Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
Karakteristik Pola Aliran Air-Udara.
Campuran Air Gliserin (G.
-Udara, dan Campuran Akuades Butanol 4%-Udara Pada Pipa Horizontal Berukuran Mini Farid Jayadi*1.
Sudarja2.
Eli Kumolosari3.
Dian Indra Siregar4 Program Studi S2, 2Program Studi S3, 4Program Studi S1 Jurusan Teknik Mesin dan Industri.
Fakultas Teknik.
Universitas Gadjah Mada.
Jl.
Grafika No.
2 Yogyakarta 55281.
Indonesia *1Program Studi Teknik Mesin.
Fakultas Teknik.
Universitas Teuku Umar.
Jl.
Alue Peunyareng.
Gunong Kleng.
Kec.
Meureubo.
Kabupaten Aceh Barat.
Aceh 23681.
Indonesia e-mail: *1faridjayadi@utu.
id, 2sudarja_msn@yahoo.
com, 3eli.
kumolosari@mail.
Abstrak Penelitian Eksperimental pola aliran dua fasa, fasa gas dan cairan pada pipa mini-horizontal ini bertujuan untuk mendapatkan pengaruh perubahan viskositas cairan yang berbeda didalam aliran dua fasa.
Bagian observasi adalah pipa kaca berdiameter 1,6 mm horizontal.
Kecepatan Superfisial gas dan cairan adalah 0,033-4,935 m/s dan 0,025-66,3 m/s.
Fluida kerja cair yang digunakan adalah air, campuran air gliserin (G.
, dan campuran akuades butanol 4% masing-masing tegangan permukaannya sebesar 71 mN/m, 62,5 mN/m, 36,50 mN/m, sedangkan fluida kerja gas adalah udara yang berasal dari kompressor.
Data pola aliran diperoleh dengan menganalisis video gambar yang ditangkap dengan menggunakan kamera berkecepatan tinggi.
Hasil yang didapatkan pada pola aliran yang diamati pada penelitian ini adalah bubbly, plug, slug-annular, annular, dan churn, sedangkan aliran stratified tidak Dalam peta pola aliran, perubahan viskositas cairan mempengaruhi pergeseran garis transisi antara pola aliran, khususnya aliran slug-annular ke annular dan slug-annular dan aliran annular ke churn.
Kata Kunci: aliran dua fasa, mini channel, kecepatan superfisial, pola aliran, peta pola aliran Abstract Experimental research on the flow pattern of two phases, gas and liquid phases in a minihorizontal pipe aims to obtain the effect of changes in the viscosity of different liquids in twophase flow.
The observation section is a glass pipe with a diameter of 1.
6 mm horizontally.
Superficial velocities of gases and liquids are 0.
935 m/s and 0.
3 m/s.
The liquid working fluid used is water, a mixture of water glycerin .
, and a mixture of 4% distilled water butanol, each having a surface tension of 71 mN/m, 62.
5 mN/m, 36.
50 mN/m, while the fluid Working gas is air coming from the compressor.
The flow pattern data is obtained by analyzing the video images captured using a high-speed camera.
The results obtained in the flow patterns observed in this study were bubbly, plug, slug-annular, annular, and churn, while stratified flow did not appear.
In flow pattern maps, changes in fluid viscosity affect the shift of transition lines between flow patterns, in particular slug-annular to annular and slug-annular flows and annular to churn flows.
Keywords: two-phase flow, mini-pipe, superficial velocity, flow pattern.
Flow Pattern Map
PENDAHULUAN
Penerapan aliran dua fase dalam pipa mini sangat luas, seperti di bidang pendinginan modul multi-chip kepadatan tinggi di superkomputer, sinar-X bertenaga tinggi dan perangkat diagnostik lainnya, panas fluks tinggi penukar dalam sistem ruang angkasa, dan sistem Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
pendingin cryogenic di satelit .
Sedangkan Kawahara et al.
menjelaskan bahwa penggunaan saluran-saluran tersebut ada di sirkuit mikroelektronik, aplikasi bioengineering, aerospace dan pipa panas mikro.
Selanjutnya.
Tsaoulidis et al.
menyatakan bahwa itu dapat ditemukan di pembangkit listrik mikro, dan sel bahan bakar.
Parameter aliran dua fasa pada saluran ukuran kecil adalah pola aliran, fraksi hampa, dan gradien tekanan.
Penelitian tentang pola aliran pada saluran ukuran kecil telah dilakukan antara lain oleh Barajas dan Panton .
Triplett et al.
Hasan dkk.
Lee dan Lee .
Saidi et al.
Chung dan Kawaji .
, dan Saisorn & Wongwises .
Gambar 1.
Sekema klasifikasi channel dari .
