BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA

Transkripsi

1 BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA 4.1 Perhitungan Therminol dari HM Tank (Heat-Medium) di pompakan oleh pompa nonseal kemudian dialirkan melalui pipa melewati dinding-dinding DVD (dowtherm Vacuum Dryer) kemudian kembali lagi ke HM Tank. Proses yang digunakan adalah proses tertutup mengingat cairan yang digunakan bertemperatur tinggi dan mudah meledak. Dari data survey diketahui : 1. Kapasitas aliran (Q) = 4 = 0,00833 m 3 /s = 8,33 lt/s. 2. Pipa yang digunakan adalah pipa baja perdagangan dengan material STPG 37 0-S, Sch. 40. Dengan nilai kekasaran (ε) = 0,046 mm. (Desain Jaringan Pipa Lampiran B ; Diagram factor kekasaran) 3. Standar pipa yang digunakan adalah JIS STPG 370-S. 79

2 80 Pipa Hisap (Suction) Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3 - Inner diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m - Out diameter ( OD ) = 88,9 mm = 0,0889 m - Panjang pipa (L) = mm = 10,325 m Pipa tekan (discharge) Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m - Out diameter ( OD ) = 73,025 mm = 0,0730 m - Panjang pipa (L) = mm mm = mm = 27,751 m Data Fluida - Fluida yang digunakan = Therminol 66

3 81 - Temperature kerja = 100ºC - Viskositas Kinematik ( ) = 3.80 mm 2 /s (cst) = - sp Gr. (100ºC) = kg/m Head Kerugian Mayor 1. Pada pipa hisap Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3 - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m - Panjang pipa (L) = mm = 10,32 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Kekasaran relative (ε / D)

4 82 Bilangan Reynolds maka aliran turbulent. Koefisien gesekan pipa (f atau λ) λ = = = 0,026 Karena pipa telah digunakan bertahun-tahun, maka koefisien gesek pipa bertambah besar menjadi 1,5 sampai 2,0 kalinya. Pada umumnya diambil 1,5 kali, sehingga : f = 0,026 x 1,5 = 0,039 Kerugian gesek

5 83 = 0,9 m 2. Pada Pipa Tekan Pipa berdiameter 65A JIS 20K ~ 2,5 - Inner diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m - Panjang pipa (L) = mm = 27,751 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Kekerasan relative (e/d) Bilangan Raynolds

6 84, maka aliran turbulen. Koefisien gesekan pipa (f atau λ) λ = = = 0,027 Karena pipa telah digunakan bertahun-tahun, maka koefisien gesek pipa bertambah besar menjadi 1,5 sampai 2,0 kalinya. Pada umumnya diambil 1,5 kali, sehingga : f = 0,027 x 1,5 = 0,04 Kerugian gesek = 5,7 m

7 85 Maka kerugian Mayor total adalah : H m total = h f1 +h f2 = 0,9 m + 5,7 m = 6,6 m Head KerugianMinor (h mi ) Pada Pipa Hisap (Suction Pump) 1. Kerugian pada ujung masuk pipa hisap Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3 - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m Dari table koefisien kerugian ujung masuk pipa hisap berbentuk tepitajam sehingga dapat diketahui f = 0.5 (Analisis Dimensional Aliran Pipa, gambar 8.22 ; mekanika fluida jilid 2) Besarnya kerugian, h m1 = f ( )

8 86 2. Kerugian karena belokan elbow 90 Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3, sejumlah 7 buah. - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian didapat : [ ] [ ( ) ( ) ] = 0,29 h m2 = f x h m2 = 0,29 x = 0,05 m h m2 = 0,05 m x 7 = 0,35 m

9 87 3. Kerugian karena Tee Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3, terdapat 1 buah Tee - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian, f = 0,2 (aliran lurus) Besarnya kerugian, h m3 = 0,2 x = 0,034 m h m3 = 0,034 m x 1 = 0,034 m

10 88 4. Kerugian valve globe Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3, sejumlah 2 - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian globe valve 6,5-3, k = 6,12 Besarnya kerugian, h m4 = h m4 = = 6,12 x = 1,04m h m4 = 1,04 m x 2 buah = 2,08 m

11 89 5. Kerugian karena Reducer Ecentric Pada pipa hisap terdapat reducer concentric 3 x2,5, sejumlah 1 Pcs Nilai (v 1 ) pada pipa 3 Pipa berdiameter 80A JIS20K ~ 3 - Inner Diameter (ID) = 76,2 mm = 0,0762 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Nilai (v2) pada pipa 2,5 Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : L = (Teknologi dan perencanaan sistem perpipaan, Raswari. Hal 61) f m =0,315.

