MAKALAH INSTRUMENTASI “ORIFICE” Disusun Oleh : Terry Maradesh (18.251070) Nuraini Igrisa Extri Thoulasik (18.251024) INSTITUT TEKNOLOGI YOGYAKARTA PRODI TEKNIK LINGKUNGAN KELAS ALIH JALUR TAHUN 2020 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pendahuluan Dengan adanya perkembangan teknologi yang sangat pesat pada segala bidang, berdampak pula pada bidang pengukuran, termasuk pada pengukuran laju aliran fluida dalam pipa. Salah satu dari berbagai macam metode pengukuran aliran fluida dalam pipa adalah dengan menggunakan Orifice. Laju aliran fluida dalam sebuah pipa penting untuk diketahui, khusunya pada industri – industri yang memanfaatkan pipa sebagai media penyalur fluida, yang dapat mempengaruhi biaya dan proses produksi dari industri – industri tersebut. Penggunaan orifice pada bidang industri, sebagai contoh yaitu pada plan pembangkit tenaga uap. Aliran fluida dalam hal ini uap (steam), laju aliran massa atau volume steam sangat penting untuk diketahui agar jumlah uap yang menumbuk turbin dapat diketahui, sehingga dapat diperkirakan jumlah energi yang seharusnya dihasilkan oleh plan tersebut. Selain itu dapat berguna untuk menghitung kerugian pada aliran dalam pipa, sehingga dapat dirangcang susunan pipa yang menghasilkan kerugian yang paling sedikit. 1.2 Permasalahan a. Apakah yang dimaksud dengan Orifice? b. Bagaiman prinsip kerja Orifice? c. Apa kelebihan dan kekurangan dari Orifice? 1.3 Tujuan a. Untuk mengetahui pengertian dari Orifice b. Untuk mengetahui prinsip kerja dari Orifice c. Untuk mengetahui apa saja kelebihan dan kekurangan dari Orifice BAB II PEMBAHASAN 2.1 Orifice Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran volume atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan dari prinsip beda tekanan. Orifice berupa plat tipis dengan gagang yang diapit diantara flens pipa. Fungsi dari gagang yaitu untuk memudahkan dalam proses pemasangan dan penggantian. Orifice termasuk alat ukur laju aliran dengan metode rintangan aliran (Obstructuin Device), Karena geometrinya yang sederhana, biaya rendah dan mudah dipasang maupun diganti. Gambar 2.1 Orifice Plate Secara Umum 2.2 Prinsip Kerja a. Prinsip Dasar dan Persamaan Orifice menggunakan prinsip Bernoulli yang merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip beda tekanan. Prinsip BernouIli yang menyatakan bahwa aliran aliran dalam pipa memiliki tiga macam energi yang bekerja di dalamnya yaitu energi ketinggian, energi tekanan dan energi kecepatan. Pada umumnya Orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian tertentu (biasanya pada bagian tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada Orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada Orifice, sehingga terjadi 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 kembali. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada Vena Contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa dapat diketahui, dengan persamaan Bernoulli. Berikut prinsip kerja Orifice yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini Pipa P1 D P3 P2 Orifice d 1 Vena contracta 3 2 Gambar 2.2 Prinsip Kerja Orifice Dimana, P1= Tekanan Upstream P2=Tekanan Downsteam (pada vena contracta) P3=Tekanan setelah melewati Vena Contracta D = Diameter Dalam Pipa D = Diameter Orifice 1. Persamaan Bernoulli ρv1 2 ρv2 2 P1 + + ρgh1 = P2 + + ρgh2 2 2 Karena aliran steam pada pipa horisontal maka h1=h2 sehingga... P1 − P2 v2 2 v1 2 = − ρg 2g 2g Misalkan, h = P1 −P2 ρg Maka, h = v2 2 2g − v1 2 2g (1) 2. Persamaan Kontinuitas a1 v1 = a2 v2 a2 v1 = v a1 2 v1 2 = a2 2 a1 2 v2 2 Subtitusi persamaan (2) ke persamaan (1), v2 2 a2 2 v2 2 h= − x 2g a1 2 2g (2) v2 2 a2 2 = (1 − 2 ) 2g a1 2 2 v2 a1 a2 2 = ( ) 2g a1 2 a1 2 v2 2 = 2gh ( 2 2 ) a1 a 2 a1 v2 = √2gh ( √a1 2 a2 2 ) (3) 3. Menghitung Laju