Aliran Fluida Dalam Pipa [PDF]

Citation preview

ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA



Engineering Aspects of Fluid flow in Pipeline ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ



Pendahuluan Pressure Drop Persamaan Bernoulli Persamaan Kontinuitas Karakteristik Aliran Di Dalam Saluran/Pipa Karakteristik Aliran Melalui Sambungan Sambungan--Sambungan Aliran Fluida



PENDAHULUAN



‰ Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang banyak digunakan untuk memindahkan fluida, baik cair, gas, maupun campuran cair dan gas dari suatu tempat ke tempat yang lain ‰ Sistem perpipaan yang lengkap terdiri atas : • Pipa • Sambungan pipa (flange, gasket, dan fitting) • Tumpuan • Peralatan Pendukung seperti pompa, katup dan sistem kontrol



Jenis Fluida ‰ Fluida fasa cair Fluida yang mengalir bisa berupa minyak atau kondensat. Analisis aliran fluida cair ini dilakukan dengan menggunakan prinsip hidrodinamika. hidrodinamika Fluida cair relatif lebih sederhana untuk dianalisis karena sifatnya yang inkompresibel. ‰ Fluida fasa gas Fluida fasa gas lebih rumit dianalisis karena sifatnya yang kompresibel. Gas juga akan berubah sifatnya bila mengalami perubahan tekanan dan temperatur. ‰ Fluida fasa campuran contoh fluida ini adalah campuran hidrokarbon yang bersifat seperti fluida satu fasa. Untuk mengalirkan fluida jenis ini, maka tekanan operasi harus dijaga agar campuran tadi tidak kembali menjadi dua fasa



Pressure Drop ‰



‰



‰



‰



Terjadi akibat aliran fluida mengalami gesekan dengan permukaan pipa Dapat juga terjadi karena perubahan kecepatan ketika aliran melewati sambungan pipa, belokan, katup, difusor, dan sebagainya Pressure drop juga dapat disebabkan adanya perubahan ketinggian secara mendadak dalam sistem pipa Besar Pressure Drop bergantung pada : * Kecepatan aliran dan sifatsifat-sifat fluida * Kekasaran K k permukaan k * Panjang dan diameter pipa



Beberapa hal yang harus diperhatikan mengenai pressure drop: ƒ Faktor yang paling signifikan dalam pressure drop adalah gesekan dalam pipa dan ukuran diameter pipa ƒ Kecepatan fluida yang optimum untuk mengatasi pressure drop adalah d l h 1 - 4 m/s / (fl (fluida id cair) i ) dan d 4 -5 5 m/s / (fl (fluida id gas). ) ƒ Diameter pipa yang besar akan mengurangi terjadinya pressure drop tetapi biaya untuk pipa berdiameter besar harus diperhitungkan. Data yang diperlukan untuk menghitung aliran fluida dalam pipa adalah:



ƒ Jenis Fluida ƒ Sifat-sifat Sif t if t fi fisik ik dari d i fluida fl id ƒ Laju aliran ƒ Tekanan operasi



Persamaan Bernoulli ¾



¾



¾



Merupakan salah satu bentuk penerapan hukum kelestarian energi Prinsipnya adalah energi pada dua titik yang dianalisis haruslah sama Untuk aliran steady dan fluida inkompressibel (perubahan energi dalam diabaikan) persamaan yang diperoleh adalah : ⎛ p V2 ⎞ ⎛ p V2 ⎞ ⎜⎜ 1 + 1 + Z1 ⎟⎟ − H L = ⎜⎜ 2 + 2 + Z 2 ⎟⎟ ⎝ ρg 2 g ⎠ ⎝ ρg 2 g ⎠



