BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada masa sekarang ini, perkembangan industri dan teknologi berkembang dengan sangat pesat, tidak terkecuali pada bidang pengukuran, termasuk pengukuran laju aliran fluida dalam pipa. Salah satu dari berbagai macam metode pengukuran aliran fluida dalam pipa adalah dengan menggunakan Orifice Plate. Laju aliran fluida dalam sebuah pipa penting untuk diketahui, khusus pada industri-industri yang memanfaatkan pipa sebagai media penyalur fluida, sebab dapat mempengaruhi biaya dan proses produksi dari industri- industri tersebut. Pada sebuh plan pembangkit tenaga uap misalnya, aliran fluida, dalam hal ini uap (steam), laju aliran massa atau volum steam sangat penting untuk diketahui, agar jumlah uap yang menumbuk turbin dapat diketahui, sehingga dapat diperkirakan jumlah energi yang seharusnya dihasilkan oleh plan tersebut, dan berguna untuk menghitung kerugian-kerugian pada aliran uap dalam pipa, sehingga dapat dirancang susunan pipa yang menghasilkan kerugian paling sedikit. 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada masa sekarang ini, perkembangan industri dan teknologi berkembang
dengan sangat pesat, tidak terkecuali pada bidang pengukuran, termasuk pengukuran
laju aliran fluida dalam pipa. Salah satu dari berbagai macam metode pengukuran aliran
fluida dalam pipa adalah dengan menggunakan Orifice Plate.
Laju aliran fluida dalam sebuah pipa penting untuk diketahui, khusus pada
industri-industri yang memanfaatkan pipa sebagai media penyalur fluida, sebab dapat
mempengaruhi biaya dan proses produksi dari industri-industri tersebut. Pada sebuh
plan pembangkit tenaga uap misalnya, aliran fluida, dalam hal ini uap (steam), laju
aliran massa atau volum steam sangat penting untuk diketahui, agar jumlah uap yang
menumbuk turbin dapat diketahui, sehingga dapat diperkirakan jumlah energi yang
seharusnya dihasilkan oleh plan tersebut, dan berguna untuk menghitung kerugian-
kerugian pada aliran uap dalam pipa, sehingga dapat dirancang susunan pipa yang
menghasilkan kerugian paling sedikit.
1.2 Perumusan Masalah
Karena kebutuhan alat ukur aliran fluida, yaitu orifice yang khusus untuk sebuah
pipa tertentu, maka penulis mencoba merancang sebuah orifice yang sesuai untuk
kebutuhan tersebut.
Orifice yang akan penulis bahas dan rancang adalah di khususkan pada orifice
berjenis Quadrant edge orifice dan Conical entrance orifice plate.
1
1.3 Tujuan
Tujuan dari perancangan ini adalah:
1. Sebagai syarat kelulusan dari mata kuliah Tugas Perancangan di Jurusan
Teknik Mesin UNDIP.
2. Belajar mengaplikasikan ilmu yang selama ini telah diperoleh dalam
persoalan yang sebenarnya.
3. Belajar merancang orifice plate dan menghitung laju aliran fluida dengan
bantuan orifice plate.
1.4 Metode Pengumpulan Data
Dalam usaha untuk mendapatkan data yang dibutuhkan untuk penulisan dan
perancangan orifice plate ini, penulis melakukan beberapa metode, yaitu:
1. Mencari literatur yang berkaitan dengan topik yang penulis bahas, dari
perpustakaan, maupun berbagai sumber literatur lainnya.
2. Survey langsung dilapangan, berkaitan dengan harga bahan baku pembuatan
orifice, maupun tentang proses kerja orifice.
3. Menggunakan media internet untuk mengumpulkan informasi-informasi
yang berhubungan dengan topik.
1.5 Sistematika Penulisan
Penulisan laporan Perancangan Orifice Plate ini mengikuti sistematika sebagai
berikut:
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
1.2 Perumusan masalah
1.3 Tujuan
2
1.4 Metode Pengumpulan Data
1.5 Sistematika Penulisan
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengertian Orifice
2.2 Macam-macam Orifice
2.3 Prinsip Kerja Orifice
BAB III PERANCANGAN ORIFICE
BAB IV PERHITUNGAN
4.1 Prosedur Pengujian Orifice
4.2 Data Hasil Pengujian
4.3 Pengolahan Data
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
3
BAB II DASAR TEORI
Dasar teori dalam bab ini akan menjelaskan tentang konsep, review tentang
macam-macam orifice dan prinsip dasar orifice. Yang mengetengahkan teori-teori
klasik dasar bidang mekanika fluida. Penjelasan tentang persaman dasar akan mendasari
prinsip-prinsip aliran dalam pipa.
