarah aliran fluida cair yang semulakebawah menjadi keatas searah denganaliran udara, faktor-faktor yangmempengaruhi terjadinya flooding antaralain diameter dan panjang saluran,kekasaran permukaan dinding saluran, dansystem inlet dan outlet saluran. Dalamaliran dua fase berlawanan arah tidakmenutup kemungkinan terjadinyahambatan-hambatan yang terjadi sepertisambungan,kerak dan lain-lainnya yangbisa menyebabkan terjadinya floodinglebih cepat. Batas aliran berlawanan arah(counter-current flow limitation) terjadibila kecepatan aliran yang mengalir kebawah dan udara mengalir ke atas melebihiharga kritisnya, maka sebagian larutanakan terangkat ke atas searah dengan aliranudara, fenomena ini disebut onset offlooding. Kegagalan pendinginan padareaktor nuklir disebabkan terjadinyakegagalan pendinginan iti reaktor (Loss of

Cooling Accident). Uap panas yangmengalir keatas di dalam pipa menghambatlaju pendinginan dari air yang diinjeksikanke bawah. Air pendingin yang berasal dariEmergency Core Cooling ini tertahan dantidak dapat mengalir kebawah, dengandemikian peningkatan suhu tidakterelakkan dan menyebabkan lelehnyadinding pipa. Disamping itu terbentuk uapyang menyebabkan peningkatan tekanandidalam pipa. Keadaan ini disebut LOCA(Loss of Cooling Accident) [1] yangdisebabkan terjadinya peristiwa flooding didalam pipa.

Mahmudin (2008) menyatakantebal film dan fenomena denganmenggunakan suatu instalasi water injectorberbentuk annular berlubang banyak.Proses flooding terjadi pada kecepatanaliran udara 2,904 m/s.water injectorberbentuk annular berlubang banyakmenemukan bahwa bila air yang terbawaoleh aliran udara semakin banyak maka airyang mengalir ke seksi uji semakin kecilhingga mencapai nol (QLiq ≈ 0), serta akanterjadi sumbat fluida.[2]

Dalam aliran dua fase larutangaram dan udara juga dapat dimungkinkanterjadinya kerak yang terjadi didalamsistem perpipaan, sambungan pada sistemperpipaan, pengecilan dan pembesaransistem perpipaan dan lain-lainnya. Yangmenyebabkan terjadinya fenomenaflooding. Fenomena flooding pada alirandua fase larutan garam dan udaraberlawanan arah, konsentrasi larutan garammemberikan dampak terhadapkarakteristik aliran dua fase air dan udara.Tujuan yang ingin dicapai adalah melihatterjadinya fenomena flooding jika terjadiperubahan konsentrasi larutan garamdalam sistem perpipaan. Penggunaanlarutan garam dengan konsentrasibervariasi, diberikan prosentase garammulai dari 5%, 10%, 15%, dan 20%.Pengamatan dilakukan pada gradienttekanan, pola aliran, dan batas kecepatanmaksimal dari fluida.

Variasi larutan garam dilakukanuntuk menganalisa pengaruh konsentrasiterhadap besar kecepatan superficial udara


KE-22

pada saat terjadi flooding pada aliran duafase khususnya larutan garam dan udaravertikal berlawanan arah. Pola aliran padaaliran dua fase vertical larutan garam danudara berlawanan arah diamati untukmendapatkan karakteristik pola aliran yangterjadi. Selanjutnya didapatkan dataFenomena flooding pada aliran dua fasevertical larutan garam dan udaraberlawanan arah. Penelitian dilakukandengan menggunakan ketentuan:

1. Media yang digunakan adalahlarutan garam dan udara.

2. Trial pengujian dilakukan padaposisi vertical.

3. Tidak ada heat dan mass transferantara fase.

4. Karena tidak ada heat dan masstransfer maka viscositas tidakmendekati nol.

5. Pengujian dengan memakai pipaacrylic dengan diameterdalam(Din) = 36 mm denganketebalan 2 mm. Pipa acrylicdengan tujuan agar dapat dilihatvisualisasi pola aliran.

