Kalkulator Aliran Pipa

Analisis aliran pipa sangat penting untuk merancang sistem perpipaan, HVAC, dan industri yang efisien.

Parameter utamanya meliputi:

• laju aliran
• kecepatan
• penurunan tekanan
• regim aliran

Aliran laminer (Re < 2300) dapat diprediksi tetapi jarang terjadi dalam praktiknya.

Aliran turbulen (Re > 4000) adalah hal yang umum dan memberikan pencampuran yang lebih baik.

Zona transisi harus dihindari demi perilaku sistem yang dapat diprediksi.

Laju aliran volumetrik sama dengan luas penampang internal pipa dikalikan dengan kecepatan aliran rata-rata: Q = A x v, di mana A = pi x d^2 / 4. Untuk pipa melingkar dengan diameter internal d dan kecepatan v, ini menjadi Q = (pi/4) x d^2 x v.

Contoh: pipa 50 mm (0,05 m) yang membawa air pada 2 m/s memiliki A = pi x 0,05^2 / 4 = 0,001963 m^2, jadi Q = 0,001963 x 2 = 0,003927 m^3/s, yang setara dengan 3,93 L/s atau sekitar 62 galon AS per menit.

Selalu gunakan diameter internal yang sebenarnya, bukan ukuran nominal pipa, karena ketebalan dinding mengurangi luas aliran.

Dalam satuan SI:

• laju aliran volumetrik diukur dalam meter kubik per detik (m^3/s)
• kecepatan dalam meter per detik (m/s)
• tekanan dan penurunan tekanan dalam pascal (Pa)
• diameter pipa dalam meter

Pascal didefinisikan oleh BIPM dan NIST sebagai satu newton per meter persegi (1 Pa = 1 N/m^2). Teknik praktis lebih menyukai liter per detik (L/s) atau galon AS per menit (GPM) untuk aliran, kilopascal (kPa) atau bar untuk tekanan, dan milimeter untuk diameter.

Konversi yang berguna:

• 1 m^3/s = 1000 L/s
• 1 L/s = 15,85 US GPM
• 1 kPa = 1000 Pa

Bilangan Reynolds dan faktor gesekan Darcy tidak memiliki dimensi, sehingga nilainya sama dalam sistem satuan yang konsisten apa pun.

Bilangan Reynolds adalah rasio tanpa dimensi antara gaya inersia dan gaya viskos, dihitung sebagai Re = (rho x v x d) / mu, di mana rho adalah massa jenis fluida (kg/m^3), v adalah kecepatan (m/s), d adalah diameter internal (m), dan mu adalah viskositas dinamik (Pa.s).

Untuk air pada suhu 20 C, rho adalah sekitar 998 kg/m^3 dan mu adalah sekitar 0,001002 Pa.s.

Contoh: air pada 2 m/s dalam pipa 50 mm menghasilkan Re = (998 x 2 x 0,05) / 0,001002 = 99.600.

Sebagaimana dijelaskan oleh HyperPhysics dari Georgia State University, Re di bawah 2.300 menunjukkan aliran laminer, di atas 4.000 menunjukkan aliran turbulen, dan kisaran di antaranya adalah transisi serta tidak dapat diprediksi.

Penurunan tekanan akibat gesekan pipa ditemukan dengan persamaan Darcy-Weisbach: delta_P = f x (L/d) x (rho x v^2 / 2), di mana f adalah faktor gesekan Darcy, L adalah panjang pipa (m), d adalah diameter (m), rho adalah massa jenis (kg/m^3), dan v adalah kecepatan (m/s). Hasilnya adalah dalam satuan pascal.

Kehilangan tinggi tekanan mengikuti secara langsung sebagai h_f = f x (L/d) x (v^2 / 2g), dengan g = 9,80665 m/s^2 (nilai gravitasi standar yang ditentukan oleh NIST).

Faktor gesekan bergantung pada bilangan Reynolds dan kekasaran relatif; untuk aliran laminer f = 64/Re, sedangkan aliran turbulen menggunakan persamaan Colebrook atau diagram Moody.

Encyclopaedia Britannica mencatat bahwa hubungan ini mendasari hampir semua desain perpipaan hidrolik.

Faktor gesekan Darcy (f) mengkuantifikasi resistensi terhadap aliran dari kekasaran dinding pipa dan gesekan viskos.

Untuk aliran laminar (Re < 2.300), nilainya eksak: f = 64/Re. Untuk aliran turbulen, nilainya bergantung pada bilangan Reynolds dan kekasaran relatif (epsilon/d) serta diselesaikan secara implisit dengan persamaan Colebrook-White, atau dibaca dari diagram Moody.