2.1 Pengertian Orifice
Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran volum
atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan prinsip beda
tekanan. Alat ini berupa plat tipis dengan gagang yang diapit diantara flens pipa. Fungsi
dari gagang orifice adalah untuk memudahkan dalam proses pemasangan dan
penggantian. Orifice termasuk alat ukur laju aliran dengan metode rintangan aliran
(Obstruction Device). Karena geometrinya sederhana, biayanya rendah dan mudah
dipasang atau diganti. Gambar 4.1 menunjukkan geometri orifice yang umum
digunakan.
Gambar 2.1 Geometri Orifice plate secara umum
Selain menggunakan orifice, untuk mengukur laju aliran dengan metode
rintangan aliran dapat juga menggunakan nozel dan venturi. Kelebihan dan kekurangan
dari ketiga alat ukur laju aliran tersebut dapat diliha pada Tabel 2.1.
4
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Beberapa Jenis Alat Ukur Laju Aliran
Alat ukur Kelebihan Kekurangan
Orifice
Mudah dalam pemasangan
Biayanya rendah
Mudah dalam penggantian
Head loss tinggi
Akurasi tergantung pada
kondisi instalasi dan
kondisi orifice
Venturi
Head loss rendah
Kapasitas aliran lebih besar dari orifice
pada beda tekanan yang sama
Akurasi tidak tergantung pada pemakaian
dan kondisi instalasi
Biaya awalnya besar
Nozel
Head loss rendah
Kapasitas aliran lebih besar dari orifice
pada beda tekanan yang sama
Akurasi tidak tergantung pada pemakaian
dan kondisi instalasi
Baik untuk temperature dan kecepatan
tinggi
Sulit dalam penggantian
2.2 Macam-macam Orifice
Untuk melayani berbagai jenis aliran dan beraneka ragam fluida, maka terdapat
beberapa jenis orifice plate, yaitu:
2.2.1 Concentric Orifice
Concentric Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak digunakan.
Profil lubang orifice ini mempuyai takik (bevel) dengan kemiringan 45° pada tepi
bagian downstream(lihat gambar di bawah). Hal ini akan mengurangi jarak tempuh
dari aliran tersebut mengalami perbedaan tekanan melintang. Setelah aliran melewati
orifice akan terjadi penurunan tekanan dan kemudian mencoba kembali ke tekanan
semula tetapi terjadi sedikit tekanan yang hilang permanen (permanent pressure loss)
5
sehingga perbedaan tekanan upstream dan downstream tidak terlalu besar.
Perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa dilambangkan dengan “β”.
Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai β yaitu antara 0.2-0.7 karena
akurasinya akan berkurang untuk nilai diluar batas tersebut.
Gambar 2.2 Standard concentric orifice
2.2.2 Counter Bore Orifice
Counter bore orifice pada prinsipnya sama dengan concentric Orifice.
Perbedaanya terdapat pada profil lubangnya, orifice ini tidak mempuyai takik (bevel)
tapi diameter lubangya lebih besar pada bagian downstream daripada diameter
lubang pada bagian upstream (lihat gambar di bawah).
6
Gambar 2.3 Counter bored orifice
2.2.3 Eccentric Orifice
Eccentric orifice mempunyai profil lubang yang sama dengan concentric
orifice. Akan tetapi, pada eccentric orifice lubang tidak terletak tepat di tengah.
Diameter takik (bevel) bagian bawah hampir lurus (98%) dengan diameter dalam
dari pipa (lihat gambar di bawah).
Gambar 2.4 Eccentric orifice
7
2.2.4 Quadrant Bore Orifice
Quadrant bore orifice digunakan untuk mengukur aliran fluida dengan
viscositas tinggi dan direkomendasikan untuk bilangan Reynold di bawah 10000.