6. Fenomena flooding akibat adanyapencampuran larutan garamterhadap aliran dua fase air udara.

Tujuan penelitian yang menjaditarget yang akan didapatkan adalah :

1. Mengetahui pengaruh adanyapencampuran media fluida terhadapterjadinya flooding pada alirandua fase.

2. Mengetahui bagaimana pengaruhadanya pencampuran media fluidaterhadap fluktuasi perbedaantekanan dan pola aliran pada alirandua fase larutan garam dan udaravertical berlawanan arah.

3. Melihat fenomena yang terjadiketika persentase larutan garam divariasikan.

.2. Sistematika Aliran Fluida2.1. Aliran Dua-Fase

Aliran dua fase gas cairan yangmelewati pipa vertikal mengalami

perubahan karakterisitik flow patern yangdipengaruhi oleh kecepatan superficialcairan dan kualitas volumetrik gas.[3] Padasetiap kecepatan superficial cairan untukkualitas volumetrik gas menengah(medium) terjadi homogeneous bubbly flowdan dense bubbly flow untuk kisarankualitas volumetrik gas yang tinggi.Sedangkan (Muhammad, 2008)mengatakan, flooding ditentukan olehkecepatan kritis udara, yang membentukgelombang film pada bagian bawah saluranpipa uji, dan merambat keatas searahdengan aliran udara, yang rnengakibatkanlonjakan beda tekanan secara tiba-tiba padamanometer diatas injektor cairan.Fenomena flooding selalu diawali denganketidakstabilan aliran film diikuti adanyapola aliran seperti droplet, aliran acak sertatetesan-tetesan air. Saat flooding polaaliran tersebut saling berinteraksi danmembentuk gelombang. Pada permukaanfilm yang bergerak ke atas searah denganaliran udara dan gradien tekananmeningkat tajam Sementara itu,peningkatan kecepatan udara yangmenyebabkan pengangkatan sebagian filmair, dan teramati juga peningkatanketebalan film secara mendadak terjadilebih cepat pada jarak relatif lebih jauh darisisi air masuk (z=2200 mm), biladibandingkan pada z=400 mm dan z=1600mm. Peningkatan ketebalan film tersebutdiindikasikan sebagai fenomena hydraulicjump look like.

Aliran dua fase adalah aliran fluidayang terdiri dari dua macam zat yangberbeda fase yang mengalir secarabersamaan dalam suatu saluran.Misalnya, aliran dua fase cair-gas, alirandua fase cair-padat atau aliran dua fasegas-padat. Aliran dua fase ini banyakditemukan pada berbagai instalasimesin, seperti instalasi pompa airlumpur yang mengalirkan zat cair danzat padat. Aliran dua fase merupakanbagian dari aliran multifase. Aliran darifase yang berbeda ini banyak dijumpaidalam kehidupan sehari-hari maupundalam proses-proses industri. Aliranmultifase dalam berbagai aplikasi


KE-22

dijumpai pada sistem perpipaan, boilerpada pembangkit tenaga nuklir, padaindustri perminyakan dan lainsebagainya. Aliran multifase sendiridapat dibagi menjadi beberapa bagian,ada aliran dua fase, tiga fase, atau lebih.Aliran dua fase sendiri masih dapatdibedakan menjadi beberapa bagianlagi, dilihat dari fase yangmenyertainya, yaitu aliran dua fase cair-padat, cair-gas, dan gas-padat.Disamping dari fasenya aliran dua fasejuga dibedakan berdasar arah aliran(searah dan berlawanan arah) dankedudukan salurannya (tegak, mendatar,atau miring). Aliran dua fase ini banyakdijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-prosesindustri, seperti pada ketel uap,kondensor, alat penukar panas, reaktornuklir, pencairan gas alam, pipa salurandan lain-lain.

