(TESIS)

STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (A IR –UDARA) MELEWATI ELBOW 60 °°°° DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA

DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30 °°°°(Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7)

AGUS DWI KORAWAN2108202001

DOSEN PEMBIMBINGProf. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA

PROGRAM MAGISTERBIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGIJURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA2010

LATAR BELAKANG

(1) Aplikasi aliran dua fase

cair dan gas gas dan padatcair dan padat

Mesin hisap pasir Air lift pump Sand blasting

LATAR BELAKANG

Bubbly flow

Stratified flow

Slug flow

Annular flow

∆∆∆∆P (D, L, k, Re)

∆∆∆∆P ( USL, USG, αααα, D,

L, k, µµµµL, µµµµG, ρρρρ L, ρρρρ G,

Flow Pattern )

Single Phase

(2) Pressure drop aliran dua fase

Lebih komplek

Centrifugal accelerationCavitationFlow separationSecondary flow

Separated flowSecondary flow

RD

(3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase

PENELITIAN SEBELUMNYA

Yudi Sukmono (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakterist ik Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90 °°°° dari Arah Vertikal Menuju Horizontal

Lurus ?

Range 0-25 lt/minSkala 1 lt/min ?

Bergelombang ? Suply udara ?

PENELITIAN SEBELUMNYA

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

Fase Melewati Elbow 45 ⁰⁰⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰⁰⁰⁰

Menurun ? Pola aliran ?

Elbow?

PENELITIAN SEKARANG

Yudi S

Priyo H

Sekarang + Rotameter

+Tangki udara

Pola aliranStratified

Pola aliran Slug/Plug

Pola aliran

?

∆ P34 Turun

Ada pengaruh ?

∆ P34 Naik

∆ P34 ?

Experiment Setup

Keterangan :1. Tangki air2. Pompa3. Katup bypass4. Accumulator5. Doppler flow meter6. Annular air injector7. Pressure gauge8. Termometer digital9. Rotameter10. Moist separator11. Tangki udara12. Kompresor13. Kamera digital14. Photo editing15. 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.

• 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

Hasil CFD

Pemodelan CFD

Category Selected Model

Geometry Diameter 36 mm ID and totallength 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 kecepatanHasil Pemodelan CFD aliran satufase

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

Kontur tekanan Hasil PemodelanCFD 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,

Flow pattern hasil pemodelanCFD 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 gassemakin 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.

Visualisasi pola aliran

POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.

Clustered bubbly flowBubbles yang terbentukberkelompok dalammedia liquid tanpadistribusi yang seragamsepanjang radial cross-section pada pipa.

Homogeneous bubbly flow Bubbles terdistribusikanseragam (homogeneously)sepanjang radial cross-sectionpada pipa untuk semuaketinggian

Dense bubbly flowSeluruh daerahlintasan pipadipenuhi olehgelembung udara

Selengkapnya ada pada lampiran E

POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL

β β β β konstan Usl bertambah

Usl=0,3 m/s Usl=0,7 m/sUsl=0,5 m/s Usl=0,9 m/s Usl=1,1 m/s

Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran

Homogeneous bubbly flow

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 β bertambah

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

Kontur tekanan

POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING

Pada kecepatansuperficial cairan USL =0,5 m/s, secara umumflow pattern yangdiamati pada pipa miringadalah plug bubbly flowatau slug bubbly flow,

β bertambah

plug bubbly flowatau slug bubblyflow ditemukandisetiap variasi β

Pada β=0,11 flow patternyang diamati pada pipamiring adalah plugbubbly flow atau slugbubbly flow,

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

POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING

plug bubbly flowatau slug bubblyflow makin sulitditemukan denganbertambahnya Usl

Semakin besar Usl semakin sulit berkoalisi

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

Perhitungan Global void fractiondengan Pressure gradient method

αααα = ∆∆∆∆h/ ∆∆∆∆Z

∆∆∆∆Z

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

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 0 .8

Zone 1 Zone 2 Zone 3

β = 0 ,2

Z(m)

USL = 0,3 m/s

h (

cm

)

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

grafik ketinggian air manometer

( )( )413

413 100/

ZZ

hh

Z

h

−−

=∆∆

=α

149,0)15,06,0(100/)1,708,76( =

−−=α

gradient tekanan hanyadiperhitung kan dari bagian yangmenunj ukkan evolusi l urus yaitu(zone 2).

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.

Terjadi slip

GLOBAL VOID FRACTION

Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model

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

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 cm/s menunjukkan bahwa terdapat sli p tinggi antar afase liquid dan fase gas.

Perhitungan pressure drop analitik

Pola aliran

Parameter input:-Pipa-Air-Udara

MATLAB GUI

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

PIPA VERTIKALdx

)/1(dGsing

A

P

x

p 2

W

ρ+θρ+τ=∂∂−

2

uf

2

W

ρ=τ

)fRe

51.2

7.3

D/klog(2

f

1 +−=

frictionalgravitational

acceleration

Colebrook Correlation

Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah

PIPA MIRING

Dianggap tidak ada elbow

ELBOW

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

2

V

D2

RfkP

2avg

s ρ×

π+=∆

)fRe

51.2

7.3

D/klog(2

f

1 +−=

ks= 0,99

Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan

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 = ?

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

ELBOW

Lockhart-Martinelli = perhitungan pressure drop tanpa mempertimbangkan pola aliran

Pola aliran ?

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

PIPA MIRING

Pressure drop berdasar pola aliran plug/slug bubbly flow

Perhitungan Pressure drop eksperimen

( ) ghhZpverical ××−+∆=∆ ρ][ 2112

( ) ghhZpelbow ××−+∆=∆ ρ][ 3232

ghhZpmiring ××−+∆=∆ ρ)]([ 4334

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

PIPA VERTIKAL

ELBOW

PIPA MIRING

Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop

Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar

∆Pvertikal > ∆Pmiring > ∆Pelbow

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

vert

ikal

(kP

a)

13497

2249432492

4049049487

Resl =

PIPA VERTIKAL

∆P turun

Bertambahnya βMenyebabkandensitas turun

Resl konstanβ naik

Resl naikβ konstan

Bertambahnya Resl Karena

kecepatan naik∆P naik

ELBOW

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

PenurunanPressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

[ ] [ ] [ ] phaseTwosphaseTwofphaseTwonrestirctioEB PPPP ∆+∆+∆=∆

Secondary flow

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

irin

g (k

Pa)

PIPA MIRING

PenurunanPressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

Pengaruh gas core sesudah elbow

KOMPARASI

GLOBAL VOID FRACTION EKSPERIMEN HOMOGENEOUS MODEL

PRESSURE DROP EKSPERIMEN PRESSURE DROP ANALITIK

VISUALISASI EKSPERIMEN PEMODELA N CFD

ELBOW ELBOW

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

∆P

vert

ikal

(kP

a) Resl = 22494

Data Ek sperimen

Data Teori tis

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0 50 100 150 200 250 300 350 400

∆P e

lbow

(kPa

)

Data Eksperimen

Data 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

∆P

mir

ing (k

Pa)

Data Eksper imen

Data Teor itis

Re sl = 22494

Aktual >< ideal

Lockhart–Martinelli = kurang akurat

Gas core sesudah elbow

KOMPARASI POLA ALIRAN CFDEksperimen

Usl = 0,7

Usl = 0,3

Usl = 1,1

Ada kesesuaian antara CFD dengan Eksperimen

KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

Lebih dekat

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

KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENEL ITIAN 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

Terima kasih