ANALISIS KERUGIAN HEAD PADA SISTEM PERPIPAAN
BAHAN BAKAR HSD PLTU SICANANG MENGGUNAKAN
PROGRAM ANALISIS ALIRAN FLUIDA
Alexander Nico P Sihite, A. Halim NasutionDepartemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Medan
e-mail: alexander.sihite@ ymail.com ABSTRAK
Fluida merupakan zat alir yang berubah bentuk secara terus menerus bila terkena tegangan geser, berapan pun kecilnya tegangan geser tersebut. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisa dan perhitungan terhadap kerugian head mayor maupun kerugian head minor pada sistem pemipaan. Hasil yang diperoleh dengan menggunakan program analisis aliran fluida pada aliran utama kerugian head mayor sebesar 4,914333 m, kerugian head minor sebesar 3,416810 m. Secara teoritis kerugian head mayor sebesar 4,841 m, kerugian head minor sebesar 3,201 m. Pada aliran stand-by kerugian head mayor sebesar 5,219654 m, kerugian head minor sebesar 3,054823 m. Secara teoritis kerugian head mayor sebesar 5,142 m, kerugian minor sebesar 2,492 m. Dari hasil pembahasan disimpulkan bahwa dalam keadaan steady, panjang pipa berbanding lurus terhadap kerugian head mayor yang dialami pipa. Semakin panjang suatu pipa maka semakin besar pula kerugian head mayor yang dialaminya. Begitu pula dengan kerugian head minor, dalam keadaan steady, total koefisien minor berbanding lurus dengan kerugian head minor yang dialaminya. Semakin besar nilai total dari koefisien minor suatu pipa maka semakin besar pula kerugian head minor yang dialaminya. Kata kunci : kerugian head, mayor, minor, HSD, koefisien gesek.
ABSTRACT
Fluid flow is a substance that continually changes shape when exposed to shear stress, no matter how small the shear stress. The purpose of this research is to analyze and calculation of the head loss in the piping system. The results by using fluid flow program analysis on the main flow, major head loss at 4.914333 m, minor head loss at 3.416810 m. Theoretically, major head loss at 4.841 m, minor head loss at 3.201 m. fluid flow On stand-by, major head losses at 5.219654 m, minor head loss of 3.054823 m. Theoretically, major head loss of 5.142 m, minor head loss of 2.492 m.From the results of the research concluded that in the steady state, the length of the pipe is directly proportional to the head losses major suffered by pipe. The longer the pipe, greater the major head losses they suffered. So it is with minor head loss in steady state, the total coefficient minor is proportional to the minor head loss suffered. The larger total value the coefficient minor of a pipethe greater minor head losses they suffered.
Keywords: head loss, major, minor, HSD, the coefficient of friction.
1. PENDAHULUAN
Pipa merupakan sarana transportasi fluida yang efektif dan efisien. Pipa memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang. Aliran fluida didalam pipa
pada kenyataannya mengalami
penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Viskositas ini menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya menghambat. Untuk melawan gaya geser tersebut
diperlukan energi sehingga
mengakibatkan adanya energi yang hilang pada aliran fluida.
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Fluida
Fluida yg mengalir dalam pipa akan mengalami hambatan berupa gesekan dengan dinding pipa hal ini mengakibatkan berkurangnya laju aliran dan penurunan tekanan. Walaupun dapat terjadi berbagai jenis kehilangan energi gerak, umumnya hambatan yang paling
utama adalah akibat gesekan yang sangat tergantung dari kekasaran dinding pipa. Semakin kasar dinding pipa makin besar terjadinya penurunan /kehilangan tekanan aliran[1].
Bahan bakar solar (High Speed Diesel) adalah bahan bakar minyak hasil sulingan dari minyak bumi mentah bahan bakar ini berwarna kuning coklat yang jernih. Penggunaan solar pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin Diesel dengan putaran tinggi (di atas 1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih[1].
2.2. Kecepatan Dan Kapasitas Aliran Fluida
Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang tidak serius dalam masalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada penampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan[2].
Gambar 2.2 Profil kecepatan pada saluran tertutup[3]
Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka[3]
Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang
mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume (m3/s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s).[2]
Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, yaitu[2]:
Q = A . v (2.1)
Dimana : Q = laju aliran fluida (m3/s)
A = luas penampang aliran (m2)
v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
Laju aliran berat fluida (W) [2] :
W = . A . v (2.2)
Dimana : W = laju aliran berat fluida (N/s) γ = berat jenis fluida (N/m3) Laju aliran fluida massa (M) [2]:
M = ρ . A . v (2.3)
Dimana : M = laju aliran massa fluida (kg/s)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3) 2.3. Kerugian Head (Head Losses)
1. Kerugian Head Mayor
Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head. Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida.
Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan rumus Darcy-Waisbach, yaitu[2] :
(2.11)
Dimana :Hl = kerugian head karena gesekan (m)
f = faktor gesekan
D = diameter dalam pipa (m) L = panjang pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)
g = percepatan gravitasi
(m/ s2)
Faktor gesekan ( f ) dapat dicari dengan menggunakan diagram Moody
Gambar 2.6 Diagram Moody Dimana nilai kekasaran untuk
beberapa jenis pipa disajikan dalam tabel 2.1
Tabel 2.1 Nilai kekerasan dinding untuk berbagai pipa komersil[2].
