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

Transkripsi

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 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

2 LATAR BELAKANG (1) Aplikasi aliran dua fase cair dan padat cair dan gas gas dan padat Mesin hisap pasir Air lift pump Sand blasting

3 LATAR BELAKANG (2) Pressure drop aliran dua fase P (D, L, k, Re) Single Phase Lebih komplek Bubbly flow Stratified flow Slug flow Annular flow P ( U SL, U SG, α, D, L, k, µ L, µ G, ρ L, ρ G, Flow Pattern )

4 (3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase Centrifugal acceleration Cavitation Flow separation Secondary flow Separated flow Secondary flow D R

5 PENELITIAN SEBELUMNYA Yudi Sukmono (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase (Air Udara) Melewati Elbow 90 dari Arah Vertikal Menuju 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 45⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰ Menurun? Pola aliran? Elbow?

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

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 Range lebih lebar 0,05-0,2 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.

10 Hasil CFD

11 Pemodelan CFD Category Selected Model Geometry Diameter 36 mm ID and total length 3.3 m (3D), Grid number Solver Multiphase Model Turbulent Model Inlet Outlet Steady state Mixture Model, Euliran Model k-ε Standard and Realizable Model Superficial velocity for each phase Outflow Residual 10-5

12 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

13 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

14 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 β = 0,2 USL= 0,7 m/s 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= 1,1 m/s

15 Visualisasi pola aliran

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 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

17 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

18 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

19 POLA ALIRAN PADA ELBOW β konstan (0,15) Usl bertambah Pada Usl=0,3 m/s bubbles cenderung menempati outer elbow Tekanan pada outer elbow semakin besar Pada Usl=0,7 m/s bubbles cenderung menempati semua permukaan elbow Kontur tekanan Pada Usl=1,1 m/s bubbles cenderung menempati inner elbow 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 bertambah plug bubbly flow atau slug bubbly flow ditemukan disetiap variasi β

21 POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING Usl=0,3 m/s plug bubbly flow atau slug bubbly flow makin sulit ditemukan dengan bertambahnya Usl Usl=0,5 m/s Pada β=0,11 flow pattern yang diamati pada pipa miring adalah plug bubbly flow atau slug bubbly flow, Usl bertambah Usl=0,7 m/s Usl=0,9 m/s Usl=1,1 m/s Semakin besar Usl semakin sulit berkoalisi

22 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)

23 Perhitungan Global void fraction dengan Pressure gradient method Z α = h/ Z

24 Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25 gradient tekanan hanya diperhitung kan dari bagian yang menunj ukkan evolusi l urus yaitu (zone 2). α = α = h = Z ( h h4 ) / ( Z Z ) (76,8 701, ) /100 = (0,6 0,15) 4 0, 149 h (cm) U SL = 0,3 m/s β = 0,2 66 Zone 1 Zone 2 Zone Z(m) grafik ketinggian air manometer

25 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, ,1 76,3 76,3 76,4 0,017 0,07 74,4 74,6 74,7 74, ,2 75,4 75,6 75,6 75,7 75, ,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, ,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, ,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, ,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, ,9 71,7 72,6 73,4 74, ,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.

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 20 cm/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.

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

29 PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE p = τ x W 2 P G d(1/ ρ) + ρg sin θ + A dx PIPA VERTIKAL frictional gravitational acceleration τ W ρu = f 2 2 Colebrook Correlation 1 f k / D = 2 log( ) Re f Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah PIPA MIRING Dianggap tidak ada elbow

30 PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE P = k s + f πr 2D ρ V 2 avg 2 ELBOW 1 f k / D = 2 log( ) Re f ks= 0,99 Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan

31 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

32 PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE ELBOW Pola aliran? 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 )] ρ g p verical = Z + [ ( h h )] ρ g p elbow = Z + [ p miring = Z + ( h h )] ρ g [

35 PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE PIPA MIRING ELBOW Pvertikal > Pmiring > Pelbow Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar PIPA VERTIKAL

36 PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE Resl konstan β naik Bertambahnya β Menyebabkan densitas turun P turun Pvertikal (kpa) 21,00 20,50 20,00 19,50 19,00 18,50 18,00 17,50 17,00 16,50 PIPA VERTIKAL Re sl = ,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 β Resl naik β konstan Bertambahnya Resl Karena kecepatan naik P naik

37 PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE Penurunan Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal ELBOW Secondary flow P EB = [ Prestirction ] Twophase + [ Pf ] Twophase + [ Ps ] Twophase

38 PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE Penurunan Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal Pengaruh gas core sesudah elbow P miring (kpa) 5,00 4,80 4,60 4,40 4,20 4,00 3,80 3,60 PIPA MIRING Re sl = ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 β

39 KOMPARASI GLOBAL VOID FRACTION EKSPERIMEN PRESSURE DROP EKSPERIMEN HOMOGENEOUS MODEL PRESSURE DROP ANALITIK VISUALISASI EKSPERIMEN PEMODELA N CFD ELBOW ELBOW

40 KOMPARASI PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE Aktual >< ideal Pvertikal (kpa) 21,00 20,50 20,00 19,50 19,00 18,50 18,00 17,50 17,00 16,50 Re sl = Data Eksperimen Data Teori tis 16, Lockhart Martinelli = kurang akurat P elbow (kpa) 1, 60 1, 40 1, 20 1, 00 0, 80 Re sl = Dat a Eksperimen Dat a Teorit is 0, Gas core sesudah elbow Pmiring (kpa) 5,0 0 4,8 0 4,6 0 4,4 0 4,2 0 4,0 0 3,8 0 Re sl = Data Eksperimen Data Teoritis 3,

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

42 KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA Lebih dekat

43 KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA 90 o 60 o 45 o Usl=0,3 β=0,2 Usl=1,1 β=0,2 Bubbles menempati inner elbow Bubbles menempati outer elbow

44 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 30 o 45 o Stratified flow 0 o

45 Terima kasih