seminar nasional aplikasi sains dan teknologi 2008 – ist...

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

TEBAL FILM DAN FENOMENA FLOODING DALAM ALIRAN ANNULAR BERLAWANAN ARAH VERTIKAL

Mahmuddin(1), Samsul Kamal(2), Indarto(3), Purnomo(4)

(1) Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin dan Industri Pascasarjana UGM Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Muslim Indonesia Makassar

(2) (3) (4) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri UGM e-mail: [email protected]

ABSTRAK

Penelitian tentang flooding dilakukan pada debit air 0.15gpm, 0.50gpm dengan injeksi udara pada kecepatan 1.037-3.113m/s. Untuk mengetahui terjadinya flooding maka, dilakukan pengukuran gradien tekanan (dp/dx) di atas injektor air dengan menggunakan manometer U. Sedangkan fenomenanya diamati dengan metode visualisasi. Selain itu, indikator flooding dapat diketahui dengan melakukan pengukuran tebal cairan film dengan memasang probe pada jarak 300-3500mm dari injektor air, tegangan antara dua probe tersebut diukur dengan metode konduktimetri. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa saat flooding gradien tekanan naik secara mendadak dan tebal film menipis. Sedangkan fenomena flooding tampak adanya (a) droplet cairan diatas injektor (b) aliran sumbat (pluq flow) bergerak ke atas dan (c) aliran film menjadi tidak stabil. Fenomena lain yang menarik adalah saat flooding aliran sumbat berubah menjadi aliran cincin ke bawah dan aliran film menjadi stabil. Kata kunci: Fenomena flooding danTebal film PENDAHULUAN Latar belakang

Pada instalasi industri fenomena flooding merupakan batas aliran berlawanan arah (Counter-current flow limitation, CCFL). Bila sebagian cairan tepat mengalir ke atas searah dengan aliran gas. Kondisi ini dapat dijadikan faktor yang membatasi operasi suatu kondensor refluks pipa vertikal. Peristiwa flooding dapat juga dijumpai pada reaktor nuklir, bila inti reaktor menjadi kering sebahagian atau keseluruhan, dan kemudian diusahakan pembasahan dari atas. Air yang mengalir ke bawah masuk ke dalam inti, mungkin dilawan aliran uap hasil pendidihan (flashing) mengalir ke atas, sehingga mengakibatkan gagalnya pendinginan (Loos Of Coolant Accidents, LOCAs). Pada kecepatan uap maksimum sebagian dari air kondensasi tadi akan terbawa naik dan akan menghambat aliran air kondesasi mengalir ke bawah. Ini kondisi dimana batas awal terjadinya flooding atau titik kecepatan uap saat flooding. Selain itu flooding dapat mengakibatkan kerusakan dan menurunkan kinerja sistem. Dalam inti reaktor tegak pada PWR, flooding dapat mengakibatkan kegagalan pendinginan yang mengakibatkan temperatur permukaan naik secara tiba-tiba dan bisa mengakibatkan ledakan.

Oleh karena itu, fenomena flooding perlu dikaji lebih lanjut sebagai rujukan dalam mendeteksi kenaikan suhu akibat pemanasan lebih pada komponen instalasi industri. Khusunya prinsip dasar keselamatan PLTN untuk mencegah bahaya atau kecelakaan yang lebih membahayakan. Tujuan penelitian Untuk mengetahui fenomena flooding secara visualisasi dan ketebalan film saat flooding. Tinjauan pustaka

Wallis dkk (1969) telah melakukan kajian tentang fenomena flooding dalam pipa vertikal, dan kemudian dikembangkan oleh para peneliti lainnya. Transisi aliran berlawanan arah ke aliran searah ke atas telah banyak dikemukakan dalam literatur baik secara teoritis maupun eksperimental. Hasil penelitian yang diperoleh adalah menampilkan gambar pola aliran, pengaruh viskositas cairan, tegangan muka serta diameter dan kemiringan pipa terhadap fenomena flooding. Penelitian serupa dilakukan oleh Mouza dkk (2000) di dalam celah yang sempit dengan variasi viskositas cairan dan beropereasi pada bilangan Reynolds cairan yang rendah antara 100 – 400.

