Head Loss

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.3 Head Loss

Aliran fluida didalam sebuah pipa dengan bentuk, panjang dan ukuran tertentu akan mengalami perubahan parameter. Perubahan ini dipengaruhi adanya major losses dan atau minor losses. Akibatnya akan ada perbedaan antara disaat awal dan akhir aliran.

2.3.1 Major Losses

Major loss merupakan kerugian yang diakibatkan faktor-faktor besar seperti kekasaran permukaan. Terdapat dua katagori berdasarkan alirannya, yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Pada aliran laminar, penururnan tekanan dapat dihitung secara analitis dengan perhitungan berikut ini :

𝑕_𝑙 = ⁶⁴ 𝑅𝑒 𝐿 𝐷 𝑉2 2

Sedangkan untuk aliran turbulen tidak dapat dilakukan secara analiris karena adanya faktor gesekan, sehingga perhitungannya menjadi :

𝑕_𝑙 = 𝑓^𝐿 𝐷

𝑉2

10 Universitas Indonesia Dimana : hl = head loss Re = Reynold Number L = panjang pipa D = diameter pipa V = kecepatan alir fluida f = friction factor

Friction factor dapat dicari menggunakan diagram Moody yang dipengaruhi oleh nilai Re dan tingkat kekasaran permukaan material.

Gambar 2.4 Moody Diagram

Universitas Indonesia 2.3.2 Minor Losses

Sistem pemipaan membutuhkan banyak fittings, bends, atau perubahan area secara tiba-tiba. Berdasarkan pada alat, minor losses dapat dihitung dengan dua cara,

𝑕_𝑙𝑚 = 𝐾^𝑉

2

2

Dimana K adalah loss coefficient yang telah ditetapkan berdasarkan situasinya, atau menggunakan

𝑕_𝑙 = 𝑓^𝐿𝑒 𝐷

𝑉2

2 Dengan Le persamaan panjang dari pipa lurus. 2.3.2.1 Aliran Masuk dan Keluar

Untuk aliran masuk atau keluar dari pipa memiliki koefisiens minor losses yang telah ditetapkan. Saat perhitungan dapat langsung melihat situasi dan menentukan mana yang paling tepat. Seperti ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut

Tabel 2.1 Minor Loss Coeffisient

2.3.2.2 Pembesaran dan Pengecilan

Pada pembesaran atau pengecilan luas penampang pipa, ada 2 kondisinya. Pertama yaitu secara tiba-tiba,

12

Universitas Indonesia Gambar 2.5 Rugi-rugi Akibat perubahan dadakan

Dipengaruhi perbandingan luas penampang pipa dengan nilai K dilihat dari gambar 2.5

Kondisi kedua yaitu perubahan luas berubah secara bertahap. Pada jenis nozzle dapat memperhatikan tabel. 2.2

Tabel 2.2 Local coeffisien for contractions

Sedangkan untuk jenis diffuser dapat dilihat dari gambar 2.6 dengan 𝐶_𝑝 = ^𝑝₁^1−𝑝2 2 𝜌𝑉1² Dan 𝐶_𝑝𝑖 = 1 − ¹ 𝐴𝑅2 Maka 𝑕_𝑙𝑚 = 𝐶_𝑝𝑖 − 𝐶_𝑝 ^𝑉1 2 2 Dimana Cp = koefisien pemulihan Cpi = koefisien pemulihan ideal

Universitas Indonesia p1 = tekanan dititik 1

p2 = tekanan dititik 2 ρ = massa jenis AR = area ratio

V1 = kecepatan alir dititik 1

Gambar 2.6 Pemulihan Tekanan Untuk Diffuser

2.3.2.3 Pipa Tekuk

Penurunan tekanan dalam pipa tekuk lebih besar dibanding aliran berkembang penuh yang melintasi pipa lurus panjang. Penyetaraan panjang untuk tekukan 90⁰ dengan radius relatif dapat dilihat pada gambar 2.27

14

Universitas Indonesia Gambar 2.7 Representative total resistance (L_e/D)

2.3.3 Penurunan Tekanan Melintas Hamparan

Suatu hamparan partikel-partikel pasir memberikan resistansi terhadap aliran fluida yang melaluinya. Jika kecepatan aliran tersebut dinaikkan, maka gaya seret (drag force) yang terjadi pada partikel-partikel tersebut meningkat. Dengan aliran ke atas melalui hamparan yang tidak tenang, partikel-partikel tersebut menyusun kembali sendiri untuk memberikan lebih sedikit resistansi terhadap aliran fluida dan hamparan akan cenderung untuk mengembang. Dengan menaikkan lagi kecepatan aliran ke atas, berkembangnya hamparan akan terus berlanjut sampai suatu kondisi tercapai yang mana gaya seret yang terjadi pada partikel-partikel cukup untuk menopang berat partikel-partikel dalam hamparan. Sehingga penurunan tekanan melintas hamparan (ΔPb)akan kurang lebih sama dengan berat hamparan per satuan luas.

