Optimasi Pemilihan Diameter Pipa

College e51 Inleiding RailbouwkundeDesain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Pemilihan diameter pipa berdasarkan kecepatan aliran yang diperbolehkan
4
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Karakteristik aliran dalam pipa sangat berhubungan dengan diameter pipa, laju aliran dan pressure drop yang terjadi. Untuk laju aliran yang sama, semakin besar diameter pipa semakin kecil pressure drop yang terjadi. Dari keadaan tersebut pemilihan pipa akan jatuh pada diameter yang besar. Namun semakin besar diameter pipa, harga pipa akan semakin tinggi. Dengan demikian akan timbul pertanyaan bagaimana memilih diameter pipa yang terbaik.
Untuk kasus lain kondisi point di atas tidak berlaku, misalnya beda tekanan dalam pipa antara menara air sampai kamar mandi akan selalu sama dengan tinggi kolom air setinggi menara dihitung dari titik pengaliran air di kamar mandi, dan tidak bergantung pada besar pipa. Hasil yang akan diperoleh ialah laju aliran yang akan berbeda bila diameter pipa berlainan. Jadi untuk kasus ini biaya pengaliran air dapat dikatakan tidak ada, kecuali biaya perawatan saja.
Suatu kondisi aliran mensyaratkan kecepatan aliran harus di atas harga tertentu atau dibatasi tidak melebihi harga tertentu. Contoh kasus ini misalnya pada pengaliran udara bercampur serbuk batu bara. Kecepatan rendah akan menyebabkan serbuk tertinggal dan mengendap di dasar pipa. Contoh lain adalah aliran udara di dalam saluran vacuum cleaner, agar berdebu dan kotoran-kotoran lain dapat terbawa aliran udara.
Dasar-dasar pertimbangan pemilihan diameter pipa :
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
*
Diameter optimum tentunya diameter pipa yang memberikan kompromi terbaik antara biaya investasi dan biaya operasi yang harus dikeluarkan
Biaya investasi adalah biaya yang dikeluarkan untuk pembelian pipa beserta seluruh aksesorisnya termasuk biaya instalasi
Biaya operasi adalah biaya yang dikeluarkan untuk pengaliran fluida atau biaya yang diperlukan untuk menjalankan pompa atau kompresor.
Biaya-biaya di atas dinyatakan dalam parameter-parameter pipa
*
Hasil pengamatan harga pipa metal (bukan di Indonesia) ternyata harga pipa sebanding dengan besar diameter (dalam satuan inch) berpangkat 1,5. Karena informasi terlengkap yang ada adalah untuk pipa berdiameter 2 inch, maka persamaan biaya investasi pengadaan sistem pemipaan didasarkan atas harga pipa 2 inch
Persamaan yang diusulkan untuk harga pemipaan adalah:
Dimana, C = harga pipa diameter D per foot panjang pipa
x = harga pipa diameter 2 inch ($/ft)
D = diameter pipa yang dipilih
*
Pipa berikut asesorisnya mempunyai umur tertentu, dan setelah rusak harus diganti. Untuk itu dalam penentuan biaya investasi untuk pemilihan pipa ini, digunakan biaya amortisasi pertahun. Dalam hal ini, biaya perawatan, biaya untuk fittings, katup dsb, serta biaya pemasangan harus termasuk dalam perhitungan biaya amortisasi
Biaya amortisasi ditulis dalam bentuk persamaan:
Dimana, A = harga amortisasi per foot panjang pipa pertahun
a = laju amortisasi, kebalikan dari perkiraan waktu (tahun)
b = ongkos maintenance, dihitung sebagai fraksi terhadap harga pipa
F = harga total dari fittings, biaya pengelasan, support, pemasangan
dst, dihitung sebagai kelipatan dari harga pipa
*
Dari persamaan tersebut dapat dibuat kurva untuk harga A terhadap perubahan harga diameter pipa
Kurva harga amortisasi per foot panjang pipa per tahun terhadap perubahan diameter
*
Biaya operasi untuk pengaliran fluida sangat ditentukan oleh besar kecilnya kerugian-kerugian/biaya pressure drop di dalam aliran, dinyatakan sebagai besarnya pemakaian energi untuk pengaliran fluida tersebut. Pemakaian energi untuk mengalirkan sebanyak m sejauh satu foot dengan kerugian tekanan sebesar p, adalah:
Dimana, m = laju aliran fluida (ribuan lbm perjam)
p = pressure drop persatuan panjang pipa (psi/ft)
= densitas fluida (lbm/ft3)
*
Dimana, = efisiensi pompa
Bila harga listrik K dolar/kWh dan Y adalah jumlah jam operasi per tahun, maka akan diperoleh biaya operasi per foot panjang pipa per tahun (Co) sebesar:
*
Agar persamaan dapat dinyatakan dalam diameter pipa, maka digunakan persamaan p yang umum:
Dengan D = diameter pipa (inch)
= viskositas fluida (centipoise)
Sehingga diperoleh biaya operasi per tahun per foot panjang pipa:
*
Secara grafis, Co ditunjukan sebagai fungsi dari diameter, dimana Co semakin kecil dengan penambahan besar diameter pula
Kurva biaya operasi tahunan terhadap perubahan diameter pipa
*
Jadi biaya total per foot panjang pipa per tahun Ct, adalah jumlah dari biaya amortisasi dan biaya operasi, sehingga diperoleh:
Dari penjumlahan kurva di atas akan diperoleh suatu harga parameter pipa yang memberikan biaya terendah. Pemilihan akan dilakukan pada ukuran pipa yang terdekat pada harga teoretis ini, karena ukuran pipa komersial yang ada sudah standard, yaitu ½ inch, ¾ inch, 1 inch, dst.
