New STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA … · 2017. 8. 25. · dan fraksi hampa...

STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA

PADA ALIRAN KEATAS PIPA PERSEGI DALAM KEADAAN

MIRING

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ

NIM. I0412034

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

iv

PERSEMBAHAN

Dengan segala puja dan puji syukur kepada Allah SWT dan atas dukungan

serta doa dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat dirampungkan dengan

baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu dengan rasa bangga dan bahagia saya

haturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada :

1. Allah SWT, karena hanya atas izin dan karunia-Nya maka skripsi ini dapat

selesai dengan baik.

2. Bapak, Ibu dan adik serta keluarga besar tercinta yang telah memberikan doa

yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah lantunan

doa.

3. Bapak dan Ibu dosen pembimbing, penguji dan pengajar yang selama ini tulus

dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan saya,

memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya agar saya

menjadi lebih baik.

4. Sahabat, teman dan mahasiswa Program Studi Teknik Mesin UNS khususnya

angkatan 2012, tanpa semangat dukungan dan bantuan kalian semua tak kan

mungkin saya sampai disini, terima kasih untuk canda tawa, tangis dan

perjuangan yang kita lewati bersama dan terima kasih untuk kenangan manis

yang telah mengukir selama ini.

5. Terima kasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua, orang-orang yang

saya sayangi, dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk

kemajuan ilmu pengetahuan di masa yang akan datang.

v

MOTTO

“Tak perlu memikirkan seperti apa nanti hasilnya, seperti apa nanti akhirnya,

yang perlu kau pikirkan hanya bagaimana caramu melakukan yang terbaik”

“The more difficult it is to reach your destination,

the more you will remember and appreciate your journey”

“Sepiro gedhening sengsoro yen tinompo amung dadi cobo”

“Sopo tekun bakal ketekan,

Sopo temen bakal tinemu”

“Pinter ora ngguroni,

Banter ora nglancangi,

Landhep ora natoni”

“Sifat manusia yang berlimu tinggi adalah merendahkan hati kepada manusia

dan takut kepada Tuhan”

vi

ABSTRAK

STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA

ALIRAN KEATAS PIPA PERSEGI DALAM KEADAAN MIRING

MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

Surakarta

E-mail : mahfud123@outlook.co.id

Aliran dua fase merupakan fenomena yang banyak dijumpai pada proses-

proses industri seperti pada sistem perpipaan, penukar kalor, geothermal, reaktor

nuklir dan lain sebagainya. Tujuan utama penelitian ini adalah untuk meneliti

pengaruh kemiringan terhadap aliran dua fase gas-cair. Untuk itu penelitian ini

dilakukan dengan mengamati pola aliran, peta pola aliran, kecepatan gelembung

dan fraksi hampa pada aliran dua fase air-udara pada pipa persegi miring dengan

diameter hidrolik 5 mm. Pola aliran elongated bubble flow, bubble flow, slug flow

dan annular flow terbentuk pada rentang kecepatan superfisial udara 0,07 – 7,73

m/s dan kecepatan superfisial air 0,21 – 3,11 m/s. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa pada saluran mendekati vertikal, pola aliran elongated bubble flow jarang

terlihat. Sementara pada saluran mendekati horisontal, pola aliran bubble flow

jarang terlihat. Di sisi lain, kemiringan tidak terlalu mempengaruhi fraksi hampa.

Kata kunci : aliran dua fase, mini, miring, persegi

vii

ABSTRACT

VISUALISATION STUDY OF AIR-WATER TWO-PHASE FLOW

PATTERN IN UPWARD INCLINED SQUARE CHANNEL

MIFTAHUL YOSQI MAHFUDZ

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

Sebelas Maret University Surakarta

E-mail : mahfud123@outlook.co.id

Two-phase flow is a phenomenon commonly encountered in process

industries such as in piping systems, heat exchanger, geothermal, nuclear reactors

and etc. The main objective of this study is to investigate the effect of inclination

on gas-liquid two-phase flow. To accomplish this objective, experiment was

investigate the flow pattern, flow pattern map, bubble velocity and void fraction on

air-water two-phase flow on inclined square channel by 5 mm hydraulic diameter.

Elongated bubble flow, bubble flow, slug flow and annular flow were observed on

the range of gas and liquid superficial velocities by 0.07 – 7.73 m/s and 0.21 – 3.11

m/s. The experimental results showed that on the channel approaching to the

vertical, elongated bubble flow is rarely observed. While the channel approaching

to the horizontal, bubble flow is rarely observed. On the other hand, the inclination

is not too affect on the void fraction.

Keyword : two-phase flow, minichannel, inclined pipe, square channel

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan Skripsi “Studi Visualisasi Pola Aliran Dua Fase Air-Udara pada

Aliran Keatas Pipa Persegi dalam Keadaan Miring” ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Sebelas Maret Surakarta.

Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang

sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan

skripsi ini,

6. Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T., selaku Pembimbing I atas bimbingannya

hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

7. Bapak Dominicus Danardono, S.T., M.T., Ph.D., selaku Pembimbing II atas

bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

8. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T., Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T.,

dan Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T., selaku dosen penguji Tugas Akhir

penulis yang telah memberi saran yang membangun.

9. Bapak Prof. Dr. Dwi Aris H., S.T., M.T., selaku Pembimbing Akademis yang

telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di

Universitas Sebelas Maret Surakarta ini.

10. Bapak Nurul Muhayat S.T., M.T., selaku koordinator Tugas Akhir.

11. Seluruh Dosen serta Staf di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah turut mendidik dan

membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

12. Bapak, Ibu dan seluruh keluarga yang telah memberikan doa restu, motivasi

dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

13. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2012 beserta kakak dan adik tingkat di

Teknik Mesin UNS.

ix

14. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun

laporan Tugas Akhir ini yag tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari kata

sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan Skripsi

ini.

Akhir kata, penulis berharap, semoga Skripsi ini dapat berguna dan

bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Surakarta, Mei 2017

Penulis,

x

DAFTAR ISI

Halaman Judul

Surat Tugas

Halaman Pengesahan

Persembahan

Motto

Abstrak ................................................................................................................... vi

Kata Pengantar ..................................................................................................... viii

Daftar Isi................................................................................................................... x

Daftar Tabel .......................................................................................................... xii

Daftar Gambar ...................................................................................................... xiii

Daftar Notasi .......................................................................................................... xv

Daftar Lampiran ................................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1

1.2 Perumusan Masalah............................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ............................................................. 2

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................ 3

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................................... 4

2.2 Dasar Teori .......................................................................................... 12

2.2.1 Pola aliran dua fase .................................................................. 12

2.2.2 Peta pola aliran dua fase .......................................................... 14

2.2.3 Parameter aliran dua fase ........................................................ 15

2.2.4 Identifikasi pola aliran ............................................................. 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian ................................................................................ 18

3.2 Alat dan Bahan Penelitian ................................................................... 18

3.2.1 Skema rangkaian alat penelitian .............................................. 18

3.2.2 Alat penelitian ......................................................................... 19

3.2.3 Bahan penelitian ...................................................................... 23

3.3 Prosedur Penelitian .............................................................................. 23

3.3.1 Parameter dalam penelitian ..................................................... 23

3.3.2 Tahap persiapan....................................................................... 24

3.3.3 Tahap pengambilan data.......................................................... 24

3.3.4 Tahap pengolahan data ............................................................ 25

3.3.5 Tahap analisis data .................................................................. 25

3.4 Diagram Alir ....................................................................................... 26

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1 Validasi peta pola aliran ...................................................................... 28

4.2 Pola Aliran........................................................................................... 29

4.3 Peta pola aliran .................................................................................... 31

4.3.1 Perbandingan dengan peta Barnea dkk. (1985) ....................... 31

4.3.2 Perbandingan dengan peta Oddie dkk. (2003) ........................ 35

4.3.3 Peta pola aliran baru ................................................................ 35

xi

4.4 Pengamatan Transisi Pola Aliran ........................................................ 39

4.4.1 Elongated bubble – bubble ...................................................... 39

4.4.2 Elongated bubble – slug .......................................................... 39

4.4.3 Slug – bubble ........................................................................... 40

4.4.4 Slug – annular ......................................................................... 41

4.5 Parameter Aliran Dua Fase ................................................................. 42

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan.......................................................................................... 48

5.2 Saran .................................................................................................... 48

Daftar Pustaka ........................................................................................................ 49

Lampiran ................................................................................................................ 51

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pembagian jenis saluran aliran dua fase ................................................ 10

Tabel 2.2 Penelitian tentang aliran dua fase........................................................... 11

Tabel 4.1 Kecepatan superfisial ............................................................................. 42

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 20°, 50° dan 70° ....... 5

Gambar 2.2 Penelitian Zhao dkk. (2004) ................................................................. 6

Gambar 2.3 Peta pola aliran dua fase Ide H. dkk (2007) ......................................... 7

Gambar 2.4 Peta pola aliran Coleman dan Garimella (1999) .................................. 8

Gambar 2.5 Sketsa perbedaan pola aliran plug flow dan slug flow .......................... 9

Gambar 2.6 Pola aliran pada saluran miring (Oddie, 2003) .................................. 14

Gambar 2.7 Peta pola aliran horisontal oleh Mandhane dkk. (1974) ..................... 15

