(TESIS)
STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR – UDARA) MELEWATI ELBOW 60°° DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30°° (Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7) AGUS DWI KORAWAN 2108202001
DOSEN PEMBIMBING Prof. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA
PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010
LATAR BELAKANG (1) Aplikasi aliran dua fase
cair dan padat
cair dan gas
gas dan padat
Mesin hisap pasir
Air lift pump
Sand blasting
LATAR BELAKANG (2) Pressure drop aliran dua fase
∆ P (D, L, k, Re)
Single Phase
Lebih komplek
Bubbly flow
Slug flow
∆ P ( USL, USG, α , D, L, k, µ L, µ G, ρ L, ρ G, Flow Pattern )
Stratified flow
Annular flow
(3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase
Centrifugal acceleration Cavitation Flow separation Secondary flow
Separated flow
D
R
Secondary flow
PENELITIAN SEBELUMNYA Yudi Sukmono (2009)
Lurus ? Bergelombang ?
Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90°° dari Arah Vertikal Menuju Horizontal
Range 0-25 lt/min Skala 1 lt/min ? Suply udara ?
PENELITIAN SEBELUMNYA Priyo Heru Adiw ibow o (2009)
Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua Fase Melewati Elbow 45⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰⁰
Menurun ?
Pola aliran ? Elbow?
PENELITIAN SEKARANG
Yudi S
Pola aliran Stratified
∆ P34 Naik
Priyo H
Pola aliran Slug/Plug
∆ P34 Turun
+ Rotameter
Pola aliran
∆ P34 ?
+Tangki udara
?
Sekarang
Ada pengaruh ?
Experiment Setup
Keterangan : 1. Tangki air 2. Pompa 3. Katup bypass 4. Accumulator 5. Doppler flow meter 6. Annular air injector 7. Pressure gauge 8. Termometer digital 9. Rotameter 10. Moist separator 11. Tangki udara 12. Kompresor 13. Kamera digital 14. Photo editing 15. Gas-liquid separator
Penambahan alat
Batasan Masalah • Fluida : air dan udara. • Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm. • Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s.
Range lebih lebar 0,05-0,2
• Volumetric ratio :0,03~0,25 • Tidak ada heat dan mass transfer antar fase. • Bubble akan dipertimbangkan sebagai uniform sphere shape dalam numerical simulation dengan CFD. • Aliran akan diasumsikan sebagai fully developed flow.
Hasil
CFD
Pemodelan CFD Category
Selected Model
Geometry
Diameter 36 mm ID and total length 3.3 m (3D),
Grid number
361301
Solver
Steady state
Multiphase Model
Mixture Model, Euliran Model
Turbulent Model
k-ε Standard and Realizable Model
Inlet
Superficial velocity for each phase
Outlet
Outflow
Residual
10-5
Kontur dan vektor kecepatan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase u= 0,3 m/s pengaruh elbow terlihat pada distribusi kecepatan yang terjadi, dimana kecepatan maksimal sebelum elbow terjadi di tengah pipa, setelah melewati elbow kecepatan terbesar terjadi pada bagian atas pipa miring
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Kontur tekanan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase u= 0,3 m/s
Terjadi perbedaan tekanan pada inner elbow dan outer elbow, dimana dari semua variasi kecepatan liquid terlihat tekanan pada inner elbow lebih kecil dari outer elbow,
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Flow pattern hasil pemodelan CFD aliran dua fase β = 0,2 USL= 0,3 m/s
pada pipa vertikal terjadi campuran dari fase liquid dan gas secara seragam
pada elbow mulai terjadi pemisahan, semakin besar USL, fase gas semakin terdorong menempati bagian inner elbow
Sesudah elbow fase gas mulai naik ke atas permukaan pipa miring dan lapisan gas mulai terbentuk pada jarak yg berbeda-beda sesuai besar USL.
β = 0,2 USL= 0,7 m/s
β = 0,2 USL= 1,1 m/s
Visualisasi pola aliran
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.
Clustered bubbly flow Bubbles yang terbentuk berkelompok dalam media liquid tanpa distribusi yang seragam sepanjang radial crosssection pada pipa.