Dimana: Z = ketinggian HL= head loss dari titik 1 ke titik 2



Contoh 1 Gambar di bawah menunjukkan aliran air dari titik A ke titik B dengan debit aliran sebesar 0,4 m3/s dan head tekanan pada titik A = 7 m. Jika diasumsikan tidak ada losses antara titik A dan titik B, tentukan head tekanan di titik B P Penyelesaian: l i ⎛ p ⎞ ⎛ p A V A2 V2 ⎜⎜ + + Z A ⎟⎟ − H L = ⎜⎜ B + B + Z B 2g 2g ⎝ ρg ⎠ ⎝ ρg VA = Q = 0,4 = 5 , 66 m AA s (π . 0 , 3 2 / 4 ) VA = Q



AB



= 0,4



(π . 0 , 6 2 / 4 )



= 1, 42 m



s



maka : ⎞ ⎛ p ⎞ ⎛ 5 , 66 2 1, 42 2 ⎜⎜ 7 + + 5 ⎟⎟ + 0 ⎟⎟ − 0 = ⎜⎜ B + ρ 2 g g 2 g ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ pB ρ g = 3 ,5 m



⎞ ⎟⎟ ⎠



Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas diperoleh dari hukum kelestarian massa yaitu:



m1 = m



2



Dimana



ρ 1 A1V 1 =` ρ 2 A 2 V 2 Fluida inkompressibel



ρ=



Massa jenis fluida



A= V=



Luas penampang aliran Kecepatan aliran



ρ1 = ρ 2



A 1V 1 = A 2 V 2



sehingga



Catatan : Bidang A dan V harus tegak lurus satu sama lainnya



Contoh 2. Jika kecepatan aliran minyak mentah pada pipa berdiameter nominal 20” schedule 40 adalah 5 fps, berapa kecepatan aliran tersebut jika pipa dikecilkan menjadi 14 schedule 80”? Berapa kapasitas aliran ?



2



⎛d ⎞ A V πd 2 ⎛ 12 ⎞ V2 = 1 1 = 12 V1 = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ V1 = ⎜ ⎟ 0,5 = 8 m s πd 2 A2 ⎝3⎠ ⎝ d2 ⎠ 2



Karakteristik Aliran Di Dalam Pipa ‰ Aliran di dalam suatu saluran selalu disertai dengan friksi ‰ Aliran yang terlalu cepat akan menimbulkan pressure drop yang tinggi sedangkan aliran yang terlalu lambat pressure drop-nya drop nya akan rendah akan tetapi tidak efisien ‰ Kecepatan aliran perlu dibatasi dengan memperhatikan : * Besarnya daya yang dibutuhkan * Masalah erosi pada dinding pipa * Masalah pembentukan deposit/endapan * Tingkat kebisingan yang terjadi



Harga-harga kecepatan aliran air yang dianjurkan untuk berbagai pemakaian Service



Daerah kecepatan (fps)



Keluaran pompa



8 -12 12



Pipa isap pompa



4 -7



Saluran pembuangan



4 -7



Header



4 -15



Riser



3 -10



Service umum



5 -10



Air minum



3 -7



Kecepatan maksimum aliran fluida dalam pipa Jenis fluida Uap untuk proses Slurry Uap air Air Fluida cair Minyak Gas



Kecepatan maksimum [[ft/s]] 120 ÷ 150 5 ÷ 10 100 ÷ 130 6 ÷ 10 100/ (ρ1/2) 3÷13-15 15 ÷ 60 (50 – high CO2)



Kerugian yang terdapat di dalam aliran fluida ƒ Kerugian tekanan (Pressure Drop) atau ƒ Kerugian head ( Head Loss) Faktor yang mempengaruhi kerugian di dalam aliran fluida: ƒ Kecepatan aliran ƒ Luas penampang saluran ƒ Faktor friksi ƒ Viskositas ƒ Densitas fluida



Persamaan matematis kerugian tekanan di dalam saluran sirkuler



ΔP = f



l d



Dimana :



⎛V 2 ⎞ ⎟⎟ ⎝ 2 ⎠



ρ ⎜⎜



ΔP = kerugian tekanan



Hubungan antara head dan tekanan :