Gambar 1 dari penelitian Kandiklar .
membagi ukuran saluran menjadi 5 jenis, yaitu:
saluran konvensional, saluran mini, saluran mikro, saluran transisi, dan saluran nano .
olecular Pengaruh viskositas cairan terhadap parameter aliran dua fasa telah dipelajari sebelumnya antara lain oleh Fukano dan Furukawa .
Furukawa dan Fukano .
Mc Neil dan Stuart .
Sowinski dan Dziubinski .
Matsubara dan Naito .
, dan Zhao et al.
Sadatomi dkk.
Fukano dan Furukawa .
melakukan penelitian aliran dua fasa yang menggunakan air dan larutan gliserol (Q = 0,85.
10-6 sampai dengan 8,6.
10-6 m2/.
untuk aliran annular pada pipa vertikal berdiameter dalam 26 mm.
Mereka menyimpulkan bahwa peningkatan viskositas cairan menyebabkan peningkatan faktor gesekan antarmuka pada bilangan Reynolds fasa gas yang sama.
Furukawa dan Fukano .
juga menyatakan bahwa viskositas cairan berpengaruh secara signifikan terhadap struktur lapisan cairan di sekitar gelembung besar dalam aliran slug.
Dalam hal peta pola aliran, peningkatan viskositas cairan cenderung menggeser garis transisi aliran buih ke buih-annular menuju kecepatan superfisial gas yang lebih besar.
Mc Neil dan Stuart .
memperkuat pernyataan Fukano dan Furukawa .
Mereka juga menyatakan bahwa faktor gesekan antarmuka dalam cairan viskositas tinggi berbeda secara signifikan dengan cairan viskositas rendah.
Sowinski dan Dziubinski .
melakukan penelitian tentang pengaruh viskositas cairan terhadap fraksi hampa aliran dua fasa pada saluran kecil.
Cairan yang digunakan dalam percobaan adalah air dan larutan sakarosa.
Akibatnya, peningkatan viskositas cairan menyebabkan penurunan fraksi rongga gas, selain itu, peningkatan yang signifikan dari kecepatan aliran fase gas rata-rata.
Matsubara dan Naito .
melakukan penelitian yang menggunakan gas .
dan cairan .
arutan air dan polisakarid.
Mereka menjelaskan bahwa ketika viskositas cairan lebih tinggi dari 100 mPas, berpengaruh signifikan terhadap pola aliran.
Zhao dkk.
menyatakan bahwa ada perbedaan yang signifikan antara karakteristik aliran minyak viskositas tinggi gas dua fase dengan aliran cairan viskositas rendah gas.
Pola aliran mereka dibandingkan dengan peta pola aliran dari Beggs dan Brill .
, dan mereka menyimpulkan bahwa model Beggs dan Brill memberikan prediksi yang dapat diterima ketika viskositas cairan adalah 1000 cP hingga 3500 cP, tetapi menjadi tidak sesuai ketika viskositas cairan adalah 5000 cP menjadi 7500 cP.
Sadatomi dkk.
melakukan penelitian aliran dua fase gas-cair pada pipa horizontal berdiameter dalam 3, 5, dan 9 mm menggunakan empat jenis cairan, yaitu air ledeng, larutan poli-oksi-etilen lauril, larutan nonionik-polimerfluorinat FC4430, dan hidrofluoroeter murni 7200, sedangkan gasnya adalah udara atmosfer.
Mereka melaporkan bahwa sifat cair berpengaruh signifikan terhadap garis transisi pola aliran, terutama transisi dari bubbly ke slug.
Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
Hal ini juga berpengaruh terhadap gaya gesek antar muka dan fraksi void, terutama untuk aliran bubbly dan slug pada JL=2m/s.
Selama ini publikasi mengenai aliran dua fasa pada saluran ukuran kecil relatif sedikit dibandingkan dengan saluran konvensional.
Meskipun demikian, semua penelitian yang dipublikasikan mengenai pengaruh viskositas cairan terhadap karakteristik aliran dilakukan di saluran konvensional, tidak ada yang dilakukan di saluran mini atau mikro.
Oleh karena itu, studi eksperimental tentang pengaruh viskositas cairan terhadap pola aliran gas-cair dua fase di saluran mini sangat penting untuk dilakukan.
METODE PENELITIAN
Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah gas dan cairan.
Fase gas adalah udara kering yang bersumber dari kompresor yang dilengkapi dengan water trap dan pengering.
Sedangkan fluida cairannya adalah air, larutan air gliserin G20, dan larutan akuades butanol 4% yang masing masing memiliki tegangan permukaan (E) sebesar 71 mN/m, 62,5 mN/m dan 36,5 mN/m.
Cairan dialirakan ke bagian uji dengan cara mengalirkan fluida cair ke bejana tekan sebagai pompa pneumatik.
