studi eksperimental dan numerik karakteristik...

STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK

ALIRAN DUA FASE AIR – UDARA MELEWATI ELBOW 75°

DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 15°

Thesis

Oleh :

I Kadek Ervan Hadi Wiryanta

NRP. 2108202003

Dosen Pembimbing :

Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA

Program Magister

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi SepuluhNopember

Surabaya

� Aplikasi aliran dua fase air-udara

� Reaktor

� Geothermal

� Industri pertambangan

� Micro chip heat exchangers

� Air-lift pump

Industri pertambangan

Micro chip Heat Exchanger

Air lift pump

Geothermal

PENDAHULUAN

� Klasifikasi pola aliran 2 fase gas-cairan

Pola aliran pd bidang horisontal

Pola aliran pd bidang vertikal

Penelitian terdahulu

�Somchai Wongwises (2006)Flow Pattern, Pressure Drop and Void Fraction of Two-Phase Gas-Liquid in anInclined Narrow Annular Channel

Di = 8 mm, Do = 12,5 mm

θ = 0°, 30°, 60°

USL = 0,069 – 6,02 m/s

USG = 0,0218 – 65,4 m/s

Pola aliran :

� slug/bubbly flow pd θ = 30°, 60°

� slug flow pd θ = 0°

Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase (Air –Udara) Melewati Elbow 90°°°° dari Arah Vertikal Menuju Horizontal


�Yudi Sukmono (2009)

Di = 36 mm ; R/D = 0,6

USL = 0,3 – 1,1 m/s

β = 0,05 – 0,2


�Priyo Heru Adiwibowo (2009)Studi Eksperimental dan Numerik Gas-Cairan Aliran Dua Fase MelewatiElbow 45⁰⁰⁰⁰ Dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰⁰⁰⁰

Di = 36 mm ; R/D = 0,7

θ = 45°

USL = 0,3 – 1,1 m/s

β = 0,05 – 0,2

PENELITIAN SEKARANG

[1] Yudi Sukmono (2009) Vertikal ke Horisontal D =36 mm, R/D =0,6

[2] Priyo Heru A. (2009) Vertikal ke miring 45 ⁰ D =36 mm, R/D =0,7

[3] Sekarang Vertikal ke pipa miring 15⁰⁰⁰⁰ melewati elbow75⁰⁰⁰⁰ , D =36 mm, R/D =0,7

Metode Penelitian

Experimental� Fluida kerja : air dan udara

� Variasi kecepatan superficial cairan (USL) = 0,3 m/s ~ 1,1 m/s dan variasi

volumetric gas quality (β) = 0,03 ~ 0,25

� Test section dr bahan acryllic transparan

� Diameter dalam pipa 36 mm, elbow 75°, R/D = 0,7

� Pressure drop diukur menggunakan Manometer type-U

� Visualisasi pola aliran dg Digital camera

Numeric� Menggunakan MATLAB-GUI

� Pemodelan CFD (Fluent 6.3)

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. Dryer

11. Tangki udara

12. Kompresor

13. Kamera digital

14. Photo editing

15. Gas-liquid separator

No Peralatan

Eksperimen

Type Spesifikasi

1 Benda uji 1. Pipa acrylic posisi

Vertikal dan horisontal

2. Elbow (R/D= 0,7)

Diameter Dalam (ID = 36 mm)

Diameter Luar (OD = 40 mm)

2 Kompressor Reciprocating Merk PUMA C901-4

Putaranmotor (n) = 1430 rpm

Kapasitas = 300 liter/min

3 Pompa Centrifugal H max : 20 m; Output : 175 W

Putaran motor (n) : 2900 rpm

Kapasitas max : 100 liter/min

4 Liquid flow meter Doppler Omega Ultrasonic FlowmeterFD - 7000

5 Gas flow meter Float type • Merk Dwyer; Range : 0 – 25

• Merk Dwyer; Range : 0,5 – 5

liter/min

Toleransi ±0,2 lt/min

6 Camera Kamera saku

(Digital Camera)

Digital camera

10.1 Megapixel

7 Thermometer Digital Model AT6-K

8 Pressure gauge U type (manometer) Range : 0 –1000 mm

Skala : 1 mm

Toleransi : ±0,5 mm

Prosedur Penelitian

Visualisasi pola aliran1

�

� �Hasil Visualisasi

High Speed Digital Camera

Menghitung pressure drop aliran2

Range 0 – 1000 mm

Skala 1 mm

∆∆∆∆P = ρρρρg ∆∆∆∆h

∆∆∆∆h

∆∆∆∆Z

1

1

n

2

3

1 2 3 n

P0

Manometer fluid (water)

