51
ANALISIS HEAD LOSSES PADA CIRCULATING FLUIDA AIR DALAM DUA JENIS PIPA
Hablinur Alkindi1*, Hasan Santosa 2, Edi Sutoyo2
1Program Studi Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Fakultas Teknik Dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor
2Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor
ABSTRAK
Dalam dunia industri dituntut untuk selalu meningkatkan performance dalam meningkatkan produk yang dihasilkan, maka dari itu hasil yang diperoleh tersebut tidak terlepas dari mesin atau alat yang menggunakan sistem perpipaan dalam memproses produk yang dihasilkan. Pada instalasi perpipaan banyak dipakai elbow.
Salah satunya berfungsi untuk membelokan arah ditribusi aliran fluida, membagi aliran menjadi bercabang sesuai yang diinginkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh sambungan elbow terhadap koefisien kerugian tekanan akibat adanya elbow aliran fluida yang menyebabkan penurunan unjuk kerja dari suatu system. Dari hasil analisa perhitungan diperoleh nilai head loss mayor bahan galvanis pada bukaan katup 100% sebesar 0,12 m, bukaan katup 75% sebesar 0,07 m dan bukaan katup 50% sebesar 0,03 m. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai head loss mayor bahan PVC pada bukaan katup 100% sebesar 0,21 m, bukaan katup 75% sebesar 0,12 m, dan bukaan katup 50% sebesar 0,05 m. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai head loss minor pada alat uji ini dengan bukaan katup 100% sebesar 0,08 m, bukaan katup 75% sebesar 0,02 m dan bukaan katup 50% sebesar 0,01 m. Semakin besar bukaan katup maka semakin besar nilai head losses mayor maupun head losess minor. Sedangkan untuk pressure drop, semakin besar bukaan katup maka semakin kecil nilai pressure drop pada sistem fluida ini. Daya pompa yang dipakai pada sistem fluida hanya sebesar 7,8 watt.
Kata kunci : air; elbow; debit; koefisien kerugian; perpipaan; pressure drop.
ABSTRACT
In the industrial world, it is demanded to consistently improve performance in improving the products produced. Therefore, the results cannot be separated from the machines or tools using the piping system to process the products. In piping installations, elbows are widely used, one of which diverts the direction of fluid flow distribution, dividing the flow into branches as desired. This study aims to determine the effect of elbow joints on the pressure loss coefficient due to fluid flow elbows which causes a decrease in the performance of a system. From the results of the calculation analysis, the principal head loss value of galvanized material is obtained at 100% valve opening of 0.12 m, 75% valve opening of 0.07 m and 50% valve opening of 0.03 m. From the calculation results, PVC material's primary head loss value at 100% valve opening is 0.21 m, 75% valve opening is 0.12 m, and 50% valve opening is 0.05 m. The calculation results obtained the value of minor head loss in this test equipment with a 100%
valve opening of 0.08 m, 75% valve opening of 0.02 m and 50% valve opening of 0.01 m. The larger the valve opening, the greater the value of significant head losses and minor head losses. As for the pressure drop, the larger the valve opening, the smaller the pressure drop value in this fluid system.
The pump power used in the fluid system is only 7.8 watts.
Keywords : discharge; elbow; loss coefficient; piping; pressure drop; water.
* Penulis korespondensi
Email: [email protected]
Diterima 25 Februari 2023; Disetujui 18 Maret 2023
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 2023
Website: http://ejournal2.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index
52 PENDAHULUAN
Dunia industri sekarang ini memerlukan peralatan kerja yang efektif dan efisien untuk mengurangi biaya operasional dan kerugian yang berpengaruh terhadap debit air. Hal ini dikarenakan sistem penggunaan energi dalam operasi industri.
Salah satu masalah yang paling sering ditemui head pompa yang tidak sesuai, banyaknya percabangan dan tee yang tidak efisien dalam instalasi perpipaan.
Sebelumnya banyak penelitian yang telah dilakukan yang berhubungan dengan pengaruh pola aliran, instalasi perpipaan berupa aliran vertikal ke horizontal melalui elbow dan aliran yang menggunakan reducer dua ukuran intalasi perpipaan. Dalam suatu instalasi perpipaan pasti akan menemukan hambatan aliran, hambatan tersebut diakibatkan oleh banyak faktor- faktor bentuk instalasi. Hambatan aliran akan menyebabkan turunnya energi dari fluida tersebut yang sering di sebut juga dengan kerugian tinggi tekan (head loss). Head loss merupakan pengaruh gesekan fluida (friction losses) dan pengaruh pola aliran terjadi, karena fluida harus mengikuti bentuk dari dindingnya. Dari hasil penelitian- penelitian di atas menjadikan ketertarikan sendiri untuk menganalisis aliran yang terjadi berupa aliran vertikal ke horisontal melalui elbow dan aliran yang menggunakan reducer dua ukuran intalasi. Aliran seperti itu akan mengalami aliran yang berubah-ubah menyebabkan head loss yang berubah-ubah pula.
