Upload
faris-abdullah
View
128
Download
20
Embed Size (px)
DESCRIPTION
sa
Citation preview
A. PENGERTIANPada 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.
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.
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
B. PRINSIP KERJA1. 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 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)
32
1
P1 P2
D dVena contracta
P3OrificePipa
P3 = tekanan setelah terjadi pemulihan (setelah melewati vena contracta)
D = diameter dalam pipa
d = diameter orifice
a. Persamaan Bernoulli
Karena aliran steam pada pipa horisontal maka h1 = h2, sehingga,
Misalkan,
maka,
b. Persamaan Kontinuitas
Subtitusi pesamaan (2) ke persamaan (1),
(1)
(2)
c. Menghitung laju aliran volume
Substitusi persamaan (3) ke (4), maka,
Untuk meyederhanakan maka dibagi dengan , sehingga laju aliran volume menjadi,
Substitusikan ke persamaan (5)sehingga menjadi,
(5)
(3)
(4)
2. Aliran Inkompresibel Melewati Orifice
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,
Nilai Cd dapat diperoleh dengan persamaan,
Persamaan tersebut dapat digambarkan alam bentuk grafik pada Gambar 2.10.
(6)
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,
Dengan maka persamaan menjadi,
Diketahui bahwa rasio diameter persamaan menjadi,
merupakan velocity of approach factor. Coefficient of discharge dan velocity
of approach factor sering dikombinasikan ke dalam satu koefisien yang disebut flow
coefficient K.
(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,
Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa adalah sebagai berikut,
(9)
(10)
Dengan substitusi persamaan (7) ke persamaan (10) maka laju aliran massa menjadi,
Atau dengan substitusi persamaan (9) ke persamaan (10) maka laju aliran massa
menjadi,
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,
Untuk aliran kompresibel yang melewati orifice laju aliran volumenya menjadi,
Atau,
Sedangkan untuk persamaan laju aliran massanya menjadi,
(11)
(12)
Atau,
Keterangan :
= Laju aliran Volume ( m3/s)
= Laju aliran massa (Kg/s)
P1 = tekanan upstream (Bar,Pa)
P2 = tekanan downstream (pada vena contracta) (Bar,Pa)
ΔP = Beda Tekanan (N/ m2)
d = Diameter Orifice (m)
D = Diameter dalam Pipa (m)
a0 = Luas Penampang orifice (m2)
a1 = Luas penampang pipa (m2)
ρ = massa jenis (Kg/ m3)
K = Flow Coefficient
Cd = Coefficient of Discharge
v = kecepatan fluida (m/s)
μ = viskositas fluida (kg/ms)
Y = faktor kompresibilitas
χ = isentropic coefficient (untuk gas ideal=1.4)
4. Permanent Pressure Loss
Pemasangan orifice akan menimbulkan terjadinya tekanan yang hilang secara
permanen ( permanent pressure loss ). Besarnya permanen pressure loss dipengaruhi oleh
rasio diameter orifice terhadap dimeter dalam pipa (β). Dari grafik pada Gambar 2.12 dapat
diketahui besarnya permanent pressure loss.
Gambar 2.12 Permanent Pressure Loss
Dari grafik di atas dapat dilihat besarnya permanent pressure loss dalam % beda
tekanan (∆P) untuk beberapa nilai β.
C. PERANGKAT ALAT UKUR ORIFICE FLOW METER
Adapun perangkat alat ukur orifice flow meter terdiri dari:
Plat orifice dengan diameter tertentu.
Sepasang lubang / titik, sebuah di up stream dan sebuah lagi di down stream aliran .
Manometer dan thermometer.
1. Plat Orifice
Plat orifice merupakan bagian dari alat orifice meter yang berfungsi mengalirkan fluida
yang akan diukur harga mass flownya. Plat orifice hanya dapat dipakai untuk menentukan aliran
fluida dalam pipa berdiameter tidak kurang dari satu inchi. Plat orifice ada 3 jenis sesuai dengan
fungsinya, yaitu:
a. Square edge: untuk menakar aliran uap atau air.
b. Conical Entrance: untuk mengukur fluida kental (minyak).
c. Quarter Circle: untuk mengukur fluida kental.
2. Lubang Tekanan
Lubang tekanan atau titik tekanan yang sering disebut juga pressure tapping (PT), letaknya
tidak sembarang. Lubang pengambilan beda tekanan biasanya ditempatkan dalam bidang
horizontal dari garis disambung dengan condensing terjadi pada alat ukur sekunder. Dikenal 3
posisi pressure tapping, yaitu:
a. Corner Tapping, jenis ini akan menghasilkan perbedaan tekanan yang terkecil dari
ketiga jenis ini.
b. Dinamo dan D/2 Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan yang besar.
c. Flange Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan diantara kedua jenis
tapping pressure di atas.
3. Manometer dan Thermometer
Manometer diperluan untuk mengetahui tekanan fluida pada up stream dalam menentukan
densitas fluida tersebut. Metode yang diperlukan dalam mengukur dan menunjukan besaran
tekanan adalah tekanan atau gaya per satuan luas bidang, terlebih dahulu diubah kedalam bentuk
gerakan mekanik, kemudian gerak ini dikalibrasikan kedalam skala angka. Manometer ini
diletakkan setelah separator (pada liquit dominated reservoir), sebelum orifice meter. Disamping
itu diperlukan pula sebuah manometer Hg (air raksa) untuk mengetahui selisih tekanan fluida
diantara dua sisi plat orifice.
Temperatur pada pressure tapping up stream perlu diketahui dalam kaitannya untuk
mengetahui densitas dan untuk koreksi plat orifice dan diameter pipa karena adanya ekspansi
panas. Prinsip pengukuran dari thermometer ada dua, yaitu dengan metode pemuaian dan metode
elektris. Dalam metode pemuiaian yang diukur menghasilkan pemuaian. Pemuaian diubah
kedalam bentuk – bentuk gerak mekanik, kemudian dikalibrasikan kedalam angka – angka skala
yang menunjukkan nilai panas yang diukur. Sedangkan metode elektris, panas yang diukur
menghasilkan gaya gerak listrik. Gaya gerak listrik kemudian dikalibrasikan kedalam skala
angka – angka yang menunjukkan nilai panas yang diukur. Dari kedua metode tersebut, yang
umumnya digunakan di lapangan geothermal adalah metode pemuaian, tetapi thermometer tidak
dipasang tepat pada up stream pressure tapping, karena dapat mengganggu sifat aliran fluida
yang masuk atau melalui orifice, oleh karena itu thermometer harus ditempatan di up stream
pada jarak minimal 25 kali diameter pipa dari plat orifice.
D. JENIS ORIFICE PLATE
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) 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).
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
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.
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
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.