Two phase flow

Pre

ssu

re t

ap

s

3

Flow pattern GUI name

Single phase pada

pipa vertikal,

elbow dan pipa

miring

Singlephase

Bubbly flow BUBBLE

Slug flow SLUG

Elbow 2 fase ELBOW2PHASE

MATLAB – GUI untuk Bubbly flowMATLAB – GUI Name

HASIL DAN PEMBAHASAN�Pola Aliran pd elbow

ReSL = 13497 (USL = 0,3 m/s)

plug

Gas bubbles

Bubbles mulaistabil

Gas bubbles

ReSL = 31492 (USL = 0,7 m/s)

Gas core

Gas bubbles

ReSL = 49488 (USL = 1,1 m/s)

�Pola Aliran pd pipa miring setelah jarak 10D dr elbow

plug

slug

slug

ReSL = 13497 (USL = 0,3 m/s)

ReSL = 49488 (USL = 1,1 m/s)

plug

plug

plug

plug

ReSL = 31492 (USL = 0,7 m/s)

� Pada kec. Superficial cairan rendah (USL

=0,3 m/s) pola aliran berupa slug/plugbubbly flow

� Pada kec. Superficial cairan sedang (USL

=0,7 m/s) pola aliran berupa plug bubblyflow dan hanya terjadi pd β < 0,13

� Pada kec. Superficial cairan tinggi (USL =1,1m/s) perubahan pola aliran semakin tidak

terlihat

Konsentrasi gas

relatif tinggi

Daerah separasi

gas dan cairan

Konsentrasi

gas tinggi1D

0D

2D

3D

4D

5D

X = 0D

X = 1D

X = 2D

X = 3D

X = 4DX = 5D

(ReSL= 49488 ((((USL= 1,1 m/s)))) , ββββ = 0,2)

Konsentrasi

gas tinggiDaerah separasi

gas dan cairanKonsentrasi gas

relatif tinggi

X = 1D

X = 2D

X = 3D

X = 4D

X = 5D

X = 0D

1D

0D

2D

3D

4D

5D

(ReSL= 31492 ((((USL= 0,7 m/s)))) , ββββ = 0,2)

� Pd elbow gas akan terkonsentrasi pd bagian inner surface elbow

� Pd outlet elbow gas akan menempati bagian atas pipa miring

� Bertambahnya kec. Superficial cairan menyebabkan jarak kestabilan gas semakin jauh

Hasil Pemodelan CFD

Contours of volume fraction (gas)

�Prediksi jarak gangguan elbow 75° pd pipa miring 15°

y = 0.00021x - 0.53227

R² = 0.87427

0

2

4

6

8

10

12

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

L/D

ReSL + ReSG

Data Eksperimen

Linear (Data Eksperimen)

D

Lb= 0,00021(ReSL + ReSG) – 0,53227

Dimana :

Lb = panjang dari bubbly regime (mm)D = diameter pipa (mm)ReSL = ρL USL D/ µL

ReSG = ρG USG D/ µG

Slug/Plug bubbly flow

Bubbly Flow

�Pemetaan pola aliran

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 62 62 62.1 62.1 62.1 62.1 62.2 62.2 62.2 62.2 62.2 62.2 62.2 62.2 62.3 62.3 0.005

0.05 60.4 60.5 60.5 60.6 60.6 60.7 60.8 60.9 61 61 61 61.2 61.2 61.2 61.1 61.1 0.020

0.07 58.5 58.6 58.7 58.9 59 59.1 59.2 59.3 59.4 59.5 59.6 59.7 59.9 60.1 60.1 60.1 0.024

0.09 57 57.3 57.3 57.5 57.6 57.8 58 58.1 58.2 58.3 58.6 58.8 59.2 59.5 59.6 59.8 0.040

0.11 55.5 55.8 56 56.3 56.6 57 57.3 57.6 57.9 58.1 58.4 58.7 59 59.3 59.4 59.6 0.060

0.13 54.4 54.8 55 55.4 55.7 56 56.2 56.5 56.8 57 57.2 57.5 57.9 58.6 58.8 59.2 0.065

0.15 52.5 53.2 53.5 53.9 54.4 54.9 55.5 55.9 56.4 56.9 57.4 57.8 58.3 58.8 59.2 59.5 0.095

0.2 51.3 51.9 52.2 52.9 53.6 54.3 55 55.8 56.5 57.2 57.9 58.5 59.2 59.9 60.2 60.7 0.140

0.25 47.1 48 48.3 49.1 49.8 50.7 51.5 52.2 53.2 54.1 54.8 55.6 56.4 57.1 57.6 58.5 0.155

� Global Void Fraction

Z

h

∆

∆=α

� Ketidaklurusan pd zone 1 karena

panjang masukan hidrodinamik aliran(hydrodinamics entrance length)

� Ketidaklurusan pd zone 3 karenapengaruh dr inlet elbow

� Gradient tekanan yg diperhitungkanadalah bagian yg menunjukkan evolusilurus (zone 2)