Aliran yang mengalami perubahanpola aliran (flow regime) dapatmenyebabkan pressure drop (penurunantekanan) yang berubah pula atauberfluktuasi. Maka dilakukanidentifikasi pola aliran (flow regime)yang terjadi sepanjang aliran untukmemprediksi hubungan pressure dropdengan aliran dua fase tersebut. Secaraumum parameter–parameter yangdiperhatikan diantaranya debit fluidacair dan gas, viskositas fluida, polaaliran, tegangan geser antar fase dankonfigurasi pipa.

Aliran dua fase ini banyak dijumpaibaik dalam kehidupan sehari-hari maupundalam proses-proses industri, seperti padaketel uap, kondensor, alat penukar panas,reaktor nuklir, pencairan gas alam, pipasaluran dan lain-lain. Tujuan mempelajarialiran dua fase, suatu prediksi untukmenggambarkan peformance peralatanseperti penurunan tekanan, fraksi hampa,koefisien perpindahan panas dan massaserta fenomena fisik dari peralatan. [4]

2.2. FloodingAliran berlawanan arah terjadi ketika

cairan dimasukkan kedalam pipa vertikal

lewat injektor berbentuk saluran padabagian atas. Sedangkan gas dialirkankeatas dari dasar pipa uji dengan laju aliranbervariasi dari kecepatan 0 hinggamelewati kecepatan kritis. Pada laju alirankonstan cairan sebagai film akan mengalirkebawah sepanjang pipa uji karenapengaruh gravitasi. Film cairan ini tidakmerata, tetapi berbentuk riak yang sangathalus. (gambar 1a) Jika laju aliran udaradinaikkan, film semakin bergelombangterutama pada bagian bawah saluran pipauji (gambar 1b). Jika laju aliran udara terusdinaikkan maka gelombang film padaseluruh permukaan makin besar,mengakibatkan butiran cairan terbawakedalam inti udara (gambar 1c). Pada lajualiran udara semakin tinggi, butiran cairansemakin besar dan membentuk sumbatanyang merambat keatas (gambar 1d) massacairan ini menempel pada bagian dalamsaluran diatas injektor. Fenomena initerjadi secara tiba-tiba data peristiwa inidisebut flooding atau titik flooding.

Gambar.1 Mekanisme Flooding [1]

Pada proses industri yangmenggunakan kondensor refluks, yangmengandalkan aliran uap dan kondensatberlawanan arah, laju aliran uap tidakdiizinkan melampaui laju aliran yangmenyebabkan terjadinya flooding (lajualiran gas flooding), sebab akanmenghasilkan terbawanya kondensatoryang tidak diinginkan. Peristiwa floodingdapat pula dijumpai pada reaktor nuklir.Bila inti reaktor menjadi kering sebahagianatau seluruhnya, kemudian diusahakanpembasahan dari atas. Air yang mengalirkebawah masuk kedalam inti akan dilawan


KE-22

oleh uap hasil pendidihan (flasing) yangmengalir keatas, sehingga mengakibatkangagalnya pendinginan. Hal ini disebutsebagai LOCA (Lost of Cooling Accident).Dengan memprediksi awal terjadinyaflooding dan memberikan pertimbanganyang tepat, kerugian pendinginan tersebutdapat dihindari.

2.3. Sistem Likuid - GasDalam sistem aliran dua fase yang

terdiri dari fase likuid-gas masalah yangperlu diketahui adalah konfigurasi aliran,penurunan tekanan (pressure drop) danfraksi dari volume saluran yangditempati oleh fase udara atau yang lebihdikenal dengan fraksi hampa (voidfraction).

2.4. Konfigurasi AliranPemisahan air dan uapnya dalam

saluran pipa panas atau dingin dapatdipresentasikan dalam berbagai bentukdimana pengetahuan dan prediksidibutuhkan untuk menghitung penurunantekanan dan koefisien perpindahan kalorantara fluida dua fase dan dinding pipa.

Aliran likuid-gas dapat mengambilberbagi konfigurasi geometris yangdikenal sebagai pola aliran. Parameteryang penting dalam menentukan polaaliran adalah :1. Pegangan permukaan atau injektor,

yang menjaga dinding saluran tetapbasah dan cenderung untuk membuattetes-tetes likuid dan gelembung gaskecil.