Gambar 2.8 Peta pola aliran vertikal keatas oleh Taitel dkk. (1980) ..................... 15

Gambar 3.1 Skema rangkaian alat penelitian ......................................................... 18

Gambar 3.2 Kompresor .......................................................................................... 19

Gambar 3.3 Flowmeter udara ................................................................................. 19

Gambar 3.4 Mixer .................................................................................................. 20

Gambar 3.5 Tangki................................................................................................. 20

Gambar 3.6 Pompa air............................................................................................ 21

Gambar 3.7 Flowmeter air ..................................................................................... 21

Gambar 3.8 Seksi uji .............................................................................................. 22

Gambar 3.9 Lampu LED ........................................................................................ 22

Gambar 3.10 Kamera ............................................................................................. 23

Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ..................................................................... 26

Gambar 4.1 Validasi peta pola aliran penelitian .................................................... 28

Gambar 4.2 Pola aliran pada kemiringan saluran 20° ............................................ 30

Gambar 4.3 Pola aliran pada kemiringan saluran 50° ............................................ 30

Gambar 4.4 Pola aliran pada kemiringan 70° ........................................................ 31

Gambar 4.5 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk.

(1985) pada sudut 20° ....................................................................... 32

Gambar 4.6 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk.

(1985) pada sudut 50° ....................................................................... 33

Gambar 4.7 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Barnea dkk.

(1985) pada sudut 70° ....................................................................... 33

Gambar 4.8 Perbedaan hasil pola aliran pada sudut 70° ........................................ 34

Gambar 4.9 Pemetaan pola aliran penelitian terhadap peta pola aliran Oddie dkk.

(2003) pada sudut 20° ....................................................................... 35

Gambar 4.10 Peta pola aliran sudut 20° hasil penelitian ....................................... 36

Gambar 4.11 Peta pola aliran sudut 50° hasil penelitian ....................................... 37

Gambar 4.12 Peta pola aliran sudut 70° hasil penelitian ....................................... 37

Gambar 4.13 Pengaruh kemiringan pada peta pola aliran ..................................... 38

Gambar 4.14 Pola aliran transisi elongated bubble – bubble pada Jg = 0,13 m/s

dengan sudut kemiringan 20° ........................................................... 39

Gambar 4.15 Pola aliran transisi elongated bubble – slug pada Jl = 0,35 m/s dengan

sudut kemiringan 20° ........................................................................ 40

Gambar 4.16 Pola aliran transisi slug – bubble pada Jg = 1,63 m/s dengan sudut

kemiringan 20° .................................................................................. 41

Gambar 4.17 Pola aliran transisi slug – annular pada Jl = 0,35 m/s dengan sudut

kemiringan 20° .................................................................................. 41

Gambar 4.18 Tampilan software Phantom 630...................................................... 43

xiv

Gambar 4.19 Hubungan kecepatan aktual udara terhadap kecepatan superfisial .. 43

Gambar 4.20 Hubungan fraksi hampa terhadap fraksi volume.............................. 44

Gambar 4.21 Pengaruh sudut kemiringan terhadap fraksi hampa ......................... 45

Gambar 4.22 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Armand (1946) .... 46

Gambar 4.23 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Sowinski dkk. (2009)

.......................................................................................................... 47

xv

DAFTAR NOTASI

𝐴 = luas penampang saluran (m2)

𝐴𝑔 = luas penampang yang ditempati udara (m2)

𝐶0 = parameter distribusi

𝑑ℎ = diameter hidrolik (m)

𝑔 = percepatan gravitasi (9,81 m/s2)

𝐽 = kecepatan superfisial total (m/s)

𝐽𝑔 = kecepatan superfisial udara (m/s)

𝐽𝑙 = kecepatan superfisial air (m/s)

𝑢𝑔 = kecepatan aktual udara (m/s)

𝑢𝑙 = kecepatan aktual air (m/s)

𝑣𝑔𝑗 = kecepatan drift flux (m/s)

𝛼 = fraksi hampa

𝛼ℎ = fraksi hampa metode homogen

𝛽 = fraksi volumetrik

𝜎𝑙 = tegangan permukaan air (0,072 N/m)

𝜇𝑔 = viskositas udara (1,789 10-5 kg/ms)

𝜇𝑙 = viskositas air (95 10-5 kg/ms)

𝜌𝑔 = densitas udara (1,225 kg/m3)

𝜌𝑙 = densitas air (997 kg/m3)

𝜒 = kualitas massa campuran

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Matriks variasi debit aliran penelitian

Lampiran 2. Pola aliran penelitian pada sudut 20°

Lampiran 3. Pola aliran penelitian pada sudut 50°

Lampiran 4. Pola aliran penelitian pada sudut 70°

Lampiran 5. Kecepatan aktual udara

Lampiran 6. Fraksi hampa