P = ρ .g .h Kerugian head (head loss) : ⎛ l ⎞⎛ V ⎞ Δh = f ⎜ ⎟⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ d ⎠⎝ 2 g ⎠ 2



d



= diameter pipa



V



= kecepatan aliran



f



= faktor friksi



l



= panjang pipa



g



= grafitasi



h



= head



Catatan: harga f untuk pipa-pipa tertentu dapat dicari dengan menggunakan diagram Moody dengan terlebih dahulu menghitung bilangan Reynolds



Kerugian head dengan menggunakan konstanta K sebagai pengganti faktor friksi



⎛V 2 ⎞ Δh = K ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2g ⎠ Kerugian tekanan dengan menggunakan konstanta K sebagai pengganti faktor friksi



⎛V 2 ⎞ Δp = Kρ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2 ⎠ Catatan : Kerugian aliran akan semakin besar jika kecepatan aliran semakin cepat dan saluran semakin panjang



Diagram Moody



Grafik Kerugian Head untuk Sistem Pipa Tertutup



Grafik Kerugian Head untuk Sistem Pipa Terbuka



Karakteristik Aliran Melalui Sambungan



Bentuk-bentuk sambungan pada sistem perpipaan: Bentuk• Sambungan lurus • Sambungan belok • Sambungan cabang • Sambungan dengan perubahan ukuran saluran Cara-cara penyambungan pada sistem perpipaan: Cara• Ulir • Press P • Flens • Las



Persamaan matematis kerugian akibat sambungan (kerugian minor) dalam sistem pemipaan:



⎛V 2 ⎞ Δhm = K ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2g ⎠ atau ⎛V 2 ⎞ Δpm = Kρ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2 ⎠ Keterangan: K = Koefisien hambatan minor



Resistance Coefficients for Open Valves, Elbow, and Tees



Resistance Coefficients for Expansion and Constractions



Contoh Jenis Sambungan dan Panjang Ekivalennya



Contoh Jenis Sambungan dan Panjang Ekivalennya (Lanjutan)



Special Fitting Losses In Equivalent Feet of Pipe



Representative Equivalent Length in Pipe Diameters (L/D)



Beberapa Contoh Perhitungan Karakteristik Aliran Sistem Di Dalam Sistem Perpipaan Contoh 1. Suatu sistem p pemipaan p terdiri dari komponen p seperti p g gambar. Air mengalir dengan kecepatan sebesar 9,7 fps dan diameter 6 inch. Pipa tersebut adalah pipa baru dengan panjang 1200 ft. Katup gerbang berada pada posisi terbuka penuh. Tentukan kerugian tekanan dari titik 1 hingga titik 3.



Penyelesaian: Kerugian aliran dari titik 1s.d 3 adalah jumlah dari kerugiankerugian-kerugian aliran pada pengecilan penampang di titik 1, kerugian friksi sepanjang pipa 1 s.d 2 dan kerugian pada katup. Dari grafik resistance coefficient for expantion and constraction diperoleh harga K= 0,42 untuk titik 1, sehingga kerugiannya: ⎛ V 2 ⎞ 0,42.(9,7) 2 h = K ⎜⎜ ⎟⎟ = = 1,46 ft 64,4 ⎝ 2g ⎠



Re =



Aliran yang terjadi adalah turbulen. Jika kekasaran pipa 0,0017 maka dengan mengunakan diagram Moody diperoleh f = 0,023



VD



υ



υ = 1 . 05 x10



−5



ft 2 s



Re = 462000



Kerugian friksi pada saluran pipa :



Δ h = 80 , 6 ft Kerugian melalui katup : Darii ttabel D b lR Representative t ti E Equivalent i l tL Length th iin Pi Pipe Di Diameters t (L/D) dengan l/D = 13 maka diperoleh:



Δ h = 0 , 43 ft Jadi kerugian aliran total dari sistem antara 1 s.d 3 adalah: 1,46 , + 80,6 , + 0,43 , ft = 82,49 , ft atau 35,7 , p psi



