studi eksperimental dan numerik karakteristik...
TRANSCRIPT
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
Penelitian terdahulu
�Yudi Sukmono (2009)
Di = 36 mm ; R/D = 0,6
USL = 0,3 – 1,1 m/s
β = 0,05 – 0,2
Penelitian terdahulu
�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
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
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)
Eksperimental data (Resl = 22494)
Eksperimental data (Resl = 31492)
Eksperimental data (Resl = 40489)
Eksperimental data (Resl = 49487)
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