Maka dari itu pentingnya mengalisis dengan sistem atau instalasi pipa seperti itu.
Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu dinding pipa mencapai maksimum pada tengah- tengah pipa. Kecepatan aliran fluida akan berpengaruh pada besarnya rugi-rugi. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan.
Besarnya kecepatan fluida seperti dinyatakan dalam persamaan 1 akan mempengaruhi besarnya debit 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).
Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, yaitu :
Q = A . v (1)
Dimana : Q = laju aliran fluida (m³/s) A = luas penampang aliran (m²)
v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
METODE PENELITIAN
Penelitian ini berupa rancang bangun, dengan menggunakan metode deskriptif. Desain fluida dapat dilihat pada Gambar 1, dimana ada beberapa part yang ada pada desain system fluida diantaranya ada pompa air, pressure gauge, pressure transmitter, pipa galvanis, pipa PVC, tabung heat exchanger, tangki penampungan air, flow meter, temperature digital controller, heater spiral.
Penelitian ini diawali dengan memahami kebutuhan dari perancangan analisa head losses pada circulating fluida air, setelah itu menganalisis masalah dan pernyataan masalah.
Langkah berikutnya adalah merancangan konsep- konsep produk yang bertujuan untuk mendapatkan spesifikasi yang diinginkan.
Memilih skets yang sesuai dengan efektifitas dan efisiennya perancangan instalasi pipa sirkulasi tersebut. Berikutnya adalah pemberian bentuk skets, detail gambar dan sebagai langkah terakhir adalah rancangan komponen secara keseluruhan.
Pada tahapan selanjutnya dilakukan perbandingan melalui pengujian. Pengujian dalam penelitian analisa head losses pada circulating fluida air pada pipa terhadap 2 jenis ukuran pipa berbeda.
Gambar 1. Desain sistem fluida
Pembuatan rancang bangun kecepatan fluida air dan menganalisa head losses pada circulating air akan mengikuti diagram alur penelitian seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
Flow meter
TC IN TH IN
TH OUT
TC OUT Valve
Valve HE
Cooling water
Hot Water Pump Cold Water Pump
53 MULAI
STUDI LITERATUR
PABRIKASI ALAT
PENGAMBILAN DATA
PERHITUNGAN HEAD LOSS DAN DAYA POMPA
ANALISIS DATA
SELESAI
Gambar 2. Diagram alir penelitian Kerugian Head (Head Loss)
Kerugian head 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.
Head Loss Mayor
Head loss mayor adalah kehilangan tekanan pada aliran air di dalam pipa yang disebabkan oleh gesekan antara air dengan dinding dalam pipa, pada diameter pipa yang sama. Head loss Mayor pada aliran di dalam pipa dapat dicari dengan dua Formula yaitu Formula Darcy- Waisbach dan FormulaHazen-Williams, (persamaan 2).
hl =𝑓𝑓𝐿𝐿 𝐷𝐷
𝑉𝑉2 2𝑔𝑔
(2)
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)
Untuk aliran laminer dan turbulen terdapat rumus yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminer atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds (persamaan 3).
Re =𝑣𝑣𝐷𝐷 𝑣𝑣
(3) Dimana: Re = bilangan Reynolds
v = kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
D = diameter dalam pipa (m) untuk Re < 2300, aliran bersifat laminar untuk 2300 < Re < 4000, aliran bersifat transisi untuk Re > 4000, aliran bersifat turbulen Formula Menghitung Relative Roughness
Kekasaran pipa relatif (persamaan 4) dihitung dengan membagi kekasaran pipa Absolut (epsilon) terhadap diameter pipa.
Kekasaran relati = ε/d (4) Keterangan :
e : epsilon (kekasaran pipa Absolut Darcy- Waisbcah)(millimeter) Lihat Tabel d : diameter pipa (millimeter) Catatan:
koefisien kekasaran pipa Darcy-Waisbcah dan diameter pipa sama-sama dalam satuan millimeter.
Head Loss Minor
Head loss Minor merupakan kehilangan tekanan yang disebabkan oleh aksesoris perpipaan. Formula untuk mencari Head loss Minor hanya untuk aliran turbulen. Koefisien resisten dapat dicari dengan dua cara yang pertama rasio panjang dengan diameter pipa, yang kedua dengan tabel Koefisien resisten aksesoris pipa. Pada umumnya digunakan Tabel nilai "K" (Persaman 5).
