Karakteristik Aliran dan Perpindahan Kalor Aliran Dua Fasa Gas-Cairan Non-Newtonian pada Microchannel Horizontal

MUHAMMAD FAKHRI A, Prof. Dr. Ir. Deendarlianto, S.T., M.Eng.; Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA., IPM.

2022 | Tesis | MAGISTER TEKNIK MESIN

Pada beberapa tahun terakhir, penelitian aliran dua fasa pada saluran berukuran mikro menjadi semakin marak dilakukan karena aplikasinya yang semakin luas pada dunia industri. Pada penelitian ini, dilakukan studi eksperimental untuk menyelidiki karakteristik aliran dan perpindahan kalor dari aliran dua fasa gas-cairan dengan menggunakan cairan newtonian dan non-newtonian pada microchannel berpenampang persegi berukuran 0,8 mm x 0,8 mm. Air dan larutan Xanthan Gum (XG) dengan konsentrasi 0,1 wt% dan 0,2 wt% digunakan sebagai cairan uji newtonian dan non-newtonian, sedangkan nitrogen digunakan sebagai gas uji. Kecepatan superfisial gas dan cairan divariasikan pada rentang JG = 0,26 - 7,81 m/s dan JL = 0,05 - 1 m/s. High speed camera digunakan untuk mendapatkan data pola aliran, kecepatan slug, panjang slug, dan fraksi hampa, differensial pressure transducer digunakan untuk mendapatkan data gradien pressure drop, serta thermocouple digunakan untuk mendapatkan data temperatur. Hasil penelitian menunjukkan pengaruh dari perbedaan properties reologi fluida uji terhadap karakteristik aliran dan perpindahan kalor yang didapatkan. Pola aliran yang terbentuk pada penelitian ini adalah bubbly, slug, slug-annular, dan churn. Kecepatan slug semakin tinggi seiring dengan peningkatan JG dan JL, serta penurunan konsentrasi XG. Panjang slug dan fraksi hampa semakin tinggi seiring dengan peningkatan JG, serta penurunan JL dan konsentrasi XG. Nilai gradien pressure drop semakin tinggi seiring dengan peningkatan JG, JL, dan konsentrasi XG. Data gradien pressure drop aliran dua fasa pada ketiga jenis fluida uji memiliki kesesuaian yang baik dengan beberapa korelasi terdahulu. Kinerja perpindahan kalor semakin baik seiring dengan peningkatan JG dan JL, serta penurunan konsentrasi XG.

In recent years, research on two-phase flow in micro-sized channel has become increasingly widespread due to its wider application in the industrial world. In this research, an experimental study was conducted to investigate the characteristics of flow and heat transfer of a gas-liquid two-phase flow using Newtonian and non-Newtonian liquids in a microchannel with a square cross-section measuring 0.8 mm x 0.8 mm. Water and Xanthan Gum (XG) solution with concentrations of 0.1 wt% and 0.2 wt% were used as Newtonian and non-Newtonian test fluids, while nitrogen was used as the test gas. The superficial velocities of gas and liquid were varied in the range of JG = 0.26 - 7.81 m/s and JL = 0.05 - 1 m/s. High-speed cameras are used to get data on flow pattern, slug velocity, slug length, and void fraction, differential pressure transducers are used to get pressure drop gradient data, and thermocouples are used to get temperature data. The results showed the effect of differences in the rheological properties of the test fluid on the characteristics of flow and heat transfer obtained. The flow patterns formed in this research are bubbly, slug, slug-annular, and churn. The slug velocity increased with the increase in JG and JL and the decrease in XG concentration. The slug length and the void fraction increased with the increase in JG, and the decrease in JL and XG concentration. The value of the pressure drop gradient increased with the increase in JG, JL, and XG concentration. Two-phase flow pressure-drop gradient data on the three types of test fluids have a good match with some of the previous correlations. The heat transfer performance was better as the JG and JL increased, and the XG concentration decreased.

Kata Kunci : microchannel, aliran dua fasa, fluida non-newtonian, pola aliran, pressure drop, kinerja perpindahan kalor