2. Gravitasi, yang cenderung mendoronglikuid pada dasar saluran.

2.5. Pola aliranDalam sistem aliran berlawanan arah

(counter-current) dengan pipa vertikal adakondisi batas dimana kecepatan alirankedua fase tidak dapat dinaikkan lagi, bilamelewati kondisi kritisnya maka akanterjadi penggenangan (flooding), tidak adalagi cairan yang turun kebawah dan aliranmenjadi searah ke atas. Pada aliran searah(counter-current) perubahan kecepatan

aliran gas dan cairan tidak berpengaruhterhadap arah aliran.

Pentingnya pengaturan debit aliran ataukecepatan aliran gas dan cairan maksudnyaadalah untuk memperoleh daerah-daerahaliran yang diharapkan untuk masing-masing kondisi. Dengan varibel kecepatanaliran gas dan cairan diperoleh pola aliranseperti aliran gelembung, aliran kantunggas atau sumbat cairan, aliran acak, alirankabut tetes cairan dan aliran cincin.[6]

2.6. Pipa Vertikal

Pola aliran dua fase dalam saluranhorisontal akan berbeda dengan saluranvertikal. Dalam saluran horisontal udaraakan cenderung berada diatas, karenalebih ringan. Pola aliran dalam saluranvertikal dapat ditentukan menjadi 5seperti pada gambar 2.2 [7]

1. Aliran gelembung (buble), dimanagelembung udara mempunyaiukuran uniform.

2. Aliran kantung udara atau sumbatlikuid (plug/slug), dimana gas yangmengalir membentuk gelembungbesar (kadang-kadang gelembungudara kecil terdistribusi di cairan.

3. Aliran acak (churn), dimana terjadigerakan osilasi sehingga cairanmenjadi tidak stabil.

4. Aliran cincin (annular), dimanasebagian fase likuid berlaku sebagaifilm di dinding pipa dan sebagianlagi berupa tetesan yang terdistribusidalam gas yang mengalir padabagian tengah pipa.

5. Aliran cincin kabut tetes likuid(wispy annular), dimana konsentrasitetesan dalam gas bertambah danakhirnya bergabung membentukgumpalan.

Pola aliran yang berlaku pada pipavertikal dengan arah aliran ke atas, dapatdilihat pada gambar 2


KE-22

Gambar 2. Pola aliran pipa vertikal. [7]

2.7. Penentuan konfigurasi aliran pipavertikal

Diagam Hewitt-Robert (gambar 3)merupakan diagram yang paling seringdipakai untuk meramalkan konfigurasialiran. Sistem koordinat yang digunakanadalah sebagai berikut:

Absis : =

(1)

(2)Dengan :

= berat jenis (kg/m)U = kecepatan superficial (m/s)G = fluks massa (kg/ms)X = kualitas uap

Gambar 3 Diagram aliran Hewitt-Robertuntuk pipa vertikal. [7]

2.8. Kecepatan KritisDilihat dari kecepatan aliran

dikategorikan sebagai laminar bila alirantersebut mempunyai bilangan Reynoldskurang dari 2300. Untuk aliran transisiberada pada bilangan Re 2300 dan 4000biasa juga disebut sebagai bilanganReynolds kritis, sedangkan aliranturbulen mempunyai bilangan Reynoldslebih dari 4000. Kecepatan kritis yang

mempunyai arti penting, kecepatandimana semua turbulensi diredam olehkekentalan fluidanya.

Bilangan Reynolds yang takberdimensi, menyatakan perbandinganperbandingan gaya-gaya inersia terhadapgaya-gaya viskositas (kekentalan). Untukpipa bundar dengan aliran penuh,bilangan Reynolds :

(3)

Dengan:= kekentalan kinematik fluida (m2

/det)= diameter pipa (m) ; r0= jari-jari

pipa (m)= kerapatan massa jenis fluida

(kg/m3)= kekentalan absolut (Pa . s)

= kecepatan rata-rata (m/det)

2.9. Penurunan Tekanan (PressureDrop)

Penurunan tekanan adalah perubahantekanan karena aliran dua fase melaluisuatu sistem yang merupakan parameterpenting dalam perancangan, baik untuksistem adiabatik maupun sistem denganperubahan fase seperti ketel dankondensor.