*
Kurva biaya total perfoot panjang pipa per tahun terhadap diameter pipa
*
Secara matematik, penentuan diameter optimum akan lebih mudah diperoleh dengan jalan mendiferensiasikan persamaan Ct terhadap diameter dan mencari harga D yang memberikan Ct terendah. Dari perhitungan ini, diperoleh harga diameter (Dopt) sebagai berikut:
*
Walaupun harga Dopt memberikan suatu harga tertentu, pada prakteknya perlu dilakukan pemeriksaan lagi pada diameter pipa yang dipilih terhadap kondisi operasi, terutama bila laju aliran atau temperatur operasi berubah-ubah, karena jelas akan mempengaruhi hasil akhir. Sebagai ilustrasi, misalkan harga Dopt = 4.21 inch, maka diameter pipa komersial yang dapat dipilih adalah 4 inch atau 6 inch. Namun diameter pipa 4 inch belum tentu ukuran yang terbaik bila laju aliran sering bertambah besar dari kondisi operasi normal, demikian juga halnya dengan diameter pipa 6 inch. Jika laju aliran berubah-ubah, maka akan diperoleh suatu harga laju aliran yang memberikan biaya tahunan yang sama, misalnya pada laju aliran mmax. Dapat dipahami bahwa di atas harga mmax maka pipa 6 inch akan lebih baik, tetapi operasi di bawah harga mmax pipa 4 inch lebih baik.
*
Ketersediaan Pressure Drop (PDA)
Perhitungan dengan dasar pressure drop yang tersedia dilakukan melalui persamaan-persamaan berbasis diameter pipa. Formula pressure drop dihitung untuk setiap panjang pipa 100 ft. Koefisien gesek untuk pipa didasarkan pada persamaan Genereaux, yaitu:
Dimana, Nr = bilangan Reynolds
*
Dengan memasukkan persamaan friksi di atas ke dalam persamaan pressure drop, akan diperoleh persamaan:
Untuk cairan
Untuk gas
= viskositas, centipoise
M = laju aliran, ribuan (standar cubic feet per day)
G = specific gravity, udara pada 14,69 psi dan 60 oF = 1
Z = deviasi gas dari gas sempurna, fraksi
T = temperatur, dalam derajat rankine
P = tekanan absolut, dalam psi
*
Air dan uap air merupakan fluida yang banyak dipakai, persamaan pressure drop ditulis secara khusus, yaitu:
Untuk uap air
f = koefisien gesek
Dimana, Q = laju aliran
Untuk air
*
Parameter D dikeluarkan secara eksplisit dari persamaan-persamaan di atas untuk memperoleh harga diameter pipa yang harus dipilih.
Untuk semua jenis fluida
*
Kecepatan Aliran yang Diijinkan
Terdapat berbagai situasi yang mensyaratkan kecepatan aliran diatas atau di bawah harga tertentu. Sering dijumpai pada aliran dimana fluida mempunyai fasa lebih dari satu, misalnya cair dan padat, atau gas dan padat
Sebenarnya kecepatan aliran dalam saluran tidak seragam, berubah dari dinding saluran sampai sumbu aliran. Untuk keperluan praktis, harga kecepatan diambil harga rata-ratanya, ditulis sebagai berikut:
*
Untuk cairan
“standard cubic feet/day”
Untuk uap air
pound/jam
*
Hal yang penting untuk diperhatikan adalah aliran udara atau gas bertekanan tinggi yang dialirkan ke tempat yang tekanannya rendah. Jika saluran penghubung pendek, akan terjadi ekspansi dari gas pada jarak yang pendek dengan pressure drop yang besar, dan akan menghasilkan aliran yang sangat cepat (dapat mencapai kecepatan suara).
Untuk pipa sangat pendek, katup atau orifice, kecepatan suara akan tercapai bila tekanan absolute keluar saluran mencapai 50 % dari tekanan absolute inputnya.
Persamaan kecepatan suara di dalam suatu gas:
Dimana, R = konstanta gas T = Temperatur absolut gas
g = gravitasi Vs = Kecepatan suara
*
Kecepatan suara adalah kecepatan maksimum yang dapat dicapai gas di dalam saluran. Karena ekspansi menyebabkan peningkatan kecepatan aliran, maka kecepatan suara akan terjadi di ujung saluran keluar, yaitu pada tekanan terendahnya.
Informasi penting yang harus kita peroleh dari penjabaran ini adalah mengetahui panjang dan diameter pipa agar kecepatan aliran tidak mencapai kecepatan suara
*
*
Grafik diagonal menunjukkan korelasi bila kecepatan aliran keluar saluran mencapai kecepatan suara, sedangkan grafik melengkung menunjukkan korelasi bila kecepatan aliran keluar lebih kecil dari kecepatan suara. Grafik ini berlaku untuk k = 1.3. Untuk k 1.3, koreksi harus dilakukan dengan mengalikan harga P2/P1 dengan faktor koreksi pada tabel berikut
*
Hal lain yang perlu diperhatikan pada kecepatan tinggi adalah tekanan impak apabila aliran melewati belokan atau sambungan Tee. Tekanan impak harus diperhitungkan terhadap kekuatan pipa.
Dimana, Pt = tekanan impak, psi
P = tekanan statik aliran sebelum belokan
V = kecepatan, fps
Sebagai gambaran, bila kecepatan aliran udara 50 fps dan tekanan statik = 100 psi, maka tekanan impak pada belokan adalah Pt = 1007 psi
Dalam appendiks dilampirkan tabel, grafik dan nomogram-nomogram yang penting untuk penentuan diameter pipa, yang diambil dari buku “Optimum Pipe Size Selection”.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*

Optimasi Pemilihan Diameter Pipa

Documents

Transcript of Optimasi Pemilihan Diameter Pipa