Kekasaran absolut bervariasi menurut bahan:

• Bahan halus seperti tembaga tarik dan PVC memiliki kekasaran absolut yang sangat rendah (sekitar 0,0015 mm dan 0,0015-0,007 mm)
• baja komersial sekitar 0,045 mm
• besi cor sekitar 0,26 mm
• beton 0,3-3 mm

Pipa yang lebih kasar meningkatkan f dan oleh karena itu memperbesar penurunan tekanan untuk debit aliran yang sama, itulah sebabnya pemilihan bahan sama pentingnya dengan diameter.

Untuk menentukan ukuran pipa, susun ulang Q = (pi/4) x d^2 x v untuk mencari diameter: d = akar(4Q / (pi x v)). Pilih kecepatan target terlebih dahulu, biasanya 1-2 m/s (3-6 ft/s) untuk air guna menyeimbangkan kerugian gesekan terhadap kebisingan dan erosi.

Contoh: untuk mengalirkan 5 L/s (0,005 m^3/s) pada 1,5 m/s, d = akar((4 x 0,005) / (pi x 1,5)) = akar(0,004244) = 0,0651 m, sekitar 65 mm, sehingga Anda akan memilih ukuran standar berikutnya yang lebih besar.

Karena penurunan tekanan berskala kira-kira dengan 1/d^5 pada aliran tetap, memotong setengah diameter mengalikan kehilangan gesekan sekitar 32 kali lipat, menjadikan penentuan ukuran yang benar sebagai keputusan desain terpenting.

Analisis aliran pipa digunakan di berbagai bidang:

• Tukang ledeng dan insinyur bangunan menentukan ukuran saluran pasokan dan drainase untuk memenuhi permintaan perlengkapan tanpa kebisingan berlebihan atau water hammer, mengikuti kode yang diinformasikan oleh ASHRAE.
• Desainer HVAC menghitung aliran air dingin dan loop hidronik untuk memberikan perpindahan panas yang dinilai.
• Insinyur kota memodelkan jaringan distribusi air dan saluran pembuangan untuk tekanan yang memadai dan kecepatan pembersihan mandiri.
• Pabrik proses dan kimia menggunakannya untuk pemilihan pompa, penentuan ukuran katup, dan sistem pelepas pengaman, sering kali merujuk pada metodologi Crane Technical Paper 410.
• Insinyur perlindungan kebakaran menentukan ukuran pipa utama sprinkler untuk aliran dan tekanan sisa yang disyaratkan oleh standar NFPA.

Dalam setiap kasus, perkiraan kecepatan dan penurunan tekanan yang benar mencegah kinerja yang buruk dan pemborosan energi pemompaan.

Sifat fluida mengubah bilangan Reynolds dan penurunan tekanan bahkan ketika kecepatan tetap. Massa jenis (rho) menetapkan suku inersia rho x v^2 / 2 dalam persamaan Darcy-Weisbach, sementara viskositas dinamis (mu) mengatur resistansi viskos dan faktor gesekan.

Air pada suhu 20 C memiliki rho sekitar 998 kg/m^3 dan mu sekitar 0,001002 Pa.s; memanaskannya hingga 60 C menurunkan viskositas menjadi sekitar 0,000466 Pa.s, menaikkan bilangan Reynolds dan mendorong aliran lebih jauh ke dalam rezim turbulen.

Fluida viskos seperti oli SAE 30 memiliki viskositas yang jauh lebih tinggi, sehingga dapat tetap laminar pada kecepatan di mana air bersifat turbulen.

Gas seperti udara dapat dimampatkan dan jauh lebih sedikit padatnya, memerlukan asumsi yang berbeda untuk perhitungan kecepatan tinggi atau jarak jauh.

Beberapa kesalahan umum berulang saat menghitung aliran pipa:

• Kesalahan yang sering terjadi adalah menggunakan ukuran pipa nominal alih-alih diameter internal yang sebenarnya; ketebalan dinding dapat menyusutkan area aliran sebesar 10 persen atau lebih, mengacaukan Q = A x v.
• Lainnya adalah mencampur sistem satuan, seperti memasukkan milimeter ke dalam rumus yang mengharapkan meter, yang mendistorsi area dan bilangan Reynolds.
• Banyak pengguna menerapkan rumus laminar f = 64/Re pada aliran turbulen, atau mengabaikan sambungan dan siku yang menambah kerugian minor di atas gesekan pipa lurus.
• Mengasumsikan sifat fluida konstan sementara suhu bervariasi juga memiringkan bilangan Reynolds dan penurunan tekanan.
• Terakhir, beberapa lupa bahwa penurunan tekanan berskala dengan kuadrat kecepatan dan berbanding terbalik dengan pangkat lima diameter, sehingga perubahan dimensi kecil memiliki efek yang sangat besar.

Selalu konfirmasikan masukan dan satuan sebelum mempercayai hasil.