Tidak ada korelasi umum untukpenurunan aliran dua fase yang akurat,hal ini mungkin disebabkan karenakorelasi yang ada digunakan untukmewakili berbagai situasi fisik.Walaupun demikian, untuk menghitungpenurunan tekanan diadakan pendekatanseperti aliran dianggap homogen atauterpisah. Semakin besar fluks massa dankualitas aliran semakin besar pulapenurunan tekanan.

Tabel 1 Perbandingan Air dan Garam yangdi variasikan


KE-22

No

DebitAir

Satuan Garam Satuan

1

100 Liter

5

%2 10

3 15

4 20Dengan menggunakan metode

eksperimental variasi konsentrasi larutangaram dilakukan, untuk mendapatkan datapengaruh terhadap terjadinya flooding.

3. Metode penelitian3.1. Variabel Penelitian

Variabel-variabel yang digunakandalam penelitian ini adalah :

1. Variabel bebas (IndependentVariable)

Variabel bebas adalah variabelyang besarnya ditentukan. Padapenelitian ini variabel bebasnyaadalah Debit udara divariasikandari 3, 5, 7, 9, L/s.Sedangkan untuk debit larutangaram di variasikan yang terterapada tabel 1 perbandingan air dangaram.

2. Variabel terkontrol (ControlledVariable)Variabel terkontrol adalah variabelyang nilainya ditentukan dandikondisikan konstan. Dalampenelitian ini variabel terkontrolnyaadalah larutan garam dan udarasebagai media pengujian, posisipipa acrylic vertikal, diameter pipaacrylic 36 mm, tidak ada heat danmass transfer antar fase, danviscositas larutan garam dan udaratidak mendekati nol.

3. Variabel terikat (DependentVariable)Variabel terikat adalah variabelyang nilainya tergantung darivariabel bebas dan diketahuisetelah penelitiandilakukan.Variabel terikat yangdiamati pada penelitian ini adalah:

a. Pola aliran.b. Kecepatan maksimal fluida saat

terjadi flooding.c. Kecepatan maksimal udara saat

terjadi flooding.

3.2. Instalasi Penelitian

Instalasi penelitian yang digunakanpada penelitian ini terlihat seperti skemapada gambar berikut

Gambar 4. Instalasi Penelitian.3.3. Alat dan Bahan Penelitian3.3.1. Alat

A. KompressorKompressor berfungsi untuk

menyuplai udara bertekanan menuju testsection.B. Pompa air

Pompa air berfungsi untukmenyuplai fluida cair bertekanan menujuseksi uji.C. Water flowmeter dan Air flowmeter

Berfungsi untuk mengukur flowrateudara dan larutan garam yang akan masukkedalam seksi uji.

D. Pengaduk larutan garammenggunakan mixer.

Mixer digunakan sebagai alat bantupengaduk dengan tujuan agar air dangaram dapat tercampur secara merata.E. Flowmeter

Flowmeter berfungsi untukmengukur perubahan gradient tekanan


KE-22

pada seksi uji untuk mendeteksi terjadinyaflooding.F. Handycam / kamera digital

Handycam / kamera digitaldigunakan untuk mendapatkan pola alirandari aliran fluida dua fase.

3.3.2. BahanA. Pipa acrylic

Pipa acrylic berfungsi sebagaikeluarnya campuran dua fase udaradan larutan garam dari test sectionmenuju connecting line, kemudianmenuju separator.

B. Pipa PVCPipa PVC berfungsi sebagai

connecting line pipe.C. Regulator

Regulator berfungsi untuk mengaturtekanan input udara dan air daricompressor dan pompa air, diharapkantekanan udara dan air masing-masingsama.D. Larutan garam

Larutan garam berguna untukmempengaruhi konsentrasi terhadapkarakteristik aliran dua fase air uadra dimana massa jenis larutan garam lebihberat di bandingkan dengan massa jenisair.

