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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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)
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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:
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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:
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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.
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Kurva biaya total perfoot panjang pipa per tahun terhadap diameter
pipa
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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:
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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.
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Parameter D dikeluarkan secara eksplisit dari persamaan-persamaan
di atas untuk memperoleh harga diameter pipa yang harus
dipilih.
Untuk semua jenis fluida
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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:
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Untuk cairan
“standard cubic feet/day”
Untuk uap air
pound/jam
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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”.
Bab 5 Pemilihan Diameter Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*