(5) Keterangan :
k : koefisien resisten v : kecepatan aliran (m/s)
54 d : diameter pipa (meter)
g : percepatan gravitasi (m/s2) Menghitung Head Loss Total
Head loss total ini didapatkan dari hasil penjumlahan head loss mayor dan head loss minor (persamaan 6).
ΔHltotal = Hlmayor + Hlminor (6) Pressure Drop Pada Pipa
Pressure drop merupakan istilah yang digunakan untuk mendeskripsikan penurunan tekanan dari 1 (satu) titik di dalam sistem (misalnya aliran dalam pipa) ke titik yang lain yang mempunyai tekanan lebih rendah (Persamaan 7).
(7) Keterangan:
P1 : pressure gause (bar) Hltot : head loss total (m) P2 : pressure transmitter (bar) 𝑦𝑦 : berat sesat (Kn/m3) Z1 : tinggi (m)
Z2 : tinggi (m) Daya Pompa
Pompa yaitu suatu alat yang di gunakan untuk memindahkan satu cairan dari satu tempat ke tempat yang lain dengan cara menaikan tekanan cairan tersebut dimana daya pompa dapat ditentukan menggunakan persamaan 8.
(8) Keterangan:
P : daya (watt)
Hltot : head loss total (m) Q : debit air (m3/s) 𝑦𝑦 : berat sesat (kN/m3 )
HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan Head Loss
Penentuan head loss dilakukan dengan alur perhitungan head seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Dari percobaan yang telah dilakukan, didapatkan data berupa perbedaan head tekanan.
Data temperatur fluida yang digunakan pada saat pengujian digunakan untuk menentukan sifat- sifat dari fluida yaitu nilai massa jenis fluida (𝜌𝜌) dan viskositas kinematik yang digunakan bersama dengan data massa fluida yang ditampung selama waktu tertentu untuk mencari kecepatan fluida dan bilangan Reynolds.
Sedangkan data perbedaan tekanan digunakan untuk mengetahui nilai koefisien gesek. Data hasil pengukuran dapat dilihat pada tabel Debit aliran fluida (Q) dan bilangan Reynolds (Re) yang digunakan untuk menentukan rejim aliran transisi yang terjadi pada aliran fluida didapat dari hasil perhitungan, di mana aliran transisi terjadi pada saat bilangan Reynolds berada pada 29932 . Data hasil pengujian adalah seperti ditampilkan pada Tabel 1.
Gambar 3. Alur perhitungan head
Tabel 1. Data hasil pengujian tekanan dan flow rate
Analisis Perhitungan Sistem Fluida
Mayor losses pada penelitian ini diakibatkan oleh gesekan dengan dinding pipa. Mayor losses adalah kerugian tekanan yang diakibatkan oleh adanya gesekan di sepanjang aliran pipa.
Dari hasil perhitugan di dapat nilai bilangan head loss setelah outlet pompa yang berjenis pipa galvanis bukaan katup 100 % sebesar 0,12 m, bukaan katup 75% sebesar 0.07 m , dan bukaan katup 50% sebesar 0,03 m. Nilai bagian bilangan head loss setelah otlet pompa yang berjenis pipa galvanis ini untuk menghitung nilai pressure drop dan daya pompa.
Perhitungan
Kecepatan Perhitungan
Bilangan Reynolds Perhitungan Kekasaran Relatif
Perhitungan Faktor Gesekan Perhitungan Head
Loss Major dan Minor Perhitungan Daya
Pompa
Bukaan
Katup (%) Press (bar)
(sebelum HE) Press (bar)
(setelah HE) Flow Rate (lpm)
100 1,1 1,05 32,1
75 1,1 1,06 24,5
50 1,2 1,09 16,2
𝑃𝑃=ℎ𝑙𝑙𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡⋅ 𝑦𝑦 ⋅ 𝑄𝑄 𝑃𝑃1− 𝑃𝑃2=𝑦𝑦(𝑧𝑧1− 𝑧𝑧2+ℎ𝑙𝑙𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡)
55 Head loss minor adalah kerugian yang
terjadi karena adanya faktor kerugian aliran fluida pada sambungan pipa penampang. Sambungan yang dimaksud adalah seperti penambahan sambungan bends, elbow, fitting, dan perubahan luas penampang secara mendadak (Pritchard, 2011). Tetapi di penelitian ini hanya ada sambungan elbow dan nilai koefien didapat dari tabel 2. Pada alat penelitian ini hanya ada 5 elbow, jadi nilai K = 0,3 x 3 = 0.9.
