(TESIS) STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR UDARA) MELEWATI ELBOW

(1)

(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

(2)

LATAR BELAKANG

(1) Aplikasi aliran dua fase

cair dan gas _{gas dan padat} cair dan padat

Mesin hisap pasir _{Air lift pump}

(3)

LATAR BELAKANG

Bubbly flow Stratified flow Slug flow Annular flow ∆∆∆∆P (D, L, k, Re) ∆∆∆∆P( USL, USG, αααα, D, L, k, µµµµL, µµµµG,ρρρρL, ρρρρG, Flow Pattern) Single Phase

(2) Pressure drop aliran dua fase

(4)

Centrifugal acceleration

Cavitation

Flow separation

Secondary flow

Separated flow Secondary flow R D

(5)

PENELITIAN SEBELUMNYA

Yudi Sukmono (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristi k Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90°°°°dari Arah Vertikal Menuj u Horizontal

Lurus ?

Range 0-25 lt/min Skala 1 lt/min ? Bergelombang ? _{Suply udara ?}

(6)

PENELITIAN SEBELUMNYA

Priyo Heru Adiw ibow o (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua

Fase Melewati Elbow 45_⁰⁰⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45_⁰⁰⁰⁰

Menurun ? Pola aliran ?

(7)

PENELITIAN SEKARANG

Yudi S Priyo H Sekarang + Rotameter +Tangki udara Pola aliran Stratified Pola aliran Slug/Plug Pola aliran ? ∆ P34 Turun Ada pengaruh ? ∆ P34 Naik ∆ P34 ?

(8)

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

(9)

Batasan Masalah

• Fluida : air dan udara.

• Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm.

• Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s. • 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.

Range lebih lebar 0,05-0,2

(10)

(11)

Pemodelan CFD

Category Selected Model

Geometry Diam eter 36 m m ID and total length 3.3 m (3D),

Grid number 361301

Solver Steady state

Multiphase Model Mixture Model, Euliran Model

Turbulent Model k-εStandard and Realizable Model

Inlet Superficial velocity for each phase

Outlet Outflow

(12)

Kontur dan vektor kecepatan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase

u= 0,3 m/s

u= 0,7 m/s

u= 1,1 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

(13)

Kontur tekanan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase

u= 0,3 m/s

u= 0,7 m/s

u= 1,1 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,

(14)

Flow pattern hasil pemodelan CFD aliran dua fase

β = 0,2 USL= 0,3 m/s

β = 0,2 USL= 0,7 m/s

β = 0,2 USL= 1,1 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.

(15)

(16)

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 cross-section 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

(17)

POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL

β β β

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

Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran

(18)

POLA ALIRAN PADA ELBOW

Pada elbow masih terlihat distribusi bubbles seragam, menempati seluruh luasan, tidak ada kecenderungan bubbles mengalir pada sisi

outer elbow

USL= 0,5 m/s

Mulai ditemukan perubahan flow pattern menuju slug bubbly flow, dimana bubbles berkelompok menjadi kelompok kecil dibagian atas lapisan pipa miring 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

Usl konstan

β β β

(19)

POLA ALIRAN PADA ELBOW

β β β

β konstan (0,15) Usl bertambah

Pada Usl=0,3 m/s bubbles cenderung menempati outer elbow Pada Usl=0,7 m/s bubbles cenderung menempati semua permukaan elbow Pada Usl=1,1 m/s bubbles cenderung menempati inner elbow

Tekanan pada outer elbow semakin besar

U=0,3 m/s U=0,7 m/s U=1,1 m/s

(20)

POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING

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,

β b e rt a m b a h

plug bubbly flow atau slug bubbly flow ditemukan disetiapvariasiβ

(21)

Padaβ=0,11flow pattern yang diamati pada pipa miring adalah plug bubbly flow atau slug bubbly flow, U s l b e rta m b a h 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

POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING

plug bubbly flow atau slug bubbly flow makin sulit ditemukan dengan bertambahnya Usl

Semakin besar Usl semakin sulit berkoalisi

(22)

Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring

Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)

Ada kesesuaian pola aliran hasil eksperimen dengan peta transisi pola aliran dua fase yang ditemukan Somchai Wongwises (2005

(23)

Perhitungan Global void fraction dengan Pressure gradient method

α αα

α= ∆∆∆∆h/ ∆∆∆∆Z

(24)

60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 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 0.6 0. 65 0.7 0. 75 0 .8

Zone 1 Zone 2 Zone 3

β = 0 ,2 Z(m) USL = 0,3 m/s h ( c m )

Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25

grafik ketinggian air manomet er

( ) ( 1 3 4) 4 1 3 /100 Z Z h h Z h − − = ∆ ∆ = α 149 , 0 ) 15 , 0 6 , 0 ( 100 / ) 1 , 70 8 , 76 ( = − − = α

gradient t ekanan hanya diperhit ung kan dari bagian yang menunj ukkan evolusi l urus yait u (zone 2).