Contoh 2. Apabila sistem pada contoh 1 besar pembukaan katup diubah menjadi 50 % maka hitunglah laju aliran yang terjadi. Untuk kasus ini aliran total antara titik 1 s.d 3 tidak berubah yaitu tetap sebesar 82,49 ft. Penyelesaian: Untuk katup terbuka ½ harga l/D berubah menjadi 160 sehingga panjang ekivalennya untuk diameter 6 in menjadi: Lekivalen = 160(6/12) = 80 ft Titik pemasukan 1 mempunyai K = 0,42 dengan panjang 9,1 ft. Jadi panjang total ekivalennya yaitu 1200+80+9,1= 1289,1 ft



Untuk penyelesaian ini dimisalkan kecepatan aliran 5 fps dengan bilangan Re = 238095 dan kekasaran relatif 0.0017 sehingga diperoleh f = 0,023. Terlihat disini bahwa harga faktor friksi tidak berubah dengan contoh 1. V =



⎛ D ⎞ 2g Δp⎜ = 9 , 4 fp fps ⎟ ⎝ l ⎠ f



Hasil tersebut di atas menunjukan bahwa perubahan bukaan katup sebesar 50% hanya mengubah kapasitas aliran sebanyak 3% saja. Penyelesaian contoh ini juga dapat dilakukan dengan menggunakan diagram HazenHazen-William yaitu: Kerugian aliran yang terjadi perseratus ft panjang pipa adalah : Δ h100 = 100 x 82 , 49 / 1289 ,1 = 6 ,39 ft



Dengan diameter pipa 6 in maka dari diagram diperoleh aliran kira--kira 9,4 fps kira



Dari contoh di atas dapat disimpulkan bahwa desain sistem tersebut kurang baik karena perubahan bukaan katup 50% tidak mempengaruhi besar laju aliran yang terjadi. Untuk mendapatkan gambaran maka katup gerbang diganti dengan katup globe dengan bukaan 50 %, panjang ekivalen ki l ratarata t -rata t l/D = 740. 740 D Dengan menggunakan k prosedur d di atas t maka diperoleh penurunan aliran sebanyak 13 %. Kesimpulannya yaitu perencanaan sistem pemipaan ini tidak baik walaupun air masih dapat dialirkan.



Aliran Fluida Jenis Aliran Fluida : ‰ Steady atau tidak steady ‰ Laminar atau Turbulen ‰ Satu, dua, atau tiga dimensi 9 Steady jika kecepatan aliran tidak merupakan fungsi waktu ( dv/dt = 0) 9 Aliran laminer atau turbulen tergantung dari bilangan Reynolds 9 Aliran satu dimensi terjadi jika arah dan besar kecepatan di semua titik i ik sama 9 Aliran dua dimensi terjadi jika fluida mengalir pada sebuah bidang (sejajar suatu bidang) dan pola garis aliran sama untuk semua bidang



„



„



Garis arus adalah kurva imajinasi yang digambar mengikuti pergerakan fluida untuk menunjukan arah pergerakan aliran fluida tersebut Vektor kecepatan pada setiap titik kurva : • Tidak memiliki arah normal • Tidak akan ada aliran yang berpindah dari suatu garis arus ke garis arus lain



Gambar garis arus dan vektor kecepatan



Aliran Fluida Fasa Tunggal Beberapa faktor yang diperhitungkan dalam aliran fluida fasa tunggal: ‰ Perubahan ketinggian Untuk aliran horizontal, faktor ini diabaikan. Faktor ini diperhitungkan untuk fluida kompresibel maupun inkompresibel, steady maupun transien, aliran vertikal maupun aliran inklinasi. ‰ Rugi Rugi--rugi Gesekan faktor ini diperhitungkan untuk fluida jenis apapun. Pada aliran laminar, besarnya proporsional terhadap kecepatan fluida.untuk aliran turbulen, besarnya proporsional terhadap kecepatan Vn dimana 1,7< n