Dehaye dkk (1981) menyatakan bahwa flooding dan flow reversal merupakan mekanisme dasar yang terjadi pada reaktor nuklir. Flooding dan flow reversal sampai sekarang belum dapat terdefinisi dengan jelas. Sedangkan Bankoff dan Lee (1986) dan Hewitt (1995) telah melakukan eksperimen di dalam pipa berdiameter besar, nampak bahwa belum ada suatu persamaan yang dapat digunakan untuk memprediksi terjadinya flooding bersifat umum (dalam A.A. Mouza, M.N. Pantzali,



S.V. Paras., 2005), hal ini juga diperkuat oleh S. Friedel dkk (2002), melaporkan bahwa di dalam literatur yang ada penelitian tentang flooding di dalam pipa vertikal masih terus dikembangkan. Drosos dkk (2003) melakukan penelitian untuk mempelajari karakteristik film dan fenomena flooding pada saluran vertikal sempit aliran gas-liquid berlawanan arah. Bentuk penampang saluran yang mereka gunakan adalah persegi empat (10 X 10 mm) dengan kondisi inlet dan outlet halus / smooth, sedangkan fluida yang digunakan adalah udara, air dan air/butanol solution. Kecepatan gas kritis pada permulaan flooding cenderung menurun seiring dengan naiknya debit cairan atau pada ReL (Reynolds number of liquid) antara 150–250.

Wongwises. S dan Naphon. P (2000) telah melakukan penelitian tentang perpindahan panas dan karakteristik aliran di dalam pipa vertikal menunjukkan bahwa dengan laju peningkatan film cairan akan meningkatkan tebal film. Pada laju udara 0 m3/jam dengan peningkatan laju aliran film, tebal film lebih besar bila dibandingkan dengan laju udara yang lebih besar (m=1.94– 3.67m3/jam). Sedangkan pada laju aliaran 1.94m3/jam dan 3.67m3/jam tebal film cenderung sama atau berimpit dengan peningkatan laju aliran film (Gambar 1)

Gambar 1. Tebal cairan film dengan peningkatan laju aliran air Karakteristik tebal film yang mengalir dalam celah yang sempit pada Gambar 2 menunjukkan

bahwa dengan peningkatan kecepatan gas yang mengakibatkan kenaikan tebal film dan mencapai maksimum kemudian turun ketika mencapai flooding, (Drosos dkk, 2005).

Gambar 2. Tebal film rata-rata dengan kecepatan gas berbagai ReL

(a). air dan(b). 2,5% Butanol. Landasan Teori

Aliran film laminar dari Nusselt yang memberikan hubungan antara besarnya laju kondensat yang bergerak ke bawah dengan tebal lapisan kondensat diberikan persamaan.

3/1

)(3

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=GL

LL

DgQ

ρρπμ

δ

dengan, δ = tebal cairan film (m) QL = debit air {m3/s)

µL = viskositas air (kg/m.s) D = diameter dalam pipa (m)

mf (kg/s.m)



ρL.G = massa jenis air dan udara (kg/m3)

Metodologi Penelitian

Foto instalasi peneltian diperlihatkan dalam Gambar 1, dengan cara penelitian sebagai berikut.

1. Kompresor dijalankan sampai tekanan udara dalam tangki 10atm. 2. Pompa dijalankan dan dibiarkan sekitar 10menit 3. Dengan menggunakan katup, debit air dapat dipertahankan 0.15gpm dan dapat dibaca pada

skala flowmeter air. Sedangkan debit udara dinaikkan setiap satu skala flowmeter udara dimulai dari skala 30 sampai terjadi flooding.