12 90 dimana, = 2 tan -1 ( ) = 2 tan -1 ( ) = 2 tan -1 (0,071) = 8,122 rad k m =0,315. = 0,315. = 0,852 Jadi, h m5 = = 0,852. ( ) = 0,852. 0,043 = 0,03 m h m5 = 0,03 m x 1 = 0,03 m Jadi jumlah head losses minor pada pipa hisap adalah : h m(total pompa hisap) = h m1 + h m2 + h m3 + h m4 + h m5 = + 0,35 m + 0,034 m + 2,08 m + 0,03 m = 2,58 m

13 Pada Pipa Tekan (Discharge Pump) 1. Kerugian karena belokan elbow (90 ) 2,5, sejumlah 19 buah. Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian didapat : [ ( ) ( ) ] = 0,29 H m1 = f x H m1 = 0,29 x = 0,29 x = 0,11 H m1 = 0,11 m x 19 = 2,09 m

14 92 2. Kerugian valve globe pada pipa berdiameter 2,5, sejumlah 2 buah Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (v) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian globe valve 6,5-3, k = 6,12 Besarnya kerugian, h m2 = h m2 = = 6,12 x = 2,36 m h m2 = 2,36 m x 2 buah = 4.72 m 3. Kerugian karena Expanser Concentric

15 93 Pada pipa tekan terdapat expanser concentric 2 x2,5, sejumlah 2 Pcs Nilai (V 1 ) pada pipa 2 Pipa berdiameter 50A JIS20K ~ 2 - Inner Diameter (ID) = 50,8 mm = 0,0508 m Kecepatan aliran (V 1 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Nilai (V 2 ) pada pipa 2,5 Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (V 2 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : K m = [ ( { }) ] L = 89 mm = 0,089 m

16 94 (Teknologi dan perencanaan sistem perpipaan, Raswari. Hal 61) = 2 tan -1 ( ) 2 tan -1 ( ) 2 tan -1 (0,07) r = = = 1,25 K m = [ ( { }) ] = [ ( { }) ] = [ { } ] = = = 0,0017 h m3 = = 0,0017 = 0, ,08

17 95 = 0, m h m3 = 0, m x 2 = 0, m 4. Kerugian karena Check Valve Terdapat check valve pada pipa tekan 65A JIS 20K ~ 2,5, sejumlah 1Pcs. Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (V 2 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian, f = 2 (table 8.2 Koefisien kerugian untuk komponan pipa mekanika fluida bruce R. Munson, hal.59) Besarnya kerugian, h m8 =2 = 0,77 m

18 96 h m8 0,77 m x 1 = 0,77 m 5. Kerugian karena Tee Terdapat Tee 65A JIS 20K ~ 2,5, sejumlah Pcs.(asumsi tee yang reduce ke diameter yang lebih kecil dianggap sama) Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (V 2 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian karena tee, f = 0,2 (aliran lurus) (table 8.2 Koefisien kerugian untuk komponan pipa mekanika fluida bruce R. Munson, hal.59) Besarnya kerugian, h m5 = 0,2 x

19 97 = 0,07 m h m5 = 0,07 m x 6 = 0,42 m 6. Kerugian karena Reducer Cocentric Pada pipa hisap terdapat reducer concentric 2,5 x 2, sejumlah 1 Pcs Nilai (V 1 ) pada pipa 2,5 Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (V 2 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Nilai (V 2 ) pada pipa 2 Pipa berdiameter 50A JIS20K ~ 2 - Inner Diameter (ID) = 50,8 mm = 0,0508 m Kecepatan aliran (V 1 ) yang mengalir melalui pipa ini sebesar :