3.4. Prosedur pengambilan dataLangkah-langkah pelaksanaan

pengujian :1. Mixing 100 liter air dengan variasi

prosentase garam dari 5,10,15,20%.2. Kompresor dijalankan sampai tekanan

udara dalam tangki 10 bar.3. Pompa dijalankan dan dibiarkan

sampai akumulator air terisi 3/4bagian.

4. Dengan menggunakan katup, debitlarutan garam dapat dipertahankanmulai dari 3, 4, 5, 6,7,9 L/min. dandapat dibaca pada skala flowmeter air.

5. Debit udara dinaikkan setiap satu skalaflowmeter udara dimulai dari skala 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 L/s, atau sampaiterjadi flooding.

6. Amati perubahan gradient tekanandiatas injector untuk mendeteksi awalterjadinya flooding.

7. Dengan menggunakan kamera digitalatau handycame pola aliran dapatdirekam dengan baik dan dilakukandengan cermat untuk mendapatkangambar fenomena flooding.

8. Catat Debit udara saat terjadinyaflooding dan rekam fenomenaalirannya.

4. PembahasanHasil pengujian tentang pengaruh

variasi konsentrasi larutan garam terhadapfenomena flooding pada aliran dua fasecair-udara vertical berlawanan arah,dipergunakan dalam perhitungan data.

4.1. Perhitungan konversi ∆P rata-rata(mmH2O) ke ∆P rata-rata ( )

Untuk ∆P = 2 mmH2O

(4)

4.2. Perhitungan kecepatansuperficial airUntuk debit air 3 liter/menit

1. Volume alir air (Va)

2. Massa alir air (ma)

(5)

3. Fluks massa air (Ga)


KE-22

(6)

4. Kecepatan superficial (Ua)

(7)

4.2. Hubungan Debit Udara TerhadapTekanan pada Berbagai Debit AirGaram

Gambar 5. Hubungan tekanan diferensialterhadap debit udara pada konsentrasi

larutan garam 5%.

Pada gambar 5 terlihat pada setiapvariasi debit air yang diberikan, didapatsuatu tren grafik, jika debit udaradinaikkan maka tekanan differensial akannaik. Kenaikan tekanan differensialcenderung tidak terlalu drastis pada debitudara awal atau dibawah 5 liter/second.Namun pada saat debit udara di naikkandiatas 7 liter/second, terjadi kenaikkantekanan differensial secara drastis.

Fenomena ini terjadi karena pada saat itusudah banyak air dipaksa mengalir keatasoleh pergerakan udara. Fenomena inidikategorikan sebagai fenomena terjadinyaawal flooding.Hubungan kenaikan tekanan differensialseiring debit udara, secara teoritis dapatdijelaskan sebagai berikut. P1 adalahtekanan pada titik sebelah atas pipa,sedangkan P2 adalah tekanan pada titikbawah pipa. Kedua titik ini dihubungkandengan manometer kolom air. Sesuaidengan teori yang telah umum diketahuibahwa kecepatan mempunyai nilai yangberbanding terbalik dengan tekanan.Semakin tinggi tekanan maka semakinkecil kecepatan. Pada pengukuran tekanandifferensial pada penelitian ini, saatdiberikan penambahan debit udara padaseksi uji maka akan merubah tekanandifferensial yang terbaca pada manometer.Penambahan debit alir udara sebandingdengan peningkatan massa alir udara.Sedangkan massa alir udara sebandingdengan kecepatan superficial udara.

(8)Saat kecepatan superficial udara pada titik2 meningkat, maka P2 akan menurun,sehingga P1>P2. Saat terjadi flooding,kecepatan udara adalah cepat bahkan jikadilihat dari pola alirannya maka ada aliranudara yang sampai menempel dindingdalam tabung. Kondisi ini semakinmenurunkan V2. Sebaliknya aliran airkebawah akan terganggu sehinggakecepatannya pun akan menjadi semakinrendah dan akan meningkatkan tekanan P1.