4. Amati perubahan gradien tekanan di atas injektor untuk mendeteksi terjadinya flooding 5. Dengan menggunakan kamera digital canon 4.0 megapixels pola aliran dapat direkan dengan

baik dan dilakukan dengan cermat untuk mendapatkan fenomena flooding. 6. Catat kecepatan udara saat terjadinya flooding dan perhatikan fenomena alirannya. 7. Ulangi nomor 1 sampai 6 dengan debit air 0.25gpm. 0.45gpm dan 0.50gpm.

Gambar 3. Foto instalasi penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Pada Gambar 4a, hasil perhitungan gradien tekanan di atas injektor menunjukkan bahwa pada kecepatan udara rendah belum memberikan pengaruh terhadap gradien tekanan karena aliran di atas injektor masih satu fase (fase gas). Tetapi saat flooding besaran ini naik secara mendadak. Kenaikan gradien tekanan ini merupakan indikator terjadinya flooding. Sedangkan Gambar 4b, menunjukkan adanya perbedaan peningkaatan ketebalan film antara hasil pengukuran dengan persamaan (1), karena pada persamaan (1) umumnya digunakan untuk menghitung tebal film pada debit air yang rendah.

1 2 3

3

3 5 4

7

6

1 2

5

3

7

6

9

8

10

4

1. Seperangkat alat konduktimetri dan akuisisi data , 2. Reservoir, 3. Pompa, 4. Injektor udara, 5. Flowmeter udara dan air, 6. ManometerU, 7. Pipa uji , 8. Injektor air, 9. Titik pengukuran gradien tekanan dan 10. Separator udara dan air



Gambar 4. (a). Gradien tekanan di atas injektor air dan (b). Perbandingan ketebalan film hasil pengukuran dengan menggunakan persamaan (1)

Visualisasi aliran diperlihatkan pada Gambar 5 bahwa pada kecepatan udara rendah Jg=2.074m/s aliran film masih tampak stabil (Gbr.4a). Tetapi pada kecepatan udara dinaikkan Jg=2.402m/s terlihat adanya fluktuasi aliran 20-40cm dari injektor udara, hal ini akan menggangu aliran film dengan pergerakan naik turun. Hal ini terjadi karena gaya dorong atau gaya angkat udara belum mampu mengimbangi gaya berat air yang mengalir ke bawah. Kondisi ini semakin jelas bila kecepatan udara dinaikkan sebesar Jg=2.629m/s (Gbr. 5c) ada sumbat kecil yang bergerak ke atas mendekati injektor air. Pola aliran ini akan mengakibatkan aliran film menjadi tidak stabil, gejala seperti ini merupakan fenomena flooding. Jika kecepatan gas mencapai kecepatan flooding (Jg=2.904m/s), maka akan timbul gelombang pada permukaan cairan film yang merupakan hasil interaksi antara cairan dengan aliran udara, yang akhirnya menyebabkan terjadinya flooding (lihat Gbr.5c dan Gbr.5d) dan air melewati injektor air (Gbr.5e). Pada saat bersamaan dan gradien tekanan di atas injektor ini naik secara mendadak (Gbr.4). Selain itu, Fenomena yang menarik adalah saat terjadi flooding aliran sumbat tadi berubah menjadi aliran annular yang tipis mengalir ke bawah dan aliran film tampak stabil seperti gelombang kecil. Arah anak panah dalam Gambar 5 dan Gambar 6, menunjukkan fenomena flooding dengan aliran sumbat bergerak ke atas.

a. Jg=2.074m/s b. Jg=2.420m/s c. Jg=2.629m/s d. Jg-F=2.904m/s e. Air di atas injektor f. Jg=3.112m/s

Gambar 5. Fenomena flooding debit air 0.15gpm

a. Jg=2.213m/s b. Jg=2.282m/s c. air di atas injektor d. 3.112m/s Gambar 6. Fenomena flooding pada debit air 0.50gpm

Flooding


seminar nasional aplikasi sains dan teknologi 2008 – ist...

Documents