Aliran Volume V̇ = a2 v2 (4) Subtitusi persamaan (3) ke persamaan (4), V̇ = a 2 a1 √a1 2 a2 2 √2gh Untuk menyederhanakan maka dibagi dengan a1 a1 , sehingga laju aliran volume menjadi, V̇ = a2 √2gh a 2 √1− 22 (5) a1 Substitusikan h = V= a2 √1 − √ a2 2 a1 2 P1 −P2 ρg ke persamaan (5) sehingga menjadi, 2g( P1 − P2 ) ρg V̇ = a2 a 2 √1− 22 a1 2(∆P) √ ρ (6) b. Aliran Inkompresibel Melewati Orifice Persamaan (6) merupakan persamaan untuk menghitung laju aliran volume secara teoritik dimana aliran dianggap laminer sempurna dan invisit (viskositas=0). Akan tetapi dalam kondisi nyata akan muncul pengaruh viskositas dan turbulensi. Untuk menghitung pengaruh dari kedua faktor tersebut maka terdapat Coefficient Of Discharge (Cd) Untuk aliran yang melewati orifice, Nilai dari Cd tergantung pada bilangan Reynolds (Re) dan rasio diameter Orifice dan diameter dalam pipa (β). Rumus Bilangan Reynolds (Re) sebagai berikut : ρvD 4ṁ Re = = μ πμD Sementara Nilai Cd dapat diperolah dari persamaan, Cd = 0.5959 + 0.0312β2.1 − 0.184β8 + 91.71β2.5 Re0.75 Persamaan diatas dapat digambarkan pada grafik dibawah ini Gambar 2.3 Diagram Coefficient of Discharge (Cd) Untuk bilangan reynold yang besar nilai Cd standar yang sering digunakan adalah 0.6. Tetapi untuk bilangan Reynold kecil perubahan nilai Cd cukup signifikan Dengan meperhitungkan Cd maka persamaan (6) akan menjadi: Cd a0 V̇actual = Dengan √1 − a0 2 a1 2 a0 2 d4 a1 2 √ 2(∆P) ρ = D4 maka persamaan menjadi, V̇actual = Cd a0 4 √1 − d 4 D √ 2(∆P) ρ d Diketahui rasio diameter β = D persamaan menjadi, 2(∆P) V̇ = Cd a0 √ρ(1−β4 ) 1 √(1−β4 ) (7) merupakan velocity of approach factor. Cd dan velocity of approach factor sering dikombinasikan ke dalam satu koefisien yang disebut flow coefficient (K). K= Cd √(1−β4 ) (8) Nilai K juga dapat diperoleh dari grafik dibawah ini. Gambar 2.4 Diagram Koefisien Orifice (K) Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa untuk bilangan Reynold Re > 10 5 nilai K tidak mengalami perubahan yang signifikan (dianggap konstan). Akan tetapi, untuk bilangan Reynold kecil terjadi perubahan nilai K yang besar. Dengan memasukkan persamaan (8) ke (7), maka persamaan untuk laju aliran volume dapat disederhanak menjadi, 2(∆P) V̇ = Ka0 √ ρ (9) sedangkan untuk menghitung laju aliran massa yaitu sebagai berikut: ṁ = ρ V̇ (10) Dengan subtitusi persamaan (7) ke (10) maka laju aliran massa menjadi, 2ρ(∆P) ṁ = Cd a0 √(1−β4 ) (11) Atau dengan subtitusi persamaan (9) ke (10) amaka laju aliran massa menjadi, ṁ = Ka0 √2ρ(∆P) (12) C. 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 kompresibel yang dilambangkan dengan Y. Faktor tersebut muncul karena adanya perubahan densitas fluida. Persamaan untuk faktor kompresibel adalah ∆𝑃 𝑌 = 1 − (0.41 + 0.35𝛽 4 ) 𝜒𝑃1 Untuk aliran kompresibel yang melewati orifice laju aliran volumenya menjadi 2(∆𝑃) 𝑉̇ = 𝐶𝑑 𝑌𝑎0 √ 𝜌(1 − 𝛽 4 ) Atau, 2(∆𝑃) 𝑉̇ = 𝐾𝑌𝑎0 √ 𝜌 Sedangkan untuk persamaa laju aliran massanya menjadi, 2𝜌(∆𝑃) 𝑚̇ = 𝐶𝑑 𝑌𝑎0 √ (1 − 𝛽 4 ) Atau, 𝑚̇ = 𝐾𝑌𝑎0 √2𝜌(∆𝑃) Keterangan : V̇ ṁ P1 P2 ΔP d D = Laju aliran Volume ( m3/s) = Laju aliran massa (Kg/s) = Tekanan upstream (Bar,Pa) = Tekanan Downstream (pada vena contracta) (Bar,Pa) = Beda Tekanan (N/ m2) = Diameter Orifice (m) = Diameter Dalam pipa (m) a0 (m2) a1 ρ K Cd v μ Y χ = Luas penampang orifice = Luas penampang pipa (m2) = massa jenis (Kg/ m3) = Flow Coefficient = Coefficient of Discharge = Kecepatan Fluida (m/s) = Viskositat Fluida (kg/ms) = Faktor Kompresibel = isentropic coefficient ( untuk gas ideal=1.4) D. Permanent Pressure Loss Pemasangan orifice akan menimbulkan terjadinya tekanan yang hilang secara permanen (permanent pressure loss). Besarnya permanent pressure loss dipengaruhi oleh rasio diameter orifice terhadapa diameter dalam pipa(β). Dari graik dibawah ini dapat diketahui permanent pressure loss. Gambar 2.5 Permanent Pressure Loss Dari grafik diatas dapat dilihat besarnya permanent pressure loss dalam % beda tekanan (∆P) untuk beberapa nilai β. 2.3 Perangkat Alat Ukur Orifice Flow Meter Perangkat Alat Ukur Orifice Flow Meter terdiri dari : 1) Plat Orifice dengan diameter tertentu Berfungsi mengalirakan fluida yang akan diukur massa flownya dalam pipa tidak kurang satu inchi. 