Data hasil pengukuran global void fraction untuk USL = 0,3 m/s

No. β USL (m/s) Rata-rata Deviasi %

1 0,03 0,3 ~ 1,1 77,85

2 0,05 0,3 ~ 1,1 68,44

3 0,07 0,3 ~ 1,1 63,43

4 0,09 0,3~ 1,1 55,49

5 0,11 0,3~ 1,1 44,34

6 0,13 0,3~ 1,1 38,59

7 0,15 0,3~ 1,1 36,81

8 0,20 0,3~ 1,1 29,42

9 0,25 0,3~ 1,1 26,53

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 0.1 0.2 0.3

Glo

ba

l Vo

id F

ract

ion

< L

>

Volumetric Gas Quality (β)

Eksperimental data (Resl = 13497)





Homogenous model

Perbandingan eksperimental void fraction dengan homogenous model

Deviasi pengukuran void fraction

terhadap homogenous model

Zuber&&&& Findlay Model (1965)

( )GJSLSG

SG WUUCU

++=><

0α

C0= 1,375

C0 > 1 �� bubbles terkonsentrasi

pd center regions

Drift velocity /slip (WGJ ) = 0,2 m/s0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

USG /

α (m/s)

USG + USL (m/s)

Eksperimental data

linear curve fitting y = 1,375x + 0,2

Diagram Zuber & Findlay eksperimen

Skema penyetingan pressure tap

Konfigurasi water level pd manometer

ghhZpmiring ××−+∆=∆ ρ)]([ 4334

( ) ghhZpverical ××−+∆=∆ ρ][ 2112

( ) ghhZpelbow ××−+∆=∆ ρ][ 3232

�Pressure drop aliran

15

15.5

16

16.5

17

17.5

18

18.5

19

19.520

20.5

21

21.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

β

13497

22494

31492

40489

49487

∆P

vert

ikal

(kP

a)

Resl =

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25β

13497

22494

31492

40489

49487

∆P

elb

ow

(k

Pa

)

Resl =

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25β

13497

22494

31492

40489

49487

∆P

mir

ing

(kP

a)

Resl =

� Pressure drop menurun dg bertambahnya β

untuk setiap ReSL konstan (pd pipavertikal, elbow 75° dan pipa miring 15°)

� Pressure drop pd elbow 75° dan pipamiring 15° pressure drop dominandipengaruhi oleh faktor elevasi.

� Pressure drop cenderung naik dg naiknyaReSL untuk β konstan

Pressure drop aliran untuk setiap ReSL terhadap variasi β (β = 0 adalah single-phase – hanya air)

15.0015.5016.0016.5017.0017.5018.0018.5019.0019.5020.0020.5021.00

0 200 400 600Resg

Data Eksperimen

Data Teoritis

∆P

vert

ikal

(k

Pa

)

Resl = 31492

� Pd pipa vertikal pressure drop secara eksperimendan teoritismenunjukkantren yg sama

� Perbedaan karena pd teoritis pressure dropdihitung dg asumsi aliran homogen (homogenousmodel)

� Pd elbow 75° pressure drop scr eksperimen danteoritis menunjukkantrenyg sama

� Perbedaan karena pd teoritis pressure dropdihitung tanpa mempertimbangkan pola aliranyg terjadi

� Pd pipa miring 15° pressure drop scr eksperimendan teoritismenunjukkantren yg sama

� Perbedaan karena pd teoritis pressure dropdihitung dg asumsi aliran adl plug/slug bubblyflow

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

0 100 200 300 400 500 600Resg

Data Eksperimen

Data Teoritis

∆P

elb

ow

(kP

a)

Resl = 31492

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

0 100 200 300 400 500 600Resg

Data Eksperimen

Data Teoritis

∆P

mir

ing

(kP

a)

Resl = 31492

KESIMPULAN

I. Pola Aliran

� Pada pipa miring outlet elbow 75° pola aliran bubbly dr pipa vertikal akan berubahmembentuk plug-bubbly flow/ slug-bubbly flow (USL = 0,3 m/s dan 0,5 m/s)

� Untuk USL = 0,7 m/s, 0,9 m/s dan 1,1m/s pola aliran berupa gas core yg panjang (koalisibubbles akan lebih tertunda)

� Pressure drop cenderung menurun dg bertambahnya β untuk setiap ReSL konstan (pd pipa vertikal, elbow 75° dan pipa miring 15°)

� Pressure drop cenderung meningkat dg bertambahnya ReSL untuk setiap β konstan

� Besarnya pressure drop pd elbow dan pipa miring dominan dipengaruhi oleh faktorelevasi

� Pressure drop secara eksperimen cenderung lebih besar daripada teoritis karena pd perhitungan scr teoritis tidak memperhatikan faktor-faktor aktual di lapangan

II. Pressure Drop

SEKIAN SEKIAN SEKIAN SEKIAN

DANDANDANDAN

TERIMAKASIHTERIMAKASIHTERIMAKASIHTERIMAKASIH

studi eksperimental dan numerik karakteristik...

Documents