Pada grafik terlihat bahwa pada debitair 3 liter/menit, terjadi peningkatantekanan differensial yang tidak terlaludrastis walaupun debit udara sudahmencapai nilai 40 liter/second. Padapelaksanaan penelitian memang padavariabel ini tidak tampak terjadinya awalflooding.Meninjau tekanan differensial awalflooding, dari gambar 5 terlihat bahwauntuk semua debit air, terkecuali debit air 3


KE-22

liter/menit, awal flooding terjadi padatekanan diferensial diatas 40 N/m2.

Flooding tercepat terjadi pada debit air3 liter/menit dengan debit udara 16liter/second. Flooding terlama terjadi padadebit air 3 liter/menit dengan debit udara40 liter/second.

Grafik 6 Hubungan tekanan diferensialterhadap debit udara pada konsentrasi

larutan garam 10%.

Pada gambar 6 terlihat bahwa trengrafik yang tersaji, menunjukkankemiripan dengan grafik yang tersaji padagambar 5. Perbedan yang tampak adalahbahwa awal flooding (kenaikan drastistekanan differensial) terjadi pada debitudara yang lebih kecil. Flooding tercepatterjadi pada debit air 3 liter/menit dengandebit udara 16 liter/menit. Floodingterlama terjadi pada debit air 9 liter/menitdengan debit udara 24 liter/menit. Tekanandifferensial awal flooding terjadi padakurang lebih 20 N/m2.

Gambar.7. Hubungan tekanan diferensialterhadap debit udara pada konsentrasi

larutan garam 15%.Pada gambar 7 terlihat bahwa tren

grafik yang tersaji, menunjukkankemiripan dengan grafik yang tersaji padagambar 6. Perbedan yang tampak adalahbahwa awal flooding (kenaikan drastistekanan differensial) terjadi pada debitudara yang lebih besar. Flooding tercepatterjadi pada debit air 15 liter/menit dengandebit udara 40 liter/second. Floodingterlama terjadi pada debit air 3 liter/menitdengan debit udara 20 liter/second.Tekanan differensial awal flooding terjadirata-rata diatas 30 N/m2, bahkan ada yanglebih dari 120 N/m2.

Pada gambar 8 dapat dianalisa unjukkerja dari masing-masing persentaselarutan garam menunjukkan fenomenaflooding. Bahwa flooding awal terjadipadad debit air 3 dengan debit udara 16pada persentase 5%.

Bahwa dapat disimpulkan dari keempat variasi persentase larutan garamuntuk massa jenis 5% lebih ringandibandingkan dengan persentase larutangaram 10,15 dan 20 % sehingga terjadinyaflooding awal pada persentase 5%.


KE-22

Grafik 8. Hubungan tekanan diferensialterhadap debit udara pada konsentrasi

larutan garam 20%.Pada grafik 8 terlihat bahwa tren

grafik yang tersaji, menunjukkankemiripan dengan grafik yang tersaji padagambar 4.3. Perbedaan yang tampak adalahbahwa awal flooding (kenaikan drastistekanan differensial) terjadi pada debitudara yang lebih besar. Flooding tercepatterjadi pada debit air 15 liter/menit dengandebit udara 30 liter/second. Floodingterlama terjadi pada debit air 3 liter/menitdengan debit udara 20 liter/second.Tekanan differensial awal flooding terjadirata-rata diatas 30 N/m^2, bahkan ada yanglebih dari 120 N/m2.

4.3. Pola Aliran Terhadap Debit AirGaram

Grafik 9 Hubungan debit air terhadapdebit udara saat awal flooding.

Awal terjadinya fenomena floodingdapat di deteksi dari tampilan polaalirannya. Permulaan flooding ditandaidengan pembentukan dan pergerakangelombang permukaan yang merambat keatas.

Untuk mempermudah mengertibagaimana peristiwa flooding dapat terjadi,berikut disajikan suatu visualisasi imajinertentang bagaimana flooding dapat terjadipada aliran dua fase air udara vertikalberlawanan arah. Bagian berwarna birumewakili aliran air, sedangkan bagianbewarna putih mewakili aliran udara.Perbandingan hasil pola aliran denganpenelitian terdahulu. [5]

(A) (B) (C)(D)

Gambar 10. Visualisasi mekanismeterjadinya flooding.