Persamaan penurunan tekanan melalui distributor melintas hamparan pasir adalah:

 

 

g

h

P_b  _p  _f 

   1

keterangan : ΔPb = penurunan tekanan melewati hamparan ( N/m² ) h = tinggi hamparan pasir ( kg )

ρp = massa jenis partikel pasir ( kg/m³ ) ρ_f = massa jenis fluida udara ( kg/m³ )

Universitas Indonesia  = bed voidage

g = percepatan gravitasi ( m/s² )

2.3.4 Penurunan Tekanan Melintas Distributor

Bila dilihat dari sudut pandang bagaimana udara didistribusikan, maka kebutuhan mendasar adalah merancang suatu distributor sedemikian rupa sehingga udara yang mengalir melewati distributor tersebut mengalami penurunan tekanan yang secukupnya, ΔPD. Jumlah orifis, nozzle, dan sebagainya yang dibutuhkan pada distributor untuk mencapai besar nilai penurunan tekanan ini harus ditentukan dahulu. Kita pertimbangkan dahulu contoh kasus paling sederhana dari sebuah distributor perforated plate. Jika kecepatan udara superfisial dalam windbox atau ruang plenum adalah U_o dan fractional open area dari distributor (yaitu fraksi dari jumlah total luas bukaan pada aliran udara yang melewati distributor) adalah f_oa, maka kecepatan udara rata-rata melewati orifis adalah: oa o or f U U 

Sehingga persamaan penurunan tekanan melalui distributor adalah:

                 2 2 2 _d ^o or f D U C U P 

yang mana ρf merupakan massa jenis udara dan Cd merupakan orrifice discharge coefficient.

Orrifice discharge coefficient bergantung pada bentuk dari lubang distributor (orrifice). Terdapat kemungkinan bahwa udara yang melewati lubang distributor menuju hamparan terfluidisasi (fluidized bed) mengalami penurunan tekanan yang lebih sedikit dari pada yang tanpa ada partikel atau kosong. Untuk lubang bundar bertepi-persegi dengan diameter dor jauh lebih besar daripada ketebalan plat distributor t, Cd dapat ditentukan sebesar 0,6. Untuk t/dor > 0,09, Cd dapat diperkirakan menurut korelasi yang diberikan oleh Qureshi dan Creasy:

16 Universitas Indonesia 13 . 0 82 . 0        or d d t C

Keterangan : ΔPd = penurunan tekanan melewati distributor ( N/m² ) Uo = kecepatan udara superfisial ( m/s )

Uor = kecepatan udara rata-rata melewati orifis ( m/s ) for = fractional open area ( m² )

ρf = massa jenis fluida udara ( kg/m³ ) CD = Orrifice discharge coefficient t = tebal plat distributor ( m )

d_or = diameter orifis pada distributor ( m )

2.3.5 Kebutuhan Draft Fan

Draft sistem adalah perbedaan antara tekanan atmosfer dengan tekanan statis di ruang bakar, saluran gas buang maupun cerobong yang menghasilkan laju aliran tertentu. Secara garis besar, draft sistem mempunyai peranan penting yang sama dalam sistem pembangkit, diantaranya:

a. Untuk menyuplai udara di ruang bakar boiler agar memenuhi kebutuhan untuk pembakaran antara udara dan bahan bakar.

b. Untuk menghilangkan gas buang dari ruang bakar dan mengalirkannya ke cerobong dan atmosfer dengan sempurna.

c. Mengurangi polusi dari fly ash (mempermudah fly ash masuk ke hopper).

Dalam draft sistem tersebut terdapat beberapa fan yang sangat penting bagi proses pembakaran di dalam boiler agar terjadi keseimbangan dan efisiensi. Fan tersebut adalah Primary Air Fan, Force Draft Fan, dan Induced Draft Fan.

Pada penelitian ini jenis yang digunakan adalah induced draft fan yang dipasang didekat cerobong pembuangan hasil pembakaran. Fungsi IDF yaitu untuk mempertahankan tekanan furnace agar bekerja pada tekanan lebih rendah sehingga hasil pembakaran dapat mengalir keluar dengan baik.

Universitas Indonesia Untuk menentukan kapasitas dan daya dari forced draft fan di dasarkan pada pressure drop yang terjadi. Forced draft fan mempunyai efisiensi _𝑓𝑑 % dan motor listrik yang memutarkan kipas forced draft fan mempunyai efisiensi

_𝑚1 % , maka daya motor listrik forced draft fan 𝑃_𝑓𝑑 𝐻𝑃 dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut:

𝑃_𝑓𝑑 = ∆𝑝_𝑏 ṁ 75 𝜌_𝑢 _𝑓𝑑_𝑚1

Dimana :

Δpb = besar penurunan tekanan ṁ = laju aliran massa campuran ρu = massa jenis udara

18