Homogeneous bubbly flow Bubbles terdistribusikan seragam (homogeneously) sepanjang radial cross-section pada pipa untuk semua ketinggian
Dense bubbly flow Seluruh daerah lintasan pipa dipenuhi oleh gelembung udara
Selengkapnya ada pada lampiran E
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL β konstan
Usl bertam bah
Usl=0,3 m/s Usl=0,5 m/s
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Homogeneous bubbly flow Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran
POLA ALIRAN PADA ELBOW
Usl konstan β bertambah
USL = 0,5 m/s
Pada elbow masih terlihat distribusi bubbles seragam, menempati seluruh luasan, tidak ada kecenderungan bubbles mengalir pada sisi outer elbow
Sesudah elbow mulai terjadi kecenderung an bubbles bergerak ke bagian atas pipa miring dan akhirnya pada jarak tertentu terlihat berkelompok dan stabil sampai keluar dari pipa
Mulai ditemukan perubahan flow pattern menuju slug bubbly flow, dimana bubbles berkelompok menjadi kelompok kecil dibagian atas lapisan pipa miring
POLA ALIRAN PADA ELBOW β konstan (0,15)
Pada Usl=0,3 m/s bubbles cenderung menempati outer elbow
Usl bertambah
Pada Usl=1,1 m/s bubbles cenderung menempati inner elbow
Pada Usl=0,7 m/s bubbles cenderung menempati semua permukaan elbow Kontur tekanan
Tekanan pada outer elbow semakin besar U=0,3 m/s
U=0,7 m/s
U=1,1 m/s
POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING
β bertambah
Pada kecepatan superficial cairan USL = 0,5 m/s, secara umum flow pattern yang diamati pada pipa miring adalah plug bubbly flow atau slug bubbly flow,
plug bubbly flow atau slug bubbly flow ditemukan disetiap variasi β
POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING
Usl=0,3 m/s
Usl=0,5 m/s
Usl bertambah
Pada β=0,11 flow pattern yang diamati pada pipa miring adalah plug bubbly flow atau slug bubbly flow,
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Semakin besar Usl semakin sulit berkoalisi
plug bubbly flow atau slug bubbly flow makin sulit ditemukan dengan bertambahnya Usl
Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring
Ada kesesuaian pola aliran hasil eksperimen dengan peta transisi pola aliran dua fase yang ditemukan Somchai Wongwises (2005
Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)
Perhitungan Global void fraction dengan Pressure gradient method
∆Z α = ∆ h/ ∆ Z
Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25
80
α=
∆h ( h1 3 − h4 ) / 100 = ∆Z (Z 1 3 − Z 4 )
USL = 0,3 m/s
78
β = 0,2
76 74
h (cm)
gradient tekanan hanya diperhitung kan dari bagian yang menunj ukkan evolusi l urus yaitu (zone 2).
72 70 68 66
Zone 1
Zone 3
Zone 2
64
α=
( 76,8 − 70,1) / 100 = 0,149 (0 ,6 − 0,15)
62 60 0
0.0 5 0 .1 0 .1 5 0 .2 0 .25
0. 3 0 .35
0 .4 0 .45
0. 5 0 .55
Z(m)
grafik ketinggian air manometer
0.6
0. 65
0.7
0. 75 0 .8
Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s Tap
v1
v2
v3
v4
v5
v6
v7
v8
v9
v10
v11
v12
v13
v14
v15
v16
Z(m)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
β
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
h9
h10
h11
h12
h13
h14
h15
h16
α
0,03
76,1
76,2
76,2
76,2
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,2
76,3
76,3
76,3
76,9
0,003
0,05
75,1
75,2
75,3
75,4
75,5
75,7
75,8
75,9
75,9
75,9
76
76
76,1
76,3
76,3
76,4
0,017
0,07
74,4
74,6
74,7
74,9
75
75,2
75,4
75,6
75,6
75,7
75,9
76
76,2
76,4
76,4
76,4
0,027
0,09
73,4
73,8
73,9
74,1
74,3
74,6
74,9
75,1
75,4
75,7
75,7
75,9
76
76,4
76,5
76,5
0,051
0,11
72,5
72,8
73,2
73,5
73,8
74,1
74,4
74,8
75,1
75,4
75,7
75,9
76,2
76,4
76,5
76,7
0,056
0,13
71,8
72,2
72,6
73
73,4
73,8
74,1
74,5
74,9
75,2
75,6
75,9
76,2
76,5
76,5
76,6
0,072
0,15
70
70,6
71,1
71,7
72,2
72,7
73,3
73,8
74,1
74,7
75,2
75,7
76,2
76,9
77,4
77,5
0,109
0,2
67,8
68,6
69,2
70,1
70,9
71,6
72,4
73,1
73,9
74,6
75,4
76,1
76,8
77,4
77,5
77,6
0,149
0,25
66,4
67,5
68,1
69,2
70
70,9
71,7
72,6
73,4
74,2
75
75,9
76,7
77,6
77,6
77,6
0,168
Ada perbedaan
Terjadi slip
Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.
GLOBAL VOID FRACTION
Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model
kecepatan slip lebih berpotensi terjadi bila β kecil dan ada pada aliran vertikal.
Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen
y = 1,375x + 0,2 20 c m/s menunjukkan bahwa terdapat sli p tinggi antar a fase liquid dan fase gas.
>1
menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas
mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.
Perhitungan pressure drop analitik
MATLAB GUI Pola aliran Parameter input: -Pipa -Air -Udara
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE −
∂p P G 2 d (1 / ρ) = τ W + ρg sin θ + ∂x A dx
PIPA VERTIKAL
acceleration frictional gravitational
τW = f
ρu 2 2
Colebrook Correlation
1 f
= −2 log(
k / D 2 .51 + ) 3.7 Re f PIPA MIRING
Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah
Dianggap tidak ada elbow
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
Vavg πR ∆P = k s + f ×ρ 2D 2
1 f
= −2 log(
2
ELBOW
k / D 2 .51 + ) 3.7 Re f
ks= 0,99
Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PIPA VERTIKAL
Homogeneous Pressure drop berdasar pola aliran
Clustered
Dense
∆P = ?
Semakin besar bilangan Reynolds superficial cairan (Resl) menyebabkan pressure drop semakin besar
Semakin besar bilangan Reynolds superficial gas (Resg) menyebabkan pressure drop semakin rendah karena densitas campuran (mixture) makin berkurang
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE ELBOW
Pola aliran ?
Lockhart-Martinelli = perhitungan pressure drop tanpa mempertimbangkan pola aliran
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE PIPA MIRING
Pressure drop berdasar pola aliran plug/slug bubbly flow
Perhitungan Pressure drop eksperimen ∆pverical = [ ∆Z 12 + (h1 − h2 )]× ρ × g ∆pelbow = [ ∆Z 2 3 + (h2 − h3 )] × ρ × g ∆pmiring = [∆Z 34 + (h3 − h4 )]× ρ × g
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
PIPA MIRING
ELBOW
∆Pvertikal > ∆Pmiring > ∆Pelbow Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop PIPA VERTIKAL
Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE Resl konstan β naik
20,50
∆P vertikal (kPa)
Bertambahnya β Menyebabkan densitas turun
21,00 13 497
20,00
40 490 49 487
19,50 19,00 18,50 18,00 17,50
PIPA VERTIKAL
17,00
∆P turun
22 494 32 492
Resl =
16,50 16,00 0
0,05
0,1
0,15
0,2
β
Resl naik β konstan
Bertambahnya Resl Karena kecepatan naik
∆P naik
0,25
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Penurunan Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal
ELBOW
Secondary flow
∆PEB = [∆Prestirction ]Two phase + [∆ Pf ] Two phase + [∆Ps ] Two phase
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Pengaruh gas core sesudah elbow
5,00 4,80
∆Pmiring (kPa)
Penurunan Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal
Resl =
4,60
134 97 224 94 324 92 404 90 494 87
4,40 4,20 4,00
PIPA MIRING
3,80 3,60 0
0,05
0,1
0,15
β
0,2
0,25
KOMPARASI GLOBAL VOID FRACTION EKSPERIMEN
PRESSURE DROP EKSPERIMEN VISUALISASI EKSPERIMEN
ELBOW
HOMOGENEOUS MODEL
PRESSURE DROP ANALITIK
PEMODELA N CFD
ELBOW
KOMPARASI PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
∆Pvertikal ( kPa )
Aktual >< ideal
21,00 20,50 20,00 19,50 19,00 18,50
Resl = 22494 D ata Ek sperimen D ata Teori tis
18,00 17,50 17,00 16,50 16,00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
1, 60
Lockhart–Martinelli = kurang akurat
∆Pelbow (kPa)
Resl = 22494 1, 40 D at a Eks perimen
1, 20
D at a Teorit is
1, 00 0, 80 0, 60 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Gas core sesudah elbow
∆P miring (kPa)
5,0 0
Re sl = 22494
4,8 0 4,6 0
Da ta Eksp er imen Da ta Te or itis
4,4 0 4,2 0 4,0 0 3,8 0 3,6 0 0
50
10 0
15 0
2 00
2 50
3 00
35 0
40 0
KOMPARASI POLA ALIRAN
Usl = 0,3
Ada kesesuaian antara CFD dengan Eksperimen
Usl = 0,7
Usl = 1,1
Eksperimen
CFD
KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
Lebih dekat
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
90o
60o
Usl=0,3 β =0,2
Usl=1,1 β =0,2
Bubbles menempati inner elbow Bubbles menempati outer elbow
45o
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
Bubbly/plug flow
Usl=0,3 β =0,2
Plug/slug flow
Makin besar gangguan menyebabkan makin mudah terjadi koalisi sehingga bubbles berubah menjadi plug/slug/stratified
45o 30o
Stratified flow
0o
Terima kasih