Pada gambar 10. (A) aliranannular, saat air mengalir pada dindingdalam pipa, dan ada udara bergerak keataspada debit kecil (B) Jika kecepatan udaraterus dinaikkan, maka lapisan film air akantertarik menuju bagian tengah pipa akibatperbedaan beda tekanan. (C) Gaya gesekanoleh udara pada antar muka cair mulaimembalikkan aliran cairan. (D) Aliran airkini telah berbalik, sekarang mengalirseiring aliran udara.

Fenomena flooding terjadi padaaliran dua fase dikarenakan ada bedatekanan yang terjadi dalam pipa uji,sehingga dari aliran yang awalnya smoothmenjadi riak yang naik ke atas mengikutialiran udara. Apabila debit air dinaikkan


KE-22

terus maka akan terjadi fenomena awalflooding (whispy annular), tapi belummembentuk flooding total. Fenomenaflooding total terjadi jika seluruh air yangmengalir dari atas sudah tidak ada yangturun sama sekali pada bagian ujungbawah pipa. Fenomena flooding terjadipada pola aliran acak (churn flow).

Gambar 11 karakteristik aliran flooding

5. KesimpulanDari analisa pengaruh variasikonsentrasi larutan garam terhadapkarakteristik aliran dua fase dapat disimpulkan meliputi :

1. Hasil penelitian menunjukkanbahwa visulisasi grafik terjadinyakecepatan superficial floodingpenuh dari 4 variasi yang dilakukan kecenderungan padapersentase yang lebih kecil yaitu5% dengan kecepatan superficialair tercepat 0,06 (m/s) untukkecepatan superficial udara tercepat5,62 (m/s).

2. Pola aliran sebelum terjadinyaflooding adalah pola aliran atauannular, pada awal terjadinyaflooding adalah aliran cincin kabuttetes cairan (wispy annular flow),sedangkan saat terjadi floodingtotal adalah aliran acak (churnflow).

3. flooding lebih mudah terjadi padalarutan garam yang paling rendahdari semua variasi yang diberikan.

Pada konsentrasi garam 5 %flooding terjadi lebih cepat dengandebit air 3 pada debit udara 16, biladibandingkan dengan konsentrasigaram yang lebih besar.DAFTAR PUSTAKA

[1.] Collier, JG. 1972. Converting Boilingand Condensation. Edisi kedua .Mc.Graw–Hill Book InternationalCompany, NewYork.

[2.] Mahmudin, 2008. Onset of Floodingdan Fenomena Hydraulic Jump LookLike dalam pipa vertikal.

[3.] Priyo.(2010).“EksperimentalKarakterisitik Pressure Drop padaAliran Dua Fase Gas-CairanMelewati Pipa Vertikal”, DINAMIKAJurnal Ilmiah Teknik Mesin., Vol. 1,No. 2.

[4.] Collier,John G. 1993. ConvectiveBoiling and Condentation. ClarendonPress.

[5.] Azamataufiq Prasojo, (2013), dkk,“Pengaruh Variasi Sudut WaterInjector Berbentuk DiffuserTerhadap Fenomena Flooding PadaAliran Dua Fase Cair – UdaraVertikal Berlawanan Arah” JurnalRekayasa Mesin Vol.4, No.3 , hal.182-187

[6.] Hetsroni, Gad, (1982), "Handbook ofMultiphase Systems", McGraw-Hill,New York.

[7.] Koestoer, dkk, (1994), “Aliran DuaFase dan Fluks Kalor Kritis”, PradnyaParamita, Jakarta.

[8.] Angeli P, (2006), “Upward andDownward Inclination Oil-WaterFlow”, International Journal ofMultiphase Flow 32, hal. 413–435

pengaruh konsentrasi garam terhadap …eprints.ulm.ac.id/603/1/ke-22.pdf · jenis fluida dan...

Documents