BAHAN KEKASARAN Ft m Riveted Steel 0,003 – 0,03 0,0009 – 0,009 Concrete 0,001 – 0,01 0,0003 – 0,003 Wood Stave 0,0006 – 0,003 0,0002 – 0,009 Cast Iron 0,00085 0,00026 Galvanized Iron 0,0005 0,00015 Asphalted Cast Iron 0,0004 0,0001 Commercial Steel or Wrought Iron 0,00015 0,000046 Drawn Brass or Copper Tubing 0,000005 0,0000015 Glass and
Plastic “smooth” “smooth” Untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum dapat pula menggunakan persamaan Hazen – Williams, yaitu[4]:
(2.12) Dimana: hf = kerugian gesekan dalam
pipa (m)
Q = laju aliran dalam pipa (m3/s)
L = panjang pipa (m)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams d = diameter dalam pipa (m) Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasatan pipa Hazen-Williams[4]
Extremely smooth and straight pipes
New steel or cast iron Wood; concrete
New riveted steel; verified Old cast iron
Very old and corroded cast iron 140 130 120 110 100 80 2. METODE PENELITIAN 2.3. UMUM
Sistem pipa merupakan bagian utama suatu sistem yang menghubungkan suatu titik ke titik lain dimana fluida disimpan ke titik pengeluaran semua pipa baik untuk memindahkan tenaga atau pemompaan harus dipertimbangkan secara teliti karena keamanan dari suatu sistem pemipaan proses akan tergantung pada susunan perpipaaan seperti halnya pada sistem pemipaan lainnya.
2.4. PENGUMPULAN DATA
Dalam menganalisa aliran fluida dalam pipa data-data yang dikumpulkan adalah: A. Pipa Material : Steel Schedule : Sch. 40 Internal roughness : 0,046 mm Nominal size : 4” Internal diameter : 102,26mm Wall thick : 6,02 mm Outside diameter : 114,3 mm Weight : 16,075kgs/m B. Fluida
Fluida : HSD Fuel oil
Temperature : 20o C
Kerapatan : 825,9 kg/m3 Viskositas dinamik : 3,138 Centipoise
C. Fitting
Long bend : 15 buah
Gate valve : 1 buah
Branch Tee : 3 buah
Trough Tee : 3 buah
D. Pompa
Pompa : Pompes Guinard
Flow rate, V : 1450 1/min (0,0242 m3/s)
Jumlah pompa : 2 buah
2.5. Metode Analisa Dengan
Menggunakan Pipe Flow Expert V 5.12 A. Input data
Data yang diperoleh dari hasil survei kemudian dimasukan kedalam input data pada program pipe flow expert v 5.12, data meliputi :
- Diameter pipa - Kekasaran pipa - Panjang pipa
- Data-data pendukung pipa : valve, fitting, flange, expansion joint,dll
- Nilai elevasi masing-masing komponen - Mechanical properties dari pompa,
nosel, diffuser
- Sifat – sifat fluida : temperatur,
densitas, massa jenis, viskositas,
tekanan dll
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hubungan Panjang Pipa Dan Mayor Losses Pada Pipa Jalur Utama Dari hasil pengujian sebelumnya dapat dibandingkan panjang pipa dengan kerugian head mayor. Panjang pipa mempunyai pengaruh yang besar terhadap kerugian head yang dialami.
Dari grafik diatas hasil yang diperoleh melalui perhitungan teoritis dengan hasil yang diperoleh dari keluaran simulasi tampak berimpit. Dari grafik diperoleh semakin panjang pipa yang digunakan maka semakin besar mayor losses yang dialami pipa tersebut. Berikut grafik batang perbandingan panjang pipa dengan kerugian head mayor:
Gambar 4.5 Grafik batang panjang pipa vs Mayor losses
Dari grafik batang diatas dapat diketahui terdapat perbedaan hasil perhitungan yang sangat kecil. Berikut tabel perbandingan keluaran program komputasi dengan hasil analisa teoritis. Tabel 4.14 Perbandingan hasil teoritis dan simulasi pipa jalur utama
4.3.2 Hubungan Panjang Pipa Dan Mayor Losses Pada Pipa Jalur Stand-By
Dari hasil pengujian sebelumnya, selain pipa jalur utama juga terdapat pipa jalur stand-by yang merupakan aliran pengganti manakala terdapat gangguan pada pipa jalur utama. Hasil yang sudah diperoleh dari keluaran simulasi maupun perhitungan teoritis dibandingkan untuk melihat selisih perbedaan keduanya
Berdasarkan grafik garis diatas, nilai keluaran simulasi dan teoritis tampak
berimpit sehingga perbedaan antara keduanya tidak tampak. Untuk memperjelas visualisasi grafik, berikut grafik batang hubungan panjang pipa dan kerugian head mayor:
Gambar 4.7 Grafik batang panjang pipa vs Mayor losses
Melalui grafik diatas dapat terlihat jelas perbedaan hasil keduanya meskipin perbedaan tersebut terlihat sangat tipis. Berikut tabel perbandingan keluaran program komputasi dengan hasil analisa teoritis.
