STUDI VISUALISASI POLA ALIRAN DUA FASE AIR-UDARA PADA ALIRAN KEATAS PIPA PERSEGI DALAM KEADAAN MIRING - UNS Institutional Repository

  

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

  

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.

  

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”

  

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 :

  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

  

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 :

  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

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.

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,

  

DAFTAR ISI

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

  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

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

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

  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

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

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

  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 II LANDASAN TEORI

  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

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

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

  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

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

  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

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pembagian jenis saluran aliran dua fase ................................................ 10Tabel 2.2 Penelitian tentang aliran dua fase........................................................... 11Tabel 4.1 Kecepatan superfisial ............................................................................. 42

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta pola aliran Barnea dkk. (1985) pada sudut 20°, 50° dan 70° ....... 5Gambar 2.2 Penelitian Zhao dkk. (2004) ................................................................. 6Gambar 2.3 Peta pola aliran dua fase Ide H. dkk (2007) ......................................... 7Gambar 2.4 Peta pola aliran Coleman dan Garimella (1999) .................................. 8Gambar 2.5 Sketsa perbedaan pola aliran plug flow dan slug flow .......................... 9Gambar 2.6 Pola aliran pada saluran miring (Oddie, 2003) .................................. 14Gambar 2.7 Peta pola aliran horisontal oleh Mandhane dkk. (1974) ..................... 15Gambar 2.8 Peta pola aliran vertikal keatas oleh Taitel dkk. (1980) ..................... 15Gambar 3.1 Skema rangkaian alat penelitian ......................................................... 18Gambar 3.2 Kompresor .......................................................................................... 19Gambar 3.3 Flowmeter udara ................................................................................. 19Gambar 3.4 Mixer .................................................................................................. 20Gambar 3.5 Tangki................................................................................................. 20Gambar 3.6 Pompa air............................................................................................ 21Gambar 3.7 Flowmeter air ..................................................................................... 21Gambar 3.8 Seksi uji .............................................................................................. 22Gambar 3.9 Lampu LED ........................................................................................ 22Gambar 3.10 Kamera ............................................................................................. 23Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ..................................................................... 26Gambar 4.1 Validasi peta pola aliran penelitian .................................................... 28Gambar 4.2 Pola aliran pada kemiringan saluran 20° ............................................ 30Gambar 4.3 Pola aliran pada kemiringan saluran 50° ............................................ 30Gambar 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 ....................................... 36Gambar 4.11 Peta pola aliran sudut 50° hasil penelitian ....................................... 37Gambar 4.12 Peta pola aliran sudut 70° hasil penelitian ....................................... 37Gambar 4.13 Pengaruh kemiringan pada peta pola aliran ..................................... 38

  g

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

• – bubble pada J dengan sudut kemiringan 20° ........................................................... 39

Gambar 4.15 Pola aliran transisi elongated bubble l = 0,35 m/s dengan

• – slug pada J sudut kemiringan 20° ........................................................................ 40

Gambar 4.16 Pola aliran transisi slug g = 1,63 m/s dengan sudut

• – bubble pada J kemiringan 20° .................................................................................. 41

  l

Gambar 4.17 Pola aliran transisi slug – annular pada J = 0,35 m/s dengan sudut kemiringan 20° .................................................................................. 41Gambar 4.18 Tampilan software Phantom 630...................................................... 43Gambar 4.19 Hubungan kecepatan aktual udara terhadap kecepatan superfisial .. 43Gambar 4.20 Hubungan fraksi hampa terhadap fraksi volume.............................. 44Gambar 4.21 Pengaruh sudut kemiringan terhadap fraksi hampa ......................... 45Gambar 4.22 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Armand (1946) .... 46Gambar 4.23 Perbandingan fraksi hampa eksperimen dengan Sowinski dkk. (2009)

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

DAFTAR NOTASI

  2

  = luas penampang saluran (m )

  2

  = luas penampang yang ditempati udara (m ) = parameter distribusi = diameter hidrolik (m)

  ℎ

  2

  = percepatan gravitasi (9,81 m/s ) = kecepatan superfisial total (m/s) = kecepatan superfisial udara (m/s) = kecepatan superfisial air (m/s) = kecepatan aktual udara (m/s) = kecepatan aktual air (m/s) = kecepatan drift flux (m/s) = fraksi hampa = fraksi hampa metode homogen

  ℎ

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

• 5

  = viskositas udara (1,789 10 kg/ms)

• 5

  = viskositas air (95 10 kg/ms)

  3

  = densitas udara (1,225 kg/m )

  3

  = densitas air (997 kg/m ) = kualitas massa campuran