Profil dari lubang Quadrant bore orifice dapat dilihat pada gambar di bawah. Radius
“R” merupakan fungsi dari β. Ketebalan orifice sebanding dengan kuadran radius
“R”.
Gambar 2.5 Quadrant bore orifice
2.2.5 Segmental Orifice
Segmental orifice didesain untuk fluida dengan kandungan sedimen yang
tinggi. Profil dari lubang segmental orifice dapat dilihat pada gambar di bawah.
Diameter “D” bagian bawah hampir lurus (98%) dengan diameter dalam dari pipa.
“H” merupakan tinggi dari lingkaran lubang. Rasio β merupakan diameter lubang
“D” dibagi dengan diameter dalam dari pipa. Segmental orifice merupakan jenis
orifice yang paling sulit dalam proses manufaktur,diperlukan proses finishing secara
manual.
8
Gambar 2.6 Segmental orifice
2.2.6 Restriction Orifice
Tujuan dari instalasi Restriction orifice adalah untuk menghasilkan presure
drop yang besar. Restriction orifice biasanya ditunjukkan dengan “RO” atau “FO”.
Restriction orifice dapat menghasilkan pressure drop sampai 50 % untuk fluida gas.
Profil lubang Restriction orifice berbeda dengan orifice yang lain (lihat gambar di
bawah). Profil lubangnya lurus sehingga tekanan yang hilang secara pemanen cukup
besar akibatnya perbedaan tekanan upstream dan tekanan downstream cukup
mencolok.
Gambar 2.7 Restriction orifice
9
Profil tekanan suatu fluida yang melewati orifice flowmeter dan restriction
orifice dapat dilihat pada gambar di bawah ini,
Gambar 2.8 Perbandingan Pressure loss orifice flowmeter dan restriction
Dari gambar di atas tampak bahwa terjadi pressure loss yang lebih besar pada
restriction orifice dibandingkan dengan orifice flowmeter.
2.3 Prinsip Kerja Orifice
2.3.1 Prinsip dan Persamaan Dasar
Orifice merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip beda
tekanan atau disebut juga Bernoulli’s principle yang mengatakan bahwa terdapat
hubungan antara tekanan fluida dan kecepatan fuida. Jika kecepatan meningkat,
tekanan akan menurun begitu pula sebaliknya.
Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian tertentu
(umumnya di tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada orifice
akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal itu menyebabkan terjadinya
10
perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana terjadi kecepatan maksimum dan
tekanan minimum disebut vena contracta. Setelah melewati vena contracta
kecepatan dan tekanan akan mengalami perubahan lagi. Dengan mengetahui
perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada vena contracta, laju aliran
volume dan laju aliran massa dapat diperoleh dengan persamaan Bernoulli. Skema
prinsip kerja orifice dapat dilihat pada Gambar 4.9.
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Orifice
Keterangan :
P1 = tekanan upstream
P2 = tekanan downstream (pada vena contracta)
P3 = tekanan setelah terjadi pemulihan (setelah melewati vena contracta)
D = diameter dalam pipa
d = diameter orifice
11
32
1
P1 P2
D dVena contracta
P3OrificePipa
1. Persamaan Bernoulli
P1+ρ v1
2
2+ρ g h1=P2+
ρ v22
2+ρ g h2
Karena aliran steam pada pipa horisontal maka h1 = h2, sehingga,
P1−P2
ρ g=
v22
2 g−
v12
2 g
Misalkan, h=P1−P2
ρ g
maka, h=v2
2
2 g−
v12
2 g
2. Persamaan Kontinuitas
a1 v1=a2 v2
v1=a2
a1
v2
v12=
a22
a12 v2
2
Subtitusi pesamaan (2) ke persamaan (1),
h=v2
2
2 g−
a22
a12 x
v22
2 g
¿v2
2
2 g (1−a22
a12 )
¿v2
2
2 g ( a12 a2
2
a12 )
12
(1)
(2)
v22=2 gh( a1
2
a12 a2
2 )v2=√2 gh( a1
√a12 a2
2 )3. Menghitung laju aliran volume
V=a2 v2
Substitusi persamaan (3) ke (4), maka,
V=a2 a1
√a12 a2
2√2 gh
Untuk meyederhanakan maka dibagi dengan a1
a1, sehingga laju aliran volume
menjadi,
V=a2
√1−a2
2
a12
√2gh
Substitusikan h=P1−P2
ρ g ke persamaan (5)sehingga menjadi,
V=a2
√1−a2
2
a12
√ 2 g ( P1−P2 )ρ g
V=a2
√1−a2
2
a12
√ 2 (∆ P )ρ
2.3.2 Aliran Inkompresibel Melewati Orifice
13
(5)
(6)
(3)
(4)
Persamaan (6) merupakan persamaan untuk menghitung laju aliran volume
secara teoritik dimana aliran dianggap laminar sempurna dan inviscid (viskositasnya
nol). Akan tetapi dalam kondisi nyata akan muncul pengaruh viskositas dan
turbulensi. Untuk menghitung pengaruh dari kedua faktor tersebut maka
diperkenalkan coefficient of discharge Cd.