20 98 L = (Teknologi dan perencanaan sistem perpipaan, Raswari. Hal 61) f m =0,315. dimana, = 2 tan -1 ( ) = 2 tan -1 ( ) = 2 tan -1 (0,071) = 8,122 rad k m =0,315. = 0,315. = 0,852 Jadi, h m6 = = 0,852. ( ) = 0,852. 0,089 = 0,075 m h m6 = 0,075 m x 1

21 99 = 0,075 m 7. Kerugian pada keluaran pipa pada pipa 2,5. Pipa berdiameter 65A JIS20K ~ 2,5 - Inner Diameter (ID) = 63,5 mm = 0,0635 m Kecepatan aliran (V) yang mengalir melalui pipa ini sebesar : Koefisien kerugian (f) = 1 (untuk semua jenis keluaran) Besarnya kerugian, h m7 = 1,0 x = 0,39 m h m6 = 0,39 m x 1 = 0,39 m

22 100 Jadi kerugian Head total pada pipa tekan: H total minor discharge = h 1 + h 2 + h 3 + h 4 + h 5 + h 6 + h 6 = 2,09 m + 4,72 m + 0, m + 0,77 m + 0,42 m + 0,075 m + 0,39 m = 8,05 m Head Total yang Dibutuhkan Pompa Head total pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan sejumlah air secara teoritis didapat : H = h a + Δ h p + h 1 + Dimana, h a = Head statis total (m) = 0, karena permukaan sisi hisap dan sisi tekan adalah sama (dalam sistem bolak-balik) Δ h p = Perbedaan head tekanan yang bekerja pada kedua permukaan = 0 h 1 = berbagai kerugian head di pipa, katup, belokan sambungan dan lain- lain (m) = 2,58 m + 8,47 m

23 101 = 11,05 m = Head kecepatan keluar (m) = = = 0,38 m Jadi secara teoritis head total yang dibutuhkan pompa pada gedung pada kondisi operasional adalah : H = h a + Δ h p + h 1 + = 0 m + 0 m + 11,05 m + 0,38 m = 11,43 m NPSH yang Tersedia (NPSHA available) NPSHA adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi hisap pompa, dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair di tempat tersebut. Dalam hal ini temperature operasional sistem dijalankan pada temperature 100ºC. H sv. = Dimana,

24 102 H sv. = NPSH yang tersedia (m) Pa = Tekanan atmosfir (kgf/m 2 ) = 1 atm = 10332,2745kgf/m 2 Pv = Tekanan uap jenuh (kgf/m 2 ) = 0,05 kpa (therminol 66 pada temperature 100ºC) = 5, kgf / m 2 = Berat jenis zat cair per satuan volume (kgf/m 3 ) 955,0 kgf/m 3 (therminol 66 pada temperature 100ºC) h s = Head hisap statis (m) h s adalah (+) jika pompa terletak diatas permukaan zat cair yang dihisap. Dan (-) jika berada dibawah. = 1,8 m - 4,6m = + 1,34 m h is = kerugian head di dalam pipa hisap (m) = 0,9 m + 2,26 m = 3,16 m Secara teoritis dapat dihitung : H sv. =

25 103 H sv. = = 10,81 m + = 8,99 m NPSH yang Tersedia adalah 8,99 m NPSHa = 8,99 m > NPSHr = 2, 69 m (dari data spesifikasi pompa) Jadi pompa pada sistem drying ini dapat memenuhi persyaratan aman terhadap kavitasi Putaran Spesifik N s = Dimana : N = Putaran pompa (rpm) = 3000 Q = Kapasitas aliran (m 3 /min) = (Q) = 30 m 3 /hr = 0,00833 m 3 /s = 8,33 lt/s. = 0,4998 m 3 /min H = Head pompa (m) = 31,79 m

26 104 Dapat dihitung secara teoritis : N s = = = 158,29 Nilai N s adalah 158,29 maka pemilihan jenis pompa volut isapan tunggal. Gb 4.1 Bentuk Impeller Daya Fluida Energi yang secara efektif diterima oleh air dari pompa persatuan waktu disebut daya air. Dapat dinyatakan dengan rumus : Dimana, Pw = Daya air (kw)

27 105 γ = Berat jenis fluida (kgf/lt) = 955,0 kg/m 3 (therminol 66 pada temperature 100 C) = 0,955 kg/l Q = Kapasitas (m 3 /min) = 30 m 3 /hr = 0,5 m 3 /min H = Head total pompa (m) = 11,43 m Jadi, = = 0,89 kw Daya Poros Daya poros yang diperlukan untuk menggerakan sebuah pompa adalah sama dengan daya zat cair ditambah kerugian daya di dalam pompa. P =

