Transportasi Fluida 1 [PDF]

Citation preview

Alat Transportasi Fluida Pipa, Fitting dan Kran



“Dia membiarkan dua lautan mengalir yang keduanya kemudian bertemu. Antara keduanya ada batas yang tidak dilampaui masingmasing.” (Q.S. Ar-Rahman:19-20)



o Ayat lain yang menceritakan fenomena yang sama terdapat pada Surat Al-Furqan ayat 53 yang berbunyi: o “Dan Dialah yang membiarkan dua laut yang mengalir (berdampingan); yang ini tawar lagi segar dan yang lain asin lagi pahit; dan Dia jadikan antara keduanya dinding dan batas yang menghalangi.” (Q.S. AlFurqaan:53)



Dua lautan yang tidak bercampur itu terletak di Selat Gibraltar, selat yang memisahkan benua Afrika dan Eropa, tepatnya antara negera Maroko dan Spanyol. Air laut dari Lautan Atlantik memasuki Laut Mediterania atau laut Tengah melalui Selat Gibraltar. Keduanya mempunyai karakteristik yang berbeda. Suhu air berbeda. Kadar garam nya berbeda. Kerapatan air (density) airpun berbeda. Waktu kedua air itu bertemu di Selat Gibraltar, karakter air dari masing-masing laut tidak berubah. Kalau dipikir secara logika, air tersebut pasti bercampur, tetapi kenyataannya tidak. Kedua air laut itu membutuhkan waktu lama untuk bercampur, agar karakteristik air melebur.



o Fluida dipindahkan dari tempat yang satu ketempat yang lain melalui saluran terbuka (open channels) atau saluran tertutup (closed ducks). Saluran tertutup



Sistem perpipaan



pipa fitting



Jenis Pipa dan Fitting



Ferrous metallic pipe Logam Non ferrous metallic pipe



Pipa & fitting



Non logam



• • • •



Ferrous metallic pipe : Wrought-iron Wrought-steel pipe Electric resistance welded steel pipe Stainless steel pipe



Ukuran standar pipa dan fitting Panjang pipa standar 16 ft sampai 22 ft



Panjang



Diameter pipa



diameter nominal mempunyai harga antara 1/8 inci sampai 30 inci



Tebal pipa



10 nilai Sch.No. yang dapat dijumpai yaitu 12, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, dan 160



contoh ukuran standar pipa baja Pipe



Schedule 10 ** Wall Thick . (in)



Schedule 40 ** Wall Thick . (in)



Schedule 80 ** Wall Thick . (in)



Schedule 160 ** Wall Thick . (in)



Size (in)



Nom. OD (in)



1/8



0.405



0.307 0.049



0.269 0.068



0.215 0.095



1/4



0.540



0.410 0.065



0.364 0.088



0.302 0.119



3/8



0.675



0.545 0.083



0.493 0.091



0.423 0.126



1/2



0.840



0.674 0.083



0.622 0.109



0.546 0.147



0.466 0.187



3/4



1.050



0.884 0.109



0.824 0.113



0.742 0.154



0.614 0.218



1



1.315



1.097 0.109



1.049 0.133



0.957 0.179



0.815 0.250



1-1/4



1.660



1.442 0.109



1.380 0.140



1.278 0.191



1.160 0.250



1-1/2



1.900



1.682 0.109



1.610 0.145



1.500 0.200



1.338 0.281



2



2.375



2.157 0.109



2.067 0.154



1.939 0.218



1.689 0.343



2-1/2



2.875



2.635 0.120



2.469 0.203



2.323 0.276



2.125 0.375



3



3.500



3.260 0.120



3.068 0.216



2.900 0.300



2.626 0.437



4



4.500



4.260 0.120



4.026 0.237



3.826 0.337



3.438 0.531



5



5.563



5.295 0.134



5.047 0.258



4.813 0.375



4.313 0.625



6



6.625



6.357 0.134



6.065 0.280



5.761 0.432



5.189 0.718



8



8.625



8.329 0.148



7.981 0.322



7.625 0.500



6.813 0.906



ID (in)



