bab 04-aliran-fluida-dalam-pipa

Bab 4 Aliran Dalam Pipa

Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan 1

BAB IVALIRAN FLUIDA DALAM PIPA Pressure DropPressure Drop Aliran FluidaAliran Fluida Persamaan KontinuitasPersamaan Kontinuitas Persamaan BernoulliPersamaan Bernoulli Karakteristik Aliran Di Dalam Karakteristik Aliran Di Dalam

Saluran/PipaSaluran/Pipa Karakteristik Aliran Melalui Sambungan-Karakteristik Aliran Melalui Sambungan-

SambunganSambungan



4.1 Pendahuluan

Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang banyak Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang banyak digunakan untuk memindahkan fluida, baik cair, gas, digunakan untuk memindahkan fluida, baik cair, gas, maupun campuran cair dan gas dari suatu tempat ke maupun campuran cair dan gas dari suatu tempat ke tempat yang laintempat yang lain

Sistem perpipaan yang lengkap terdiri atas :Sistem perpipaan yang lengkap terdiri atas : PipaPipa Sambungan-Sambungan (Sambungan-Sambungan (fitting)fitting) Peralatan pipa (pompa)Peralatan pipa (pompa) dlldll



4.2 Pressure Drop Terjadi akibat aliran fluida mengalami gesekan

dengan permukaan saluran Dapat juga terjadi ketika aliran melewati sambungan

pipa,belokan,katup, difusor, dan sebagainya Besar Pressure Drop bergantung pada :

* Kecepatan aliran * Kekasaran permukaan * Panjang pipa* Diameter pipa



4.3 Aliran Fluida

Jenis Aliran Fluida : Steady atau tidak steady Laminar atau Turbulen Satu, dua, atau tiga dimensi

Steady jika kecepatan aliran tidak merupakan fungsi waktu ( dv/dt = 0)

Aliran laminer atau turbulen tergantung dari bilangan Reynolds Aliran satu dimensi terjadi jika arah dan besar kecepatan di

semua titik sama 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



4.4 Persamaan Kontinuitas

Persamaan kontinuitas diperoleh dari hukum kelestarian massa yaitu:

222111 VAVA

21 mm

VA Massa jenis fluida

Luas penampang aliran

Kecepatan aliran

Dimana

Fluida inkompressibel 21

2211 VAVA

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



Contoh 1.

Jika kecepatan aliran alir pada pipa berdiameter 12 cm adalah 0,5 m/s, berapa kecepatan aliran tersebut jika pipa dikecilkan menjadi 3 cm?

smV

ddV

dd

AVAV 85,0

312 2

1

2

2

112

2

21

2

112



4.5 Persamaan Bernoulli 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 :

2

222

1

211

22Z

gV

gpHZ

gV

gp

L

Dimana: Z = ketinggian

HL= head loss dari titik 1 ke titik 2



Contoh 2Gambar 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

Penyelesaian:

mgp

ggp

g

maka

sm

AQV

sm

AQV

Zg

Vg

pHZg

Vg

p

B

B

BA

AA

BBB

LAAA

5,3

5242,100

266,57

:

42,1)4/6,0.(4,0

66,5)4/3,0.(

4,0

22

22

2

2

22



4.6 Karakteristik Aliran Di Dalam Saluran/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 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

Pipa isap pompa 4-7

Saluran pembuangan 4-7

Header 4-15

Riser 3-10

Service umum 5-10

Air minum 3-7



Jenis fluida Kecepatan maksimum [ft/s]

Uap untuk proses 120 150

Slurry 5 10

Uap air 100 130

Air 6 10

Fluida cair 100/1/2

Kecepatan maksimum aliran fluida dalam pipaKecepatan maksimum aliran fluida dalam pipa



Penggunaan Material Pipa dan Sambungan yang Dianjurkan



Kerugian yang terdapat di dalam aliran fluida Kerugian tekanan (Pressure Drop) atau Kerugian head ( Head Loss)

Faktor yang mempengaruhi kerugian di dalam aliran fluida: Kecepatan aliran Luas penampang saluran Faktor friksi Viskositas Densitas fluida



Persamaan matematis kerugian tekanan di dalam saluran sirkuler

2

2VdlfP

Hubungan antara head dan tekanan :

hgP ..

Kerugian head (head loss) :

gV

dlfh

2

2

Dimana :

P = kerugian tekanan

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



gVKh2

2

2

2VKp

Kerugian head dengan menggunakan konstanta K sebagai pengganti faktor friksi

Kerugian tekanan dengan menggunakan konstanta K sebagai pengganti faktor friksi

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



Nomogram 1. Liquid Pressure Drop for Viscous Flow



4.7 Karakteristik Aliran Melalui Sambungan-Sambungan

Bentuk-bentuk sambungan pada sistem perpipaan: Sambungan lurus Sambungan belok Sambungan cabang Sambungan dengan perubahan ukuran saluran

Cara-cara penyambungan pada sistem pemipaan: Ulir Press Flens Lem Las



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

2

2

2

2

VKp

ataug

VKh

m

m

Keterangan: K = Koefisien hambatan minor



Resistance Coefficients for Open Valves, Ebow, 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)



4.8 Beberapa Contoh Perhitungan Karakteristik Aliran Sistem Di Dalam

Sistem PemipaanContoh 1.Suatu sistem pemipaan terdiri dari komponen seperti 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 kerugian-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:

ftg

VKh 46,14,64

)7,9.(42,02

22

462000Re

1005.1

Re

25

sftx

VD

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



fth 6,80

Kerugian friksi pada saluran pipa :

Kerugian melalui katup :

Dari tabel Representative Equivalent Length in Pipe Diameters (L/D) dengan l/D = 13 maka diperoleh:

fth 43,0

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 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.

fpsfg

lDpV 4,92

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 Hazen-William yaitu:

Kerugian aliran yang terjadi perseratus ft panjang pipa adalah :ftxh 39,61,1289/49,82100100

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



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 rata-rata l/D = 740. Dengan menggunakan prosedur di atas maka diperoleh penurunan aliran sebanyak 13 %. Kesimpulannya yaitu perencanaan sistem pemipaan ini tidak baik walaupun air masih dapat dialirkan.



END OFCHAPTER IV

bab 04-aliran-fluida-dalam-pipa

Engineering