28 106 Dimana, = Daya Poros Sebuah Pompa (kw) = 0,89 kw = Efisiensi pompa 50,7 % = 0,507 Jadi, P = = = 1,76 kw Pemilihan Penggerak Mula Daya nominal harus ditentukan untuk daya poros maksimum P dalam daerah kerja normal. Dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut : Pm = Dimana, Pm = Daya nominal penggerak mula (kw) = Faktor cadangan (pecahan), (table 2.28) motor induksi = 0,1-0,2 = Efisiensi transmisi (pecahan), (table2.29) = roda gigi lurus satu tingkat = 0,92-0,95

29 107 Jadi, Pm = = = 2,22 kw 4.2 Analisa Perhitungan Dalam perhitungan head kerugian pipa pada sistem Dowtherm Vacuum Drayer dapat disimpulkan seperti tabel di bawah. Dimana head kerugian mayor dipengaruhi oleh faktor gesekan, panjang pipa, diameter dalam pipa dan kecepatan rata-rata aliran. Sedangkkan head kerugian minor dipengaruhi oleh sambungan pipa (fiiting) seperti elbow, tee, valve, reducer, expanser, ujung masuk pipa dan ujung keluar pipa.

30 108 No Jenis Kerugian Total Kerugian I II Head Kerugian Mayor A Pada Pipa Hisap 80A / L 10,32 m 0.9 m B Pada Pipa Tekan 65A / L 27,751 m 6.6 m Total Kerugian Mayor 7.5 m Head Kerugian Minor A Pada Pipa Hisap 1 Ujung Masuk Pipa Hisap 80A m 2 Elbow 90 80A 0.35 m 3 Tee 80A m 4 Globe Valve 80A 2.08 m 5 Reduccer Ecentric 80x65A 0.03 m Total m B Pada Pipa Tekan 1 Elbow 90 65A 2.09 m 2 Globe Valve 65A 4.72 m 3 Expanser Cocentric 50x65A m 4 Check Valve 65A 0.77 m 5 Tee 65A 0,42 m 6 Reducer Cocentric 65Ax50A m 7 Keluaran Pipa Tekan 65A 0.39 m Total m Total Kerugian Minor m III TOTAL KERUGIAN HEAD m Table 4.1 Rincian Kerugian Head Hasil perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa head kerugian minor lebih besar dibandingkan head kerugian mayor. Hal ini disebabkan karena pengaruh banyaknya asesoris (fitting dan instrument) yang terdapat dalam sistem perpiaan.

31 109 Telah didapat NPSH yang tersedia adalah 8,99 m dan NPSH yang dibutuhkan sebesar 2,69 m. Karena NPSHa > NPSHr maka pemilihan pompa pada sistem ini masih dalam batas aman terhadap kavitasi. Dari hasil perhitungan pompa dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut. 1 Head Kecepatan pada keluaran pipa 0.38 m 2 Head total pompa secara teoritis m 3 Head design pompa 14.5 m 4 NPSH yang tersedia 8,99 m 5 NPSH yang dibutuhkan 2.69 m 6 Putaran Spesifik Daya Fluida 0.89 kw 8 Daya Poros 1.76 kw 9 Pemilihan Penggerak Mula 2.22 kw 4.3 Grafik Hasil Perhitungan 1. Grafik antara Panjang Pipa dengan Head Losses Mayor No Diskripsi Panjang Pipa (m) Head Lose Mayor (m) 1 Pipa Hisap Pipa Tekan Table 4.2 Table hubungan antara panjang pipa dengan head lose mayor

32 110 Panjang Pipa VS Head Lose Mayor Panjang Pipa (m) Head Lose Mayor (m) Gb 4.2 Grafik hubungan antara panjang pipa dengan head lose mayor 2. Grafik antara Panjang Pipa dengan Head Lose Minor. No Diskripsi Panjang Pipa (m) Head Lose Minor (m) 1 Pipa Hisap Pipa Tekan Table 4.3 Table hubungan antara panjang pipa dengan head loses minor 30 Panjang Pipa VS Head Lose Minor Panjang Pipa (m) Head Lose Minor (m) Gb 4.3 Grafik hubungan antara panjang pipa dengan head lose minor

