1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Aliran multi

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Aliran multi-fase adalah aliran simultan beberapa fase yang mungkin gas, cair
atau padat. Aliran dua fase adalah kasus yang paling sederhana dari aliran multifase. Kedua fase yang berbeda bisa menjadi kombinasi dari cair-cair, gas-padat,
padat-cair atau gas-cair yang bergerak bersama dalam sebuah aliran. Selain dilihat
dari wujud fasenya, aliran dua fase juga dibedakan berdasarkan arah aliran dan
posisi saluran. Jika dilihat dari arah aliran, aliran dua fase dapat dibedakan
menjadi dua, yaitu aliran searah (co-current flow) dan aliran berlawanan arah
(counter-current flow). Sedangkan jika dilihat dari posisi saluran, maka aliran dua
fase dapat dibedakan menjadi aliran pada saluran horizontal, aliran pada saluran
vertikal, dan aliran pada saluran miring. Kompleksitas dalam aliran dua fase
terutama disebabkan oleh pencampuran secara turbulen dua fase, sifat
kompresibel alami fase gas dan juga dapat dikaitkan dengan faktor-faktor lain
seperti laju aliran massa masing-masing fase, sifat termo fisik fluida, geometri
saluran, dan posisi saluran.
Peta pola aliran merupakan konfigurasi geometris suatu pola aliran tertentu
terhadap debit air dan debit udara masuk, dan tekanan udara dalam aliran dua fase.
Pola aliran dua fase gas-cair sangat dipengaruhi oleh kecepatan superfisial aliran
dua fase. Kecepatan superfisial merupakan kecepatan dari tiap fase pada aliran
dua fase, yaitu kecepatan superfisial gas (UG) dan kecepatan superfisial cairan
(UL).
Berikut adalah salah satu penelitian yang menggambarkan pola aliran dua
fase cairan-gas searah ke bawah pada pipa vertikal terdiri dari pola aliran bubbles,
slug atau plug, falling film, bubbly falling film, churn, dispersed annular yang
telah dilakukan oleh Oshinowo dan Charles (1974), pola aliran dua fase searah ke
bawah pada saluran vertikal telah diklasifikasikan seperti pada Gambar 1.1.
2
1
2
3
4
5
6
Gambar 1.1 Konfigurasi aliran searah ke bawah; 1.bubbles, 2.slug atau plug,
3.falling film, 4.bubbly falling film, 5.churn, 6.dispersed annular,
(Oshinowo dan Charles, 1974)
Dari keenam pola aliran pada Gambar 1.1, pola aliran annular merupakan pola
aliran yang diamati dalam penelitian ini. Aliran dua fase annular adalah pola
aliran yang paling banyak ditemui dalam sistem perpindahan panas pendidihan
seperti boiler dan heat exchanger dalam banyak pembangkit listrik salah satunya
pembangkit tenaga nuklir. Karakteristik aliran film cairan pada aliran dua fase
annular memainkan peran penting dalam perpindahan panas dan massa.
Fenomena ini berkaitan erat dengan proses transisi menuju dryout film cairan,
yang mana dapat menyebabkan masalah fatal bagi keselamatan instalasi dan
efisiensi operasi. Pengetahuan yang akurat tentang struktur interfasial film cairan
pada aliran annular sedemikian penting untuk desain termal-hidraulika dan
analisis keselamatan.
Penelitian mengenai aliran dua fase gas-cairan pada pipa vertikal banyak
dilakukan oleh para ilmuwan. Namun sebagian besar penelitian mengenai aliran
dua fase pada pipa vertikal membahas tentang aliran searah ke atas, masih jarang
peneliti yang melakukan riset tentang aliran dua fase searah ke bawah.
3
1.2 Rumusan Masalah
Karakteristik aliran dua fase searah ke bawah dipengaruhi oleh berbagai
parameter penting seperti ketebalan lapisan film cairan, interfasial kecepatan dan
frekuensi gelombang, gradien tekanan, bilangan Reynolds, dan geometri saluran
aliran dua fase. Pada penelitian ini akan dilakukan pengamatan mengenai
hubungan parameter tersebut terhadap karakteristik pola annular aliran dua fase.
Dengan perubahan variasi bilangan Reynolds gas dan cairan pada aliran dua fase
air-udara searah ke bawah diharapkan akan mendapatkan karakteristik interfasial
struktur film cairan pada aliran annular. Selain itu, perlu juga dilakukan validasi
secara numerik menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics) terhadap
hasil eksperimen karakteristik pola aliran dua fase annular.
1.3 Asumsi dan Batasan Masalah
Batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Aliran steady state.
2. Kuat arus dan tegangan yang masuk ke dalam pompa dan kompresor
dianggap konstan pada setiap pengukuran sehingga putaran kerja dari
pompa dan kompresor tidak berubah .
3. Permukaan pipa uji yang digunakan dalam penelitian ini bersifat licin.
4. Suhu udara dan air dianggap konstan.
5. Tidak ada perpindahan kalor yang terjadi pada saat pengujian.
6. Viskositas fluida yang mengalir selama pengujian dianggap konstan.
7. Gas yang mengalir pada pipa uji dianggap gas ideal.
4
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik interfasial
pola aliran annular yang terbentuk pada aliran dua fase air-udara searah ke bawah
pipa vertikal dengan diameter pipa 19,1 mm dan panjang pipa 8 m dalam
hubungan bilangan Reynolds gas dan cairan terhadap:
1. Ketebalan film cairan rata-rata.
2. Kecepatan gelombang cairan.
3. Frekuensi gelombang cairan.
4. Gradien tekanan.
5. Validasi ketebalan film rata-rata secara numerik dengan CFD
menggunakan model dua fase Volume of Fluid (VOF).
1.5 Manfaat Penelitian
Diharapkan nantinya penelitian ini dapat melengkapi data-data untuk aliran
dua fase annular searah ke bawah pada pipa vertikal. Selain itu juga manfaat yang
dapat diambil dari penelitian ini adalah sebagai landasan awal bagi pengembangan
penelitian-penelitian selanjutnya tentang aliran dua fase di negeri ini.