STUDI EKSPERIMENTAL MENGENAI KARAKTERISTIK ALIRAN STRATIFIED AIR-UDARA SEARAH PADA PIPA HORIZONTAL BERDIAMETER 16 DAN 26 MM MENGGUNAKAN ANALISIS STATISTIK

YORI MILZAM A, Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA.; Dr. Deendarlianto, S.T., M.Eng.

2018 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Aliran searah air-udara stratified sangat sering dijumpai dan diharapkan terjadi pada sistem perpipaan, seperti natural gas gathering, jaringan sistem perpipaan jarak jauh, dan transmission pipelines, karena karakteristik pola aliran ini menawarkan beberapa kelebihan terkait dengan faktor keamaan kondisi operasi. Pemahaman mengenai karakteristik dari liquid holdup dan gradien tekanan pada pola aliran stratified dianggap salah satu faktor penting dalam biaya capital dan operasional untuk transportasi gas dan liquid pada berbagai macam industri. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh diameter pipa terhadap parameter aliran stratified, yakni liquid holdup, frekuensi, kecepatan, gradien tekanan, dan interfacial shear stress dengan menggunakan analisis statistik. Data yang didapat pada penelitian ini dapat digunakan sebagai database pendukung sebagai dasar pengembangan suatu model dan desain sistem perpipaan. Penelitian dilakukan pada pipa akrilik berdiameter dalam 16 dan 26 mm dengan panjang 9,5 m. Metode yang dapat diaplikasikan untuk mengetahui karakteristik pola aliran stratified adalah constant electric current method (CECM) untuk mengukur liquid holdup dan pressure transducer untuk mengukur gradien tekanan. Daerah pengamatan diletakkan 220 � 260 D dari inlet untuk CECM dan 180 � 210 D untuk pressure transducer agar aliran yang terjadi sudah berkembang penuh. Studi visualisasi menggunakan Phanton Miro M310 high speed video camera juga dilakukan untuk mengetahui fenomena pola aliran yang terjadi (jarak 190 D). Penelitian ini menggunakan peta pola aliran Mandhane dkk. (1974) sebagai referensi, dengan range nilai JL = 0,02 � 0,1 m/s dan JG = 4 � 16 m/s. Studi visualisasi mengelompokkan sub-daerah pola aliran stratified menjadi: stratified smooth, stratified wavy (wavy 2D, wavy 3D + ripple, roll, psuedo-slug), transisi dari stratified roll ke annular, dan annular. Dari data penelitian, dapat diketahui bahwa nilai liquid holdup meningkat pada saat penurunan JG pada JL konstan, peningkatan JL pada JG konstan dan pada pipa berdiameter 26 mm; dimana sebaran data (probability distribution function) liquid holdup paling tegak dan berkumpul secara berurutan adalah stratified smooth, annular, dan stratified wavy. Untuk menggambarkan karakteristik sebaran data liquid holdup, penelitian ini juga menyertakan nilai standar deviasi, kurtosis, dan skewness. Frekuensi dan kecepatan gelombang memiliki tren yang linier dengan peningkatan nilai JG pada JL konstan. Gradien tekanan mengalami peningkatan pada saat terjadi peningkatan JG dan JL dan pada pipa berdiameter 16 mm; dimana PDF gradien tekanan memiliki tren yang sama dengan PDF liquid holdup.

The co-current air-water two-phase stratified flow is desired to occur in the application of pipelines system, such as natural gas gathering, long distance pipelines, and transmission pipelines, because this flow characteristics offers some advantages related to the safety factor of operational condition. The understanding of characteristics of liquid holdup and pressure gradient in stratified flow is considered as one of an important factor in the capital and operation costs for the simultaneous transportation of gas and liquid in various industries. Therefore, the main objective of this study is to examine the effect pipes diameter on the parameter of stratified flow; such as liquid holdup, frequency, velocity of wave, pressure gradient, and interfacial shear stress by using statistical analysis. The data obtained in this study can be used as a database as the basis for the development of a model and the design of piping systems. The study was conducted on acrylic pipes of 16, and 26 mm inner diameter with a length of 9.5 m. The applicable method for characterizing stratified flow patterns are constant current method (CECM) to measure liquid holdup and pressure transducer to measure pressure gradients. The observation area is placed 220 - 260 D from the inlet for CECM and 180 - 210 D for the pressure transducer in order a fully developed flow to occur. The visualization study using Phanton Miro M310 high speed video camera was also performed to know the phenomenon of flow pattern that happened (placed 190 D). This research used Mandhane et al (1974) flow pattern map as reference, the range of water and air superficial velocities: JL = 0.02 to 0.1 m/s, and JG = 4 to 16 m/s. The visualization studies classify sub-regions of stratified flow patterns into: stratified smooth, stratified wavy (wavy 2D, wavy 3D + ripple, roll, psuedo-slug), transition from stratified roll to annular, and annular. From the experiment, it can be seen that the value of liquid holdup increases as JG decrease at constant JL, as JL increase in constant JG, and at 26 mm inner diameter; where the data distribution (PDF) liquid holdup the most upright, and gathered sequentially are stratified smooth, annular, and stratified wavy. To illustrate the characteristics of the liquid holdup data distribution, this study also included standard deviation, kurtosis, and skewness values. Frequency and wave velocity has a linear trend with increasing JG in constant JL. The value of pressure gradient has increased in the event of an increasing in JG and JL, and at 16 mm inner diameter; where the PDF of pressure gradient has the same trend as the PDF of liquid holdup.

Kata Kunci : Stratified flow, visualization study, constant current method, liquid holdup, pressure gradient, statistical analysis