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

KE-56

Penentuan Sub-sub Pola Aliran Stratified Air-Udara pada PipaHorisontal Menggunakan Pengukuran Tekanan

Rianto Wibowo1, a *, Akhmad Zidni Hudaya 1,b, Masruki Kabib1,c,Deendarlianto2,d dan Adhika Widyaparaga2,e

1Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muria Kudus

Gondang Manis, Bae, Kudus PO BOX 53, Indonesia2 Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada.

Jl. Grafika No. 2 Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia.a Riantowibowo_umk@yahoo.com, bzidni01@gmail.com, c maskabib@yahoo.com,

ddeendarlianto@ugm.ac.id, eadhika@ugm.ac.id

AbstrakKeakuratan perhitungan rekayasa untuk aliran dua fasa sangat tergantung dari model dankarakteristik spesifik dari peta pola aliran tersebut, sehingga penentuan penentuan pola-pola alirandan sub-sub pola aliran menjadi sangat penting. Pada tataran aplikasi, pengkajian pola aliranstratified menggunakan metode analisis statistik dengan fluktuasi tekanan sangat cocokdiaplikasikan pada industri karena tidak ada persyaratan untuk bahan pipa, khususnya dimanasensor tekanan akan dipasang. Hal ini juga akan menghapus segala keterbatasan pengkajian polaaliran stratified dengan menggunakan metode konduktansi. Tujuan dari studi ini adalahmengklasifikasi sub-sub pola aliran stratified air-udara pada pipa horizontal berdasarkan hasilpengukuran sinyal keluaran sensor tekanan. Metodologi yang digunakan adalah kaji eksperimentalvisualisasi dan pengukuran fluktuasi beda tekanan. Pipa acrylic transparan dengan diameter dalam26 mm dan panjang 10 m digunakan agar sub-sub pola aliran stratified dapat diamati secara visualmenggunakan kamera video kecepatan tinggi. Untuk mengukur fluktuasi beda tekanan dilakukandengan pengukuran tekanan diferensial pada seksi uji dengan posisi tap 180 D dan 210 D. Hasilpenelitian menunjukan visualisasi sub-sub pola aliran stratified yang diamati masih cukup sulitdideteksi jika hanya dengan kehadiran fluktuasi beda tekanan saja.

Kata Kunci : Aliran stratified, pengukuran tekanan, sub-sub pola aliran, visualisasi

Pendahuluan

Salah satu permasalahan yang sangatpenting pada transportasi fluida aliran duafasa di dalam pipa adalah kerugian tekananakibat gesekan. Akan tetapi sebelummengkaitkan dengan kerugian tekanan, padaperencanaan fasilitas aliran dua fasa perlumempertimbangkan pola aliran karena polaaliran tertentu dapat menghasilkan efisiensiproduksi yang lebih tinggi atau pula dapatmembahayakan bagi instalasi yang ada jika

dibanding dengan pola aliran lain. Keakuratanperhitungan rekayasa untuk aliran dua fasasangat tergantung dari model dan karakteristikspesifik dari peta pola aliran tersebut,sehingga penentuan penentuan pola-polaaliran dan sub-sub pola aliran menjadi sangatpenting.

Pola aliran dapat diketahui melaluipengamatan visual langsung menggunakanpipa transparan, fotografi menggunakan sinarX dan atau analisa sinyal menggunakan

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

KE-56

metode konduktansi [1,2] dan metodepegukuran tekanan [3,4]. Pada kenyataannya,tidak ada satupun metode identifikasi yangmemadai dalam semua situasi untukmenentukan pola aliran dua fasa akan tetapikombinasi dari metode-metode tersebut harusdigunakan dalam kondisi yang tepat. Padatataran aplikasi, pengkajian pola aliranstratified menggunakan metode analisisstatistik dengan fluktuasi tekanan sangatcocok diaplikasikan pada industri karena tidakada persyaratan untuk bahan pipa, khususnyadimana sensor tekanan akan dipasang. Hal inijuga akan menghapus segala keterbatasanpengkajian pola aliran stratified denganmenggunakan metode konduktansi.