Benda uji berupa pipa kaca berbentuk lingkaran dengan diameter dalam 1,6 mm, dengan panjang 400 mm .
ntuk W) dan 130 mm .
ntuk G20, dan larutan aquades dan butano.
Bagian uji dilengkapi dengan kotak koreksi optik untuk menghilangkan efek kurva permukaan pipa.
Mixer adalah ruang pencampuran dengan dua saluran masuk .
aling tegak luru.
dan satu saluran keluar.
Data pola aliran dikumpulkan menggunakan kamera Nikon J4 dengan kecepatan 1200 Kondisi penelitian adalah adiabatik.
Penelitian dilakukan pada kecepatan superfisial gas (JG) 0,033 Ae 4,935 m/s, dan kecepatan superfisial cairan (JL) = 0,025 Ae 66,3 m/s.
Gambar 3.
Diagram skema peralatan pengujian Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola aliran yang diamati pada penelitian ini adalah bubbly, slug, slug-annular, annular, dan churn.
Aliran terpisah atau bertingkat tidak muncul karena dominasi gaya tegangan permukaan terhadap gaya gravitasi.
Kondisi ini lazim terjadi pada aliran dua fasa pada saluran berukuran kecil, seperti yang juga dilaporkan sebelumnya oleh Triplett, et al.
Chung dan Kawaji .
, dan Saisorn & Wongwises .
Peta pola aliran penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Pada kecepatan superfisial yang rendah dari gas dan cairan, terbentuk aliran .
slug terdiri dari cairan slug dan gas plug .
elembung memanjan.
, yang mengalir secara berselangseling.
Aliran ini sering disebut aliran sumbat karena terjadi pada J G dan JL rendah, dan pada JG sedang dengan JL rendah hingga tinggi.
Diameter steker sama atau sedikit lebih kecil dari diameter saluran.
Panjang sumbat gas tergantung pada JG.
Di sini, semakin tinggi JG, semakin panjang sumbatan gas.
Ketergantungan panjang sumbatan gas pada JG juga dilaporkan oleh Fukano dan Kariyasaki .
), dan Saisorn & Wongwises .
Sejalan dengan mereka.
Triplett et al.
secara eksplisit melaporkan bahwa perubahan parameter .
eningkatkan J G atau menurunkan JL) menyebabkan fraksi rongga yang lebih tinggi dan menyiratkan sumbat udara yang lebih panjang atau slug cair yang lebih pendek.
Aliran .
bubbly Aliran bubbly terjadi pada JG sangat rendah sedang hingga JL tinggi.
Aliran ini ditandai dengan munculnya gelembung-gelembung gas dengan diameter sama atau lebih kecil dari diameter pipa bagian Untuk semua jenis cairan, kenaikan JL pada JG menyebabkan ukuran gelembung menjadi lebih kecil dan/atau lebih renggang.
Hal ini karena kenaikan J L berarti penurunan fraksi hampa yang homogen.
Selain itu, pada JL tinggi tertentu, aliran bubbly disertai dengan gelembung yang tersebar, kecuali pada campuran aquades dan butanol 4%.
Untuk campuran aquades dan butanol 4%, gaya viskos lebih dominan untuk mengatasi gaya inersia dan turbulensi cairan.
Selain itu, gelembung yang diamati juga terlihat lebih halus dan cenderung membulat ditunjukkan pada Aliran .
slug-annular ketika JG dinaikkan .
isalnya menjadi 4,238 m/.
pada JL konstan .
isalnya menjadi 0,033 m/.
, jembatan air yang memisahkan antar busi didorong dan ditembus oleh aliran udara.
Aliran udara membentuk inti gas, sedangkan aliran air pada dinding Keduanya mengalir bersama dalam bentuk cincin cair.
Di beberapa titik, cincin cairan lebih tebal daripada di titik lain dan membentuk leher cairan.
Fraksi kosong dari leher cairan berkurang secara signifikan.
Aliran tersebut kemudian disebut sebagai aliran slug-annular.
Aliran slug-annular merupakan aliran transisi antara plug ke aliran annular.
Aliran churn dicirikan oleh munculnya bentuk aliran yang tidak teratur yang disebabkan oleh gangguan pada sebagian aliran, atau kadang-kadang di sepanjang aliran.
Aliran churn terjadi pada tinggi JG dan JL.
Mishima dan Hibiki .
Triplett dkk.
Zhao dan Bi.
Chen dkk.
, dan Pehlivan et al.
juga mengamati aliran churn sebelumnya.
Pada J G dan JL tinggi, gas dan cairan bercampur dan mengalir bersama secara tidak teratur sebagai aliran turbulen dengan energi kinetik tinggi.
Kondisi ini menyebabkan fraksi rongga aliran churn juga tidak teratur dan berfluktuasi dengan cepat dengan perubahan yang ekstrim.