Tabel 2. Nilai head loss mayor dan minor pada bahan galvani
No Bukaan Katup
(%)
Kecepatan
(m/s) Debit (m3/s) (x10-4)
Head Loss (m) Mayor Minor
1 100 1,05 5,35 0,12 0,08
2 75 0,80 4,08 0,07 0,02
3 50 0,53 2,70 0,03 0,01
Gambar 4. Grafik nilai head losses bahan galvanis terhadap bukaan katup
Dari nilai grafik didapat nilai bagian bilangan head loss mayor setelah pipa galvanis yang berjenis pipa PVC bukaan katup 100% sebesar 0,21 m, bukaan 75% sebesar 0,12 m, dan bukaan katup 50% sebesar 0,05 m. Nilai bagian bilangan head loss bagian pipa PVC ini untuk menghitung nilai pressure drop dan daya pompa. Dan dari hasil perhitugan didapat nilai bagian bilangan head loss minor yang diketahui ada 3 elbow flange 90˚ bukaan katup 100% sebesar 0,08 m, bukaan katup 75% sebesar 0,02 m, bukaan katup 50% sebesar 0,01 m. Hasil perhitungan ini digunakan untuk menghitung nilai daya pompa.
Tabel 3. Nilai head loss mayor dan minor pada bahan No Bukaan PVC
Katup (%)
Kecepatan
(m/s) Debit (m3/s) (x10-4)
Head Loss (m) Mayor Minor
1 100 1,05 5,35 0,21 0,08
2 75 0,80 4,08 0,12 0,02
3 50 0,53 2,70 0,05 0,01
Gambar 5. Grafik nilai head losses bahan PVC terhadap bukaan katup
Nilai Pressure Drop
Pentingnya mengetahui nilai pressure drop untuk istilah yang digunakan untuk mendeskripsikan penurunan tekanan dari satu titik di dalam system ke titik yang lain yang mempunyai tekanan lebih rendah dimana :
•Perhitungan nilai pressure drop bukaan katup 100%
•Perhitungan nilai pressure drop bukaan katup 75%
•Perhitungan nilai pressure drop bukaan katup 50%
Dari hasil perhitungan menentukan nilai pressur drop bukaan katup 100% dan 75% yaitu sebesar 0,05 bar atau 5 kPa, sedangkan nilai pressure drop pada bukaan katup 50% sebesar 0,03 bar. Hasil perhitungan ini sangat masuk akal mengingat instalasi perpipaan tidak terlalu panjang.
Hl =𝑘𝑘𝑣𝑣2 2𝑔𝑔
𝑃𝑃1− 𝑃𝑃2= 1,1 bar−1,05 bar = 0,05 bar
𝑃𝑃1− 𝑃𝑃2= 1,1 bar−1,06 bar = 0,05 bar
𝑃𝑃1− 𝑃𝑃2 = 1,2 bar−1,09 bar = 0,03 bar
56 Nilai Daya Pompa Dan Head Actual Total
Daya Pompa
Nilai daya pompa sangat dibutuhkan dalam alat uji mekanika fluida, karena untuk efesiensi pemakaian energi listrik itu sendiri. Maka dari itu daya pompa harus dicari dengan data-data yang sudah di peroleh. Daya pompa ditentukan melalui persamaan berikut:
= 7,8 𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤
Dari hasil perhitungan dapat ditentukan nilai daya motor yaitu sebesar 7,8 watt. Nilai daya pompa ini yang seharusnya dipakai pada alat pratikum mekanika fluida yang dibuat.
Head Actual Total
Head actual total ditentukan melalui persamaan:
Head actual total = 0,5 m + 1,5 m = 2 m
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Hasil perhitungan diperoleh nilai head loss mayor bahan galvanis pada bukaan katup 100%
sebesar 0,12 m , bukaan katup 75% sebesar 0,07 m dan bukaan katup 50% sebesar 0,03 m. Dari hasil perhitungan juga diperoleh nilai head loss mayor bahan PVC pada bukaan katup 100%
sebesar 0,21 m , bukaan katup 75% sebesar 0,12 m dan bukaan katup 50% sebesar 0,05 m. Dari hasil perhitungan di peroleh nilai head loss minor pada alat uji ini dengan bukaan katup 100%
sebesar 0,08 m , bukaan katup 75% sebesar 0,02 m dan bukaan katup 50% sebesar 0,01 m.
Semakin besar bukaan katup maka semakin besar nilai head losses mayor maupun head losess minor