Tujuan dari studi ini adalahmengklasifikasi sub-sub pola aliran stratifiedair-udara pada pipa horizontal berdasarkanhasil pengukuran sinyal keluaran sensortekanan dikombinasikan dengan metode

pengamatan visual langsung menggunakanpipa transparan.

METODOLOGI PENELITIAN

Metodologi yang digunakan dalampenelitian ini adalah kaji eksperimentalvisualisasi dan pengukuran fluktuasi bedatekanan seperti yang terlihat pada gambar 1.Pipa acrylic transparan dengan diameterdalam 26 mm dan panjang 10 m digunakanagar sub-sub pola aliran stratified dapatdiamati secara visual menggunakan kameravideo kecepatan tinggi. Untuk mengukurfluktuasi beda tekanan dilakukan denganpengukuran tekanan diferensial dengan posisitap 180 D dan 210D. Sinyal dari sensortekanan dikuatkan dengan amplifier,kemudian diubah oleh Analog to DigitalConverter agar dapat dibaca komputermenjadi data sinyal tekanan dalam rangkaianwaktu. Selanjutnya sub-sub pola aliranstratified diklasifikasian berdasarkanpengamatan visual dan data sinyal tekanandalam rangkaian waktu.

Separator

Udara

Air

Panjang Pipa (L)

x

ADC

PersonalComputer

x/D =180

Katup Katup

FlowMeter

FlowMeter

Aliranair-udara

Katupby pass

Tangki Air

Mixer

RegulatorUdara

PT PT

Lighting

High SpeedVideo Camera

x/D =210

Gambar 1. Skema alat penelitian

Hasil dan Pembahasan

Pola aliran stratified secara detail dibagimenjadi subdaerah-subdaerah berdasarkanstruktur antarmuka. Namun, Sebagian besarpeneliti membagi aliran stratified menjadidua subdaerah yaitu stratified smooth dan

stratified wavy. Sedangkan stratified wavydapat dibagi lagi menjadi sub-sub daerahyaitu two dimensional wave, roll wave danatomization.

Sub daerah stratified smooth terjadi padakecepatan superfisial air dan udara yang

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

KE-56

rendah dimana antarmuka antara fasa cairdan gas tampak datar dan tidak adagangguan. Pada gambar 1. memperlihatkancontoh visualisasi dan sinyal beda tekananaliran stratified smooth pada kecepatansuperfisial air, JL = 0,025 m/s dan kecepatansuperfisial udara, JG = 1,88 m/s.

(a)

(b)Gambar 1. Contoh visualisasi dan sinyal beda

tekanan aliran stratified smooth(JL = 0,025 m/s dan JG = 1,88 m/s)

Jika kecepatan gas pada aliran stratifiedsmooth dinaikkan, maka pada antarmukacair dan gas akan terjadi gelombang yangmempunyai amplitudo kecil dan panjanggelombang pendek serta bentuk gelombangyang teratur. Sub-daerah aliran stratified inidisebut two dimensional wave (2D wave).

(a)

(b)Gambar 2. Contoh visualisasi dan sinyal beda

tekanan aliran stratified gelombang 2D(JL = 0,025 m/s dan JG = 3,77 m/s)

Pada gambar 2, memperlihatkan contohvisualisasi dan sinyal beda tekanan aliranstratified gelombang 2D pada kecepatansuperfisial air, JL = 0,025 m/s dan kecepatansuperfisial udara, JG = 3,77 m/s. Pada sub-daerah ini, sinyal beda tekanan tidak tampakmengalami fluktuasi meskipun padavisualisasi tampak antarmuka yangbergelombang teratur. Hal ini menjelaskanbahwa pada sub-daerah ini, gas tidakmengalami proses kompresi dan fluktuasitinggi gelombang yang kecil kurang terukuroleh sensor tekanan.