Tabel 4.15 Perbandingan hasil teoritis dan simulasi pipa jalur stand-by
4.3.3 Hubungan Total Koefisien Minor Dan Minor Losses Pada Pipa Jalur Utama
Setelah nilai kerugian head minor didapatkan pada perhitungan sebelumnya baik secara teoritis maupun melalui keluaran program analisis aliran fluida,
data yang diperoleh menunjukkan suatu hubungan antara total koefisien minor dengan nilai kerugian head minornya. Berikut grafik hubungan total koefisien minor dan kerugian head minor pada pipa jalur utama :
Gambar 4.8 Grafik total koefisien minor vs Minor losses
Dari grafik tersebut tampak bahwa terdapat perbedaan nilai koefisien pada program analisis dengan nilai koefisien yang digunakan peneliti, sehingga menghasilkan nilai kerugian head minor yang berbeda.
Perbedaan tersebut misalnya pada elbow long bend 90o, pada program nilainya 0,27 sedangkan pada tabel 4.6 nilainya 0,23. Pada program yang disebut through tee mempunyai nilai 0,34 sedangkan pada tabel 4.6 mempunyai nilai 0,9. Perbedaan nilai yang dihadirkan keduanya mengakibatkan tidak dapat dilakukan perhitungan ralat pada data. Untuk itu peneliti menghadirkan perbandingan total kerugian head melalui perhitungan teoritis dan keluaran program analisis aliran fluida.
Tabel 4.16 Persen ralat perhitungan teoritis dan program
Total Minor losses Teoritis Total Minor losses Program Ralat (%) 3,413 m 3,416 m 0,088
4.3.4 Hubungan Total Koefisien Minor Dan Minor Losses Pada Pipa Jalur Stand-By
Pada saat terjadi masalah pada aliran pastinya aliran akan diubah melalui jalur
stand-by sehingga sistem tidak terganggu. Setelah mengetahui nilai kerugian head minor pada pipa jalur stand-by melalui teoritis maupun program analisa aliran fluida dapat dilihat perbedaan total kerugian head minor yang terjadi disepanjang pipa. Dari grafik diperoleh semakin besar total koefisien yang dialami suatu pipa maka minor losses yang dialami akan semakin besar.
Berikut grafik hubungan total koefisien minor dengan kerugian head minor pada pipa jalur stand-by :
Gambar 4.9 Grafik total koefisien minor vs Minor losses
Dari grafik ditunjukkan terdapat perbedaan hasil yang diperoleh secara teori dan perhitungan secara teoritis. Hal ini disebabkan oleh perbedaan nilai koefisien yang digunakan. Perhitungan dengan menggunakan program analisa aliran fluida mempunyai nilai koefisien minor yang beragam, yang disesuaikan pada tiap ukuran. Pada tabel koefisien minor hanya terdapat nilai-nilai yang baku tanpa memperhatikan diameter pipanya.
Setelah nilai kerugian head minor diakumulasikan, terdapat perbedaan nilai antara hasil keluaran program dengan perhitungan secara teori. Perbedaan tersebut kemudian akan menghasilkan persen ralat yang menunjukkan sejauh mana perbedaan keduanya. Berikut perbandingan total kerugian head minor pada pipa jalur stand-by antara hasil keluaran program dengan perhitungan secara teoritis.
Tabel 4.17 Persen ralat perhitungan teoritis dan program
Total Minor losses Teoritis Total Minor losses Program Ralat (%) 3,052 m 3,054 m 0,065
Hasil persen ralat yang besar menunjukkan perbedaan nilai koefisien minor pada tabel dengan data pada program sangat berpengaruh terhadap nilai kerugian head minor pada sistem. 5. KESIMPULAN
Dari hasil analisis diperoleh
kesimpulan sebagai berikut :
1. Dalam keadaan steady panjang pipa berbanding lurus terhadap kerugian head mayor yang dialami pipa. Semakin panjang suatu pipa maka semakin besar pula kerugian head mayor yang dialaminya, hal ini disebabkan oleh gesekan pada diameter dalam di sepanjang pipa.
2. Dalam keadaan steady total
koefisien minor berbanding lurus dengan kerugian head minor yang dialaminya. Semakin besar nilai total dari koefisien minor suatu pipa maka semakin besar pula kerugian head minor yang dialaminya, hal ini
disebabkan oleh banyaknya
komponen yang digunakan di
sepanjang pipa.
DAFTAR PUSTAKA
[1] White, Frank M. 1988. “Mekanika Fluida”. Erlangga : Jakarta [2] Bruce R. Munson, Donald F.
Young, Theodore H. Okii shi. (2002). Mekanika Fluida jilid I. PT. Erlangga. Jakarta.
[3] http://matrudian.wordpress.com [4] Sularso, Haruo Tahara. 2000.
"Pompa dan Kompressor: Pemilihan, Pemakaian dan
Pemeliharaan". Pradnya Paramitha : Jakarta