(25)

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

Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s

Ada perbedaan

Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.

(26)

GLOBAL VOID FRACTION

Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model

kecepatan slip lebih berpotensi terjadi bila β kecil dan ada pada aliran vertikal.

(27)

Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen

y = 1,375x + 0,2

>1 menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.

20 c m/ s menunjukkan bahwa t erdapat sli p tinggi antar a fase liquid dan fase gas.

(28)

Perhitungan pressure drop analitik Pola aliran Parameter input: -Pipa -Air -Udara MATLAB GUI

(29)

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

PIPA VERTIKAL dx ) / 1 ( d G sin g A P x p 2 W ρ + θ ρ + τ = ∂ ∂ − 2 u f 2 W ρ = τ ) f Re 51 . 2 7 . 3 D / k log( 2 f 1 ₌₋ ₊ frictional gravitational acceleration Colebrook Correlation

Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah

PIPA MIRING

(30)

ELBOW PRESSURE DROP

ALIRAN SATU FASE

2 V D 2 R f k P 2 avg s ×ρ      π + = ∆ ) f Re 51 . 2 7 . 3 D / k log( 2 f 1 ₌₋ ₊ ks= 0,99

(31)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE _{PIPA VERTIKAL}

Semakin besar bilangan Reynolds superficial gas (Resg) menyebabkan pressure drop semakin rendah karena densitas campuran (mixture) makin berkurang

Semakin besar bilangan

Reynolds superficial cairan (Resl) menyebabkan pressure drop semakin besar Homogeneous Pressure drop berdasar pola aliran Clustered Dense ∆P = ?

(32)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

ELBOW

Lockhart-Martinelli = perhitungan

pressure drop tanpa mempertimbangkan pola aliran

(33)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

PIPA MIRING

Pressure drop berdasar pola aliran plug/slug bubbly flow

(34)

Perhitungan Pressure drop eksperimen

(

h h

)

g Z p_verical= ∆ + − × × ∆ [ ₁₂ ₁ ₂ ]

ρ

(

h h

)

g Z p_elbow= ∆ + − × × ∆ [ ₂₃ ₂ ₃ ]

ρ

g h h Z p_miring = ∆ + − × × ∆ [ ₃₄ ( ₃ ₄)]

ρ

(35)

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

PIPA VERTIKAL ELBOW PIPA MIRING

Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop

Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar

(36)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00 20,50 21,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

β

∆

P

v e rt ik a l

(k

P

a

)

13 497 22 494 32 492 40 490 49 487 Resl = PIPA VERTIKAL ∆P turun Bertambahnya β Menyebabkan densitas turun Resl konstan βnaik Resl naik βkonstan Bertambahnya Resl Karena kecepatan naik ∆P naik

(37)

ELBOW PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

Penurunan

Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

[

restirction

]

Twophase

[ ]

f Twophase

[ ]

s Twophase

EB P P P

P = ∆ + ∆ + ∆

∆

(38)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE 3,60 3,80 4,00 4,20 4,40 4,60 4,80 5,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

β

134 97 224 94 324 92 404 90 494 87 Res l =

∆

P

m ir in g

(k

P

a

)

PIPA MIRING Penurunan

Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

Pengaruh gas core sesudah elbow

(39)

KOMPARASI

GLOBAL VOID FRACTION

EKSPERIMEN HOMOGENEOUS MODEL

PRESSURE DROP

EKSPERIMEN PRESSURE DROP ANALITIK

VISUALISASI EKSPERIMEN PEMODELA N CFD

(40)

KOMPARASI PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00 20,50 21,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 ∆ Pv e rt ik a l ( k P a ) Resl = 22494

D ata Ek sper imen D ata Teori tis

0, 60 0, 80 1, 00 1, 20 1, 40 1, 60 0 50 100 150 200 250 300 350 400 ∆ Pe lb o w (k P a) D at a Eks perimen D at a Teorit is Resl = 22494 3,6 0 3,8 0 4,0 0 4,2 0 4,4 0 4,6 0 4,8 0 5,0 0 0 50 10 0 15 0 2 00 2 50 3 00 35 0 40 0 ∆ Pm ir in g (k P a) Da ta Eksp er imen Da ta Te or itis Resl = 22494 Aktual >< ideal Lockhart–Martinelli = kurang akurat

Gas core sesudah elbow

(41)

KOMPARASI POLA ALIRAN Eksperimen _CFD Usl = 0,7 Usl = 0,3 Usl = 1,1 Ada kesesuaian antara CFD dengan Eksperimen

(42)

KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

(43)

KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA 90o ₆₀o ₄₅o Usl=0,3 ββββ=0,2 Usl=1,1 ββββ=0,2

Bubbles menempati outer elbow Bubbles menempati inner elbow

(44)

KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA Usl=0,3 ββββ=0,2 0o 30o 45o Plug/slug flow Stratified flow Bubbly/plug flow

Makin besar gangguan menyebabkan makin mudah terjadi koalisi sehingga bubbles berubah menjadi plug/slug/stratified

(45)