Bab 4 membahas aliran fluida dalam pipa, termasuk persamaan kontinuitas dan Bernoulli, karakteristik aliran laminer dan turbulen, serta kerugian tekanan akibat gesekan dan sambungan. Dijelaskan pula kecepatan aliran yang dianjurkan untuk berbagai jenis fluida dan layanan.
Bahan kuliah elemen mesin semester 2 rekayasa manufaktur
Bab 04-aliran-fluida-dalam-pipa
1. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
1
BAB IV
ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
Pressure DropPressure Drop
Aliran FluidaAliran Fluida
Persamaan KontinuitasPersamaan Kontinuitas
Persamaan BernoulliPersamaan Bernoulli
Karakteristik Aliran Di DalamKarakteristik Aliran Di Dalam
Saluran/PipaSaluran/Pipa
Karakteristik Aliran Melalui Sambungan-Karakteristik Aliran Melalui Sambungan-
SambunganSambungan
2. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
2
4.1
Pendahuluan
Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang banyakSistem 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 kemaupun 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
3. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
3
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. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
4
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
5. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
5
• 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
6. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
6
4.4 Persamaan
Kontinuitas
Persamaan kontinuitas diperoleh dari
hukum kelestarian massa yaitu:
222111 VAVA ρρ =
21 mm =
=
=
=
V
A
ρ Massa jenis fluida
Luas penampang aliran
Kecepatan aliran
Dimana
Fluida inkompressibel 21 ρρ =
2211 VAVA =
Catatan : Bidang A dan V harus tegak lurus satu sama lainnya
7. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
7
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?
s
mV
d
d
V
d
d
A
VA
V 85,0
3
12
2
1
2
2
1
12
2
2
1
2
11
2 =
=
===
π
π
8. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
8
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
2
22
1
2
11
22
Z
g
V
g
p
HZ
g
V
g
p
L
ρρ
Dimana: Z = ketinggian
HL= head loss dari titik 1 ke titik 2
9. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
9
Contoh 2
Gambar 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:
m
g
p
gg
p
g
maka
s
m
A
QV
s
m
A
QV
Z
g
V
g
p
HZ
g
V
g
p
B
B
B
A
A
A
B
BB
LA
AA
5,3
5
2
42,1
00
2
66,5
7
:
42,1
)4/6,0.(
4,0
66,5
)4/3,0.(
4,0
22
22
2
2
22
=
++=−
++
===
===
++=−
++
ρ
ρ
π
π
ρρ
10. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
10
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
11. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
11
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
12. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
12
Jenis fluida Kecepatan maksimum
[ft/s]
Uap untuk proses 120 ÷ 150
Slurry 5 ÷ 10
Uap air 100 ÷ 130
Air 6 ÷ 10
Fluida cair 100/ ρ1/2
Kecepatan maksimum aliran fluida dalam pipaKecepatan maksimum aliran fluida dalam pipa
13. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
13
Penggunaan Material Pipa dan Sambungan yang
Dianjurkan
14. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
14
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
15. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
15
Persamaan matematis kerugian tekanan di dalam saluran
sirkuler
=∆
2
2
V
d
l
fP ρ
Hubungan antara head dan tekanan :
hgP ..ρ=
Kerugian head (head loss) :
=∆
g
V
d
l
fh
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
16. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
16
=∆
g
V
Kh
2
2
=∆
2
2
V
Kp ρ
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
17. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
17
Diagram Moody
18. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
18
Grafik Kerugian Head untuk Sistem Pipa
Tertutup
19. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
19
Grafik Kerugian Head untuk Sistem Pipa Terbuka
20. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
20
Nomogram 1. Liquid Pressure Drop for Viscous Flow
21. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
21
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
22. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
22
Persamaan matematis kerugian akibat sambungan (kerugian
minor) dalam sistem pemipaan:
=∆
=∆
2
2
2
2
V
Kp
atau
g
V
Kh
m
m
ρ
Keterangan: K = Koefisien hambatan minor
23. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
23
Resistance Coefficients for Open Valves, Ebow, and Tees
24. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
24
Resistance Coefficients for Expansion and Constractions
25. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
25
Contoh Jenis Sambungan dan Panjang Ekivalennya
26. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
26
Contoh Jenis Sambungan dan Panjang Ekivalennya (Lanjutan)
27. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
27
Special Fitting Losses In Equivalent Feet of Pipe
28. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
28
Representative Equivalent Length in Pipe Diameters (L/D)
29. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
29
4.8 Beberapa Contoh Perhitungan
Karakteristik Aliran Sistem Di Dalam
Sistem Pemipaan
Contoh 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.
30. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
30
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:
ft
g
V
Kh 46,1
4,64
)7,9.(42,0
2
22
==
=
462000Re
1005.1
Re
2
5
=
=
=
−
s
ft
x
VD
υ
υ
Aliran yang terjadi adalah turbulen.
Jika kekasaran pipa 0,0017 maka
dengan mengunakan diagram
Moody diperoleh f = 0,023
31. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
31
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
32. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
32
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
33. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
33
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.
fps
f
g
l
D
pV 4,9
2
=
∆=
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
34. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
34
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.
35. Bab 4 Aliran Dalam Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
35
END OF
CHAPTER IV