2) Sepasang lubang tekan, satu terletak di Upstream dan satu lagi di Downstream 3) Manometer dan Thermometer Manometer diperlukan untuk mengetahui tekananan fluida pada upstream dalam menentukan densitas fluida tersebut. Manometer dletakkan setelah separator (pada liquid dominated reservoir), sebelum orifice meter. Disamping itu diperlukan pula sebuah manometer Hg (air raksa) untuk mengetahui selisish 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. 2.4 Jenis Orifice Plate Untuk mengukur berbagai jenis aliran dan fluida maka terdapat beberapa jenis orifice plate sebagai berikut : a. Concentric Orifice Merupakan jenis orifice yang paling banyak digunakan. Profil lubang orifice ini mempunyai takik (bevel) dengan kemiringan 45° pada tepi bagian downstream (lihat gambar). 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. Letak lubang penghalang konsentris dengan penampang pipa. Digunakan untuk mengukur volume gas, liquid dan steam dalam jumlah yang besar. Gambar 2.6 Concentric Orifice b. 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 2.7 Counter Bore Orifice c. 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). Titik pusat lubang penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa. Pemasangan lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika fluida yang diukur membawa berbagai benda padat (solid). Gambar 2.8 Eccentric Orifice d. 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 2.9 Quadrant Bore Orifice e. 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. Segmental orifice plates digunakan terutama pada service yang sama dengan eccentric orifices, sehingga kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama. Gambar 2.10 Segmental Orifice f. 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 2.11 Restriction Orifice 2.5 Kelebihan dan Kekurangan Orifice a. Kelebihan Konstruksi sederhana Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. Harga pembuatan alat cukup murah Output cukup besar Mudah dalam pemasangan Mudah dalam penggantian b. Kekurangan Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet Jangkauan pengukuran sangat rendah Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran menjadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah BAB III KESIMPULAN Kesimpulan dari makalah tentang Orifice sebagai berikut : 1) Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran volume atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan dari prinsip Bernoulli 2) Perangkat Alat Ukur Orifice Flow Meter terdiri dari : a. Plat Orifice dengan diameter tertentu b. Sepasang lubang tekan, satu terletak di Upstream dan satu lagi di Downstream c. Manometer dan Thermometer 3) Terdapat beberapa jenis orifice plate:Untuk mengukur berbagai jenis aliran dan fluida yaitu sebagai berikut: a. Concentric Orifice b. Counter Bore Orifice c. Eccentric Orifice d. Quadrant Bore Orifice e. Segmental Orifice f. 4) Restriction Orifice Selain memiliki kelebihan, orifice juga memiliki kekurangan seperti dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran menjadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer dan tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah REFERENSI https://www.slideshare.net/albertagri/pengukuran-aliran-dengan-plateorifice http://goelanzsaw.blogspot.com/2013/02/plate-orifice.html https://www.scribd.com/document/360127313/Materi-Orifice https://www.academia.edu