33 Total Koefisien Gesekan Minor VS Minor Lose A Pipa Hisap No Diskripsi Koefisien Gesekan Minor Lose 1 Tee Elbow Ujung Masuk Pipa Hisap Reduccer Ecentric Globe Valve Table 4.4 Table hubungan antara koefisien gesekan minor dengan minor loses (pipa hisap) Koefisien Gesekan Total Koefisien Gesekan Minor VS Minor Lose (Pipa Hisap) Minor Lose (m) Gb 4.4 Grafik hubungan antara total koefisien gesekan minor dengan minor loses (pipa hisap) B Pipa Tekan No Diskripsi Koefisien Gesekan Minor Lose 1 Expanser Cocentric Tee 0.2 0,42 3 Elbow Reducer Cocentric Keluaran Pipa Tekan Check Valve Globe Valve Table 4.5 Table hubungan antara koefisien gesekan minor dengan minor loses (pipa tekan)

34 112 Total Koefisien Gesekan Minor VS Minor Lose (Pipa Tekan) Koefisien Gesekan , Minor Lose Gb 4.5 Grafik hubungan antara total koefisien gesekan minor dengan minor loses (pipa tekan) 4.4 Pembahasan Desain Pipa 1. Standar Desain Dalam mendesain pipa pada project dowtherm vacuum dryer ini merujuk pada standar JIS (Japan Industrial Standards)atau JPI (Japan Petrochemical Industry). 2. Menurut Piping Material Spesification

35 113 Gb 4.6 Piping Material Spesification Untuk pipa yang digunakan dalam service Dowtherm Vacuum Drayer ini telah ditentukan berdasarkan line class pada EFD (Engineering Flow Diagram). Seperti contoh : Line Class : 65-L121-HMLS Dimana, 65 : Dimensi ukuran pipa yang digunakan 65A ~ 2,5 L121 : Line Class 121 HMLS : Menunjukan Service yang digunakan, dalam hal ini HMLS (Heat Medium Liquid) Heat Medium yang digunakan adalah jenis Therminol 66. Dalam Piping Material Spesification telah diketahui : Pipe Mat l : STPG 370-S, SCH 40 Rating : JIS 20K

36 114 Temp. & Press Limit : 350ºC, 26K Service : HMLS, HMLR, dll. 3. Jalur pipa yang akan dibangun akan mengalirkan heat medium atau therminol dimana suhu operating mulai dari 30 ºC ~ 25 ºC. Sehingga dapat berpengaruh terhadap pemuaian panjang pipa. Untuk itu sistem rangkaian pipa yang dibangun, didesain dengan sedikit memperbanyak belokan (elbow) dengan maksud memberikan ruang gerak ekspansi material pipa saat temperatur tinggi.

37 115 Gb 4.7 Foto Lokasi 4. Akses untuk operasi produksi dan pemeliharaan juga dipertimbangkan dalam proses desain pipa pada project ini. Dimana tinggi dari pada pemasangan valve telah disesuaikan dengan tinggi rata-rata operator. Sehingga memudahkan operator dalam melaksanakan tugasnya dan pihak maintenance untuk memudahkan pemeliharaan. Karena area sempit maka pipa juga didesain untuk tidak menghalangi lalu-lalu lintas orang yang lewat. 5. Karena jenis pipa yang digunakan mengalirkan fluida yang sangat panas ~tempt. 100 ºC. Maka pipa menggunakan sistem jacket dimana pipa juga menggunakan pipe shoe.

38 116 Gb 4.8 Pipe Shoe Sesuai dengan ketentuan standar JIS pemasangan sepatu pipa juga telah disesuaikan. Penopang pipa yang digunakan menggunakan UNP dimana menurut kebutuhan berat yang diinginkan telah dapat dipenuhi dengan penggunaan jenis UNP. 6. Karena lokasi sempit dan untuk memenuhi nilai estetika. Maka desain pipa membutuhkan belokan banyak elbow. Sehingga secara ekonomis biaya pengerjaan fabrikasi pipa juga bertambah.