Dalam aliran annular, gas mengalir melalui pusat pipa sebagai inti gas, sedangkan cairan mengalir di permukaan pipa sebagai film cair.
Film cair yang diamati dalam karya ini bergelombang, mirip dengan yang diperoleh oleh Triplett et al.
Hal ini menunjukkan adanya perbedaan kecepatan antara gas dengan cairan .
Peningkatan viskositas cairan cenderung menurunkan frekuensi.
Hal ini berarti alirannya lebih lancar.
Viskositas yang tinggi menyebabkan kondisi fluktuasi gelombang Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
pada antarmuka.
Peta pola aliran yang dihasilkan kemudian dibandingkan dengan hasil peta pola aliran milik .
,5,20,21,.
untuk mengetahui perubahan garis transisi pola aliran pada pipa dengan diameter yang berbeda-beda.
Berdasarkan Gambar 7 telihat bahwa terdapat perbedaan yang signifikan pada peta pola aliran dengan pola aliran pada pipa konvensional.
Pola Aliran Air Campuran Air Gliserin 20% (G.
Campuran Aquades Butanol 4% Slug Bubbly Slug Annular Annular Chrun Gambar 4.
Pola aliran yang terobservasi Gambar 5 dan 6 menunjukkan bahwa peningkatan viskositas cairan berimplikasi pada pergeseran garis transisi.
Garis transisi bergelembung ke plug bergeser ke sisi kanan dan sedikit ke bawah.
Hal ini berarti bahwa peningkatan viskositas cairan berpengaruh terhadap semakin luasnya daerah aliran bubbly.
Dengan kata lain, untuk viskositas cairan yang lebih tinggi, aliran gelembung lebih mudah terbentuk.
Sebagai gambaran, pada JG=0.
066 m/s dan JL=0.
539 m/s pola aliran yang teramati masih plug untuk air.
Demikian juga pada JL=0.
207 m/s dan JG=0.
m/s, pola alirannya plug untuk air, sedangkan untuk larutan akuades butanol 4% pola alirannya bergelembung, bahkan hingga JG=0,879 m/s pola alirannya masih bergelembung.
Hal ini disebabkan karena untuk aliran dua fasa dengan kekentalan cairan yang lebih tinggi .
aya viskositas cairan yang lebih tingg.
, gelembung gas yang sangat besar di dalam mixer sulit untuk menahan gelembung besar maupun bentuk sumbat, tetapi cenderung untuk membubarkan dan membentuk.
gelembung kecil, dan pola aliran bergelembung diamati.
Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
Gambar 5.
Perbandingan garis transisi pola aliran dengan peta pola aliran .
,21,.
Gambar 6.
Perbandingan garis transisi pola aliran dengan peta pola aliran .
,5,20,21,.
Perubahan viskositas cairan tidak berpengaruh signifikan terhadap transisi batas aliran plug to churn maupun slug ke slug-annular.
Namun, itu memiliki pengaruh yang signifikan terhadap transisi garis transisi aliran slug-annular ke annular.
Garis bergeser ke arah JG yang lebih rendah ketika viskositas cairan meningkat.
Kondisi ini disebabkan oleh aliran fluida dengan viskositas cair yang lebih tinggi serta densitasnya, gaya viskos dan inersia yang lebih tinggi, sehingga leher cairan aliran slug-annular menjadi riak kecil dan alirannya annular, meskipun di J G yang relatif rendah.
Jurnal Mekanova : Mekanikal.
Inovasi dan Teknologi Vol 8 No.
Oktober 2022
P-ISSN : 2477-5029
E-ISSN : 2502-0498
KESIMPULAN
Percobaan dilakukan dalam kondisi adiabatik pada kecepatan superfisial gas dan cairan masingmasing berkisar antara 0,025 - 66,3 m/s dan 0,033 - 4,935 m/s.
Penelitian ini menggunakan tiga pasang fluida kerja, yaitu udara-air air, campuran air gliserin (G.
, dan campuran akuades butanol 4%.
Hasil penelitian dirangkum sebagai berikut:
Pola aliran yang diamati pada keempat fluida kerja adalah aliran bubbly, aliran slug, aliran slug-annular, aliran annular, dan aliran churn.
Sedangkan aliran stratified tidak muncul, karena dominasi gaya tegangan permukaan.
Perubahan viskositas cairan mempengaruhi konfigurasi pola aliran.
Konfigurasi garis transisi pada peta pola aliran memiliki kemiripan yang tinggi, bahkan viskositas cairan pun berubah.
Namun, beberapa garis transisi batas bergeser ketika viskositas cairan diubah.
Dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, ini sesuai dengan penelitian Triplett et al.
dan Chung & Kawaji .
DAFTAR PUSTAKA