ID (in)



ID (in)



ID (in)



Pemilihan Ukuran Pipa fluida dapat mengalir dengan sendirinya (disebabkan karena grafitasi)



Pipa sekecil mungkin, aliran normal



Perlu tambahan energi mekanik yang diberikan oleh pompa atau kompresor untuk mengalirkan fluida



Dipilih pipa yang memberikan total biaya sekecil mungkin



Untuk debit yang sama bila diameter pipa besar biaya pembelian pipa tinggi tetapi kecepatan aliran fluida rendah. Dengan menggunakan diameter yang besar, gesekan yang terjadi antara dinding pipa dan fluida yang mengalir lebih rendah sehingga biaya pemompaan juga lebih rendah.



Kisaran kecepatan optimum fluida mengalir dalam pipa Kecepatan,



Penurunan tekanan, kPa/m



m/detik Cairan tak dipompa



-



0,05



1-3



0,5



Gas/Uap



15-30



0,02 dari tekanan operasi



Uap tekanan tinggi> 8



30-60



-



Cairan dipompa tidak kental



bar



Rase (1953) menggunakan hubungan antara kecepatan dengan diameter dalam pipa: Kecepatan, m/detik



Discharge pompa



(0,06d+0,4) m/detik



Suction pompa



(0,02d+0,1) m/detik



Steam/uap



0,2 d m/detik



Dengan d = diameter dalam pipa dengan satuan mm. Simson (1968) menggunakan hubungan antara kecepatan optimum dengan densitas fluida: rho, kg/m3 Kec., m/detik



1600 2,4



800 3



160 4,9



16 9,8



0,16 18



0,016 34



FITTING Fitting merupakan satu potongan yang berfungsi salah satu: 1. Menggabungkan dua batang pipa, misal coupling, union 2. Mengubah arah aliran pipa, missal elbow, tee 3. Mengubah diameter pipa, misal reducer 4. Mengakhiri jaringan pipa, misal plug, valve 5. Menggabungkan dua aliran menjadi aliran satu, misal tee 6. Mengontrol aliran misal kran atau valve



KRAN ATAU VALVE Kran termasuk salah satu jenis fitting yang berfungsi untuk mengontrol aliran atau untuk membuka/menutup aliran.



jenis fluida yang mengalir Dasar pemilihan jenis kran yang akan digunakan jumlah aliran



Tujuan/fungsi kran



untuk control kecepatan kran yang panjang ekvivalennya besar missal gate valve, globe valve, dan needle valve



untuk control arah aliran (missal aliran balik tidak dinginkan) maka dapat digunakan swing check valve, angle check valve dan ball check valve



untuk membuka/menutup aliran (shut off valves)



Gate valve dengan memutar stem, maka disk akan naik atau turun, jika naik maka lubang aliran fluida lebih besar, sehingga kecepatan aliran lebih tinggi. Dengan hanya memutar sedikit saja, lubang aliran akan naik dengan cukup besar, sehingga akan sulit digunakan untuk mengontrol kecepatan aliran. Kran ini cocok untuk pembuka/penutup aliran.



Persamaan Kontinyutitas



Aliran fluida dalam pipa yang tidak ada percabangan 







1



2



Untuk sistem aliran fluida dalam pipa yang tidak ada percabangan dan dengan ukuran tetap, neraca massa dapat dituliskan sebagai berikut: Kecepatan massa fluida masuk = kecepatan massa fluida keluar m1 = m2 Persamaan 1 A1 v1 = 2 A2 v2 kontinyuitas Untuk jenis fluida yang sama atau untuk fluida yang incompressible (1 = 2 ) dan ukuran pipa sama ( A1= A2) , persamaan dapat dituliskan sebagai v1 = v2