Untuk aliran yang melewati orifice, nilai dari Cd tergantung pada bilangan
Reynolds (Re) dan rasio diameter orifice dan diameter dalam dari pipa (β).
Bilangan Reynolds (Re) dirumuskan sebagai berikut,
ℜ= ρ vDμ
= 4 mπμ D
Nilai Cd dapat diperoleh dengan persamaan,
Cd=0.5959+0.0312 β2.1−0.184 β8+ 91.71 β2.5
ℜ0.75
Persamaan tersebut dapat digambarkan alam bentuk grafik pada Gambar
2.10.
14
Gambar 2.10 Diagram Coefficient of Discharge (Cd)
Untuk bilangan Reynold yang besar nilai Cd standar yang sering dipakai
adalah 0.6. Akan tetapi, untuk bilangan Reynold kecil perubahan nilai Cd cukup
signifikan.
Dengan memperhitungkan coefficient of discharge maka persamaan (6) akan
menjadi,
V actual=Cd a0
√1−a0
2
a12
√ 2 (∆ P )ρ
Dengan a0
2
a12 =
d4
D4 maka persamaan menjadi,
15
V actual=Cd a0
√1− d 4
D 4
√ 2 (∆ P )ρ
Diketahui bahwa rasio diameter β= dD
persamaan menjadi,
V=Cd a0 √ 2 (∆ P )ρ (1−β4 )
1
√(1−β4 ) merupakan velocity of approach factor. Coefficient of discharge dan
velocity of approach factor sering dikombinasikan ke dalam satu koefisien yang
disebut flow coefficient K.
K=Cd
√ (1−β4 )
16
(8)
(7)
Nilai K juga dapat diperoleh dari grafik pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Diagram Koefisien Orifice (K)
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa untuk bilangan Reynold Re > 105 nilai
K tidak mengalami perubahan yang signifikan (dinggap konstan). Akan tetapi, untuk
bilangan Reynold kecil terjadi perubahan nilai K yang besar.
Dengan memasukkan persamaan (8) ke persamaan (7), maka persamaan
untuk mencari laju aliran volume dapat disedehanakan menjadi,
V=K a0 √ 2 (∆ P )ρ
Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa adalah sebagai berikut,
m=ρ V
17
(9)
(10)
Dengan substitusi persamaan (7) ke persamaan (10) maka laju aliran massa
menjadi,
m=Cd a0√ 2ρ (∆ P )(1−β4 )
Atau dengan substitusi persamaan (9) ke persamaan (10) maka laju aliran
massa menjadi,
m=K a0√2 ρ (∆ P )
2.3.3 Aliran Kompresibel Melewati Orifice
Persamaan (7), (9), (11), dan (12) merupakan persamaan untuk menghitung
laju aliran inkompresibel yang melewati orifice. Sedangkan untuk aliran kompresibel
ada faktor lain yang berpengaruh yaitu faktor kompresibilitas yang dilambangankan
dengan Y. Faktor kompresibilitas ini muncul karena adanya perubahan densitas
fluida.
Persamaan untuk faktor kompresibilitas adalah,
Y=1−(0.41+0.35 β4) ∆ Pχ P1
Untuk aliran kompresibel yang melewati orifice laju aliran volumenya
menjadi,
V=Cd Ya0 √ 2 (∆ P )ρ (1−β4 )
Atau,
V=K Ya0 √ 2 (∆ P )ρ
Sedangkan untuk persamaan laju aliran massanya menjadi,