(a)

(b)

Gambar 3. Contoh visualisasi dan sinyal bedatekanan aliran roll wave

(JL = 0,05 m/s dan JG = 3,77 m/s)

Pada kecepatan gas yang cukup tinggi,pada antarmuka cairan dan gas akan terlihatpanjang gelombang dan amplitudo yangbesar serta bentuk gelombang yang tidakteratur. Pada kondisi ini mulai tampakadanya fluktuasi tekanan yanng cukup besar.

airudara Smooth interface

Base pipe

2D interface, t = 0 s

2D interface, t = 0,017 s

t = 0 s

t = 0,017 s

t = 0,05 s

wave coalescence

wavebreakup

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

KE-56

Sub-daerah ini disebut roll wave danmerupakan inisisasi terbentuknya aliranslug.

Ketika fasa gas mengalami percepatanmaka tekanan gas di atas puncakgelombang akan mengalami penurunanakibat efek Bernoulli sehingga antarmukaakan semakin terangkat ke atas danamplitudo akan semakin besar. Akan tetapi,kenaikan gelombang ini akan dihalangi olehgravitasi. Jika pengaruh dari percepatanlebih besar dari efek gravitasi makaamplitudo semakin besar maka akanmembentuk pola aliran slug. Gambar 3.memperlihatkan contoh visualisasi dansinyal beda tekanan aliran stratified rollwave pada kecepatan superfisial air, JL =0,05 m/s dan kecepatan superfisial udara, JG

= 3,77 m/s. Pada visualisasi terlihat jugabahwa beberapa gelombang yang lebih cepatmenabrak gelombang yang lebih lambat danmenyebabkan gelombang-gelombangtersebut bergabung. Fenomena ini disebutwave coalescence. Sebaliknya gelombangbesar yag pecah menjadi gelombang yanglebih kecil disebut wave break-up.

Gambar 4. Contoh visualisasi dan sinyal bedatekanan sub daerah atomization(JL = 0,075 m/s dan JG = 3,77 m/s)

Gambar 4. memperlihatkan contohvisualisasi dan sinyal beda tekanan sub-daerah atomization pada kecepatansuperfisial air, JL = 0,075 m/s dan kecepatansuperfisial udara, JG = 3,77 m/s.

Pada kecepatan gas yang sangat tinggi,atomisasi terjadi melalui pelepasan waveletdari puncak gelombang karena adanya gayageser aliran gas. Sub-daerah ini disebutatomization.

Gambar 5 menunjukkan perbandinganpola aliran yang diamati dengan peta polaaliran yang sudah ada sebagai bahanreferensi [1,2]. Peta pola aliran yang dipilihsebagai perbandingan adalah peta pola aliranyang umum digunakan.

Gambar 14. Perbandingan Pola aliran yangdiamati dengan Peta Mandhane[1] dan Peta Lin

& Hanratty(2]

Droplet entrainmment

Wavedevelopmententrainmment

t = 0 s

t = 0 s

t = 0 s

t = 0 s

t = 0 s

t = 0 s

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

KE-56

Kesimpulan

1. Pola aliran stratified yang berhasildiamati secara visual dibagi menjadisub-sub daerah yang meliputi stratifiedsmooth, two dimensional wave, Rollwave dan atomization.

2. Visualisasi sub-sub pola aliran stratifiedyang diamati masih cukup sulit dideteksijika hanya menggunakan fluktuasi bedatekanan saja. Hal ni disebabkan karenasinyal beda tekanan tidak langsungmenggambarkan morfologi pola aliran.

Referensi

[1.] Lin, P.Y. and Hanratty, T.J., 1987, Effect ofPipe Diameter on flow patterns for air-water flow in horizontal. Int. J. MultiphaseFlow, Vol. 13, No. 4 ,pp. 549-563.

[2.] Mandhane, J.M., Gregory, G.A., Aziz, K.,1974, A flow pattern map for gas-liquid flowin horizontal and inclined pipes,International Journal of Multiphase Flow 1pp. 537-553.

[3.] Spedding, P. L. and Nguyen, V.T., 1979,Regime Map for Air Water Two-PhaseFlow, Chemical Engineering Science Vol35, pp. 779-793

[4.] Spedding, P. L. and D.R. Spence, 1993,Flow Regimes in Two-Phase Gas-liquidFlow, Int. J. of Multiphase Flow, Vol. 19,No. 2, pp. 217-225