Aliran fluida dalam pipa dengan percabangan  2  1



 3 m1 = m2 + m3 1 A1 v1 = 2 A2 v2 + 3 A3 v3 untuk jenis dan sifat cairan yang tetap persamaan dapat dituliskan sebagai A1 v1 = A2 v2 + A3 v3 Dengan A adalah luas penampang pipa ( /4 D2) D12 v1 = D22 v2 + D32 v3



CONTOH SOAL KONTINYUITAS o Suatu fluida = 892 kg/m3 mengalir dalam sistem pemipaan seperti terlihat pada Gambar , masuk ke bagian 2 dengan kecepatan 1,388 10-3 m3/detik. Jika aliran fluida dibagi sama dan pipa yang digunakan pipa baja, tentukan : a. Kecepatan total massa di pipa 1 dan pipa 3 b. Kecepatan rata-rata di pipa 1 dan pipa 3. 1,5 inci 3 1



2 inci 1,5 inci 3



Schedule 10 **



Pipe



Schedule 40 **



Schedule 80 **



Size (in)



Nom. OD (in)



ID (in)



Wall Thick. (in)



ID (in)



Wall Thick. (in)



ID (in)



Wall Thick. (in)



1/8



0.405



0.307



0.049



0.269



0.068



0.215



0.095



1/4



0.540



0.410



0.065



0.364



0.088



0.302



0.119



3/8



0.675



0.545



0.083



0.493



0.091



0.423



0.126



1/2



0.840



0.674



0.083



0.622



0.109



0.546



3/4



1.050



0.884



0.109



0.824



0.113



1



1.315



1.097



0.109



1.049



1-1/4



1.660



1.442



0.109



1-1/2



1.900



1.682



2



2.375



2-1/2



Schedule 160 **



ID (in)



Wall Thick. (in)



0.147



0.466



0.187



0.742



0.154



0.614



0.218



0.133



0.957



0.179



0.815



0.250



1.380



0.140



1.278



0.191



1.160



0.250



0.109



1.610



0.145



1.500



0.200



1.338



0.281



2.157



0.109



2.067



0.154



1.939



0.218



1.689



0.343



2.875



2.635



0.120



2.469



0.203



2.323



0.276



2.125



0.375



3



3.500



3.260



0.120



3.068



0.216



2.900



0.300



2.626



0.437



4



4.500



4.260



0.120



4.026



0.237



3.826



0.337



3.438



0.531



5



5.563



5.295



0.134



5.047



0.258



4.813



0.375



4.313



0.625



6



6.625



6.357



0.134



6.065



0.280



5.761



0.432



5.189



0.718



8



8.625



8.329



0.148



7.981



0.322



7.625



0.500



6.813



0.906



o



Pipa baja, Sch No 40, dan diameter 2 inci NPS mempunyai diameter dalam (D1)= 2,067 inci, luas penampang aliran =A1= =0,0233 ft2= 2,165 10-3m2. Untuk 1,5 inci NPS diameter dalam (D2)=1,61 inci, A2= 0,01414 ft2=1,313 10-3m2.



o



a. M1= 1,388 10-3 m3/detik x 892 kg/m3= 1,238 kg/detik M3 = M1/2 = 1,238/2= 0,619 kg/detik.



o



b.



NERACA ENERGI DALAM ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA



Energi yang dibawa fluida Energi dakhil Energi potensial Energi kinetik Energi tekan



Energi yang dipindahkan antara fluida dengan lingkungan Kerja sumbu (W)



Energi panas Energi yang hilang karena gesekan (lost work by friction)



Neraca Energi (steady state) Energi masuk = energi keluar



1 (U 2  U1 )  (mv22  mv12 )  mg ( z2  z1 )  ( PV 2 2  PV 1 1)  q  w 2 1 U  ( mv 2 )  (mgz )  ( PV )  q  w 2 H  U  PV H  U   ( PV )



1 H  ( mv 2 )  (mgz )  q  w 2 2



2



2



2



2



U   TdS   P(dV )    d    A dmA    B dmB  ..... 1



1



1



1



1







2







2







2







2



1



1



1



1



TdS



= heat effects



P(dV )



= compression effects



 d



= surface effects  diabaikan



 A dmA



= chemical effects  diabaikan 2



2



( PV )   PdV   VdP 1







2



1



1



TdS  q  (lw )



(lw)  energi hilang



1 2 VdP   ( mv )  (mgz )   w  lw 1 2 2



Untuk fluida incompressible (  tetap)







2



1



1 2 mVdP  ( mv )  (mgz )   w  lw 2



(energi/waktu)



1 w l V P  ( v 2 )  ( gz )    w 2 m m l P v 2 w   z    w  g 2g mg mg P v   z  Ws  F  g 2g 2



(energi/berat)  (panjang) Persamaan Bernoulli



P1 v12 P2 v22 Sehingga untuk incompressible   z1  Ws  F    z2  g 2g  g 2g fluid (cairan) :



P g



= pressure head, satuan panjang



v2 2g



= velocity head, satuan panjang



z = potensial head (static head), satuan panjang F = friction head, satuan panjang W = work head, satuan panjang



Friction head (F) Kehilangan energi karena gesekan      vD     F  Lv 2 / 2 gD   f  D  ,      f      



Re  2100 2100  Re  4000 4000  Re  10000 Re  10000



 Fig. 125 Brown



 laminer   kritis  transisi  turbulen



 6.9   / D 1.11  1  1.8log     Re 3.7 f    



Re > 2300



o Menggunakan grafik 125 & 126 Brown (1950), o Friction factor aliran dalam pipa dapat ditentukan bila diketahui: o Kekasaran relatif, ε/D Kekasaran relatif, ε/D o Jenis pipa Dimensi pipa o Reynold aliran o Bila terdapat fittings (belokan, kran, dll.)



Dengan panjang total panjang ekivalen (Le),



Le   ( L)pipa lurus   ( Le )fittings Le untuk fittings dapat ditentukan dengan menggunakan grafik 127 Brown



P1 v12 P2 v22   z  Ws  F   z  g 2g 1  g 2g 2



z



D1



D2



Le1



Le2



Q



vp,1



Ws



Q



vp,2



P1 v12 P2 v22   z1  Ws  ( F1  F2 )    z2  g 2g  g 2g



 P2 v22   P1 v12  (Ws )     z2  F2      z1  F1    g 2g    g 2g  discharge head



suction head



 P2 v22 f 2 Le,2 v 2p ,2   P1 v12 f1 Le,1v 2p ,1  (Ws )     z2    z1        g 2g 2 gD  g 2 g 2 gD 2 1    



Mengalirkan cairan dengan pompa Suction head system



f1 Le,1v 2p ,1 f 2 Le,2 v 2p ,2 P1 v12 P2 v22   z1   Ws    z2   g 2g 2 gD1  g 2g 2 gD2 discharge head



suction head



Bila jenis pipa dan diameter pipa yang digunakan seragam



v p ,1  v p ,2



f1  f 2 Diameter tangki cukup besar sehingga v10, v20



f ( Le,1  Le,2 )v 2p P1 P  z1   Ws  2  z2 g 2 gD g



Head pompa



f ( Le,1  Le,2 )v 2p  P2   P1 (Ws )    z2     z1   2 gD  g   g



Suction lift system



  



f1 Le,1v 2p ,1 f 2 Le,2 v 2p ,2 P1 v12 P2 v22   z1   Ws    z2   g 2g 2 gD1  g 2g 2 gD2 discharge head



suction head



Bila jenis pipa dan diameter pipa yang digunakan seragam



v p ,1  v p ,2



f1  f 2



Diameter tangki cukup besar sehingga v10, v20



f ( Le,1  Le,2 )v 2p P1 P  z1   Ws  2  z2 g 2 gD g Head pompa



f ( Le,1  Le,2 )v 2p  P2   P1 (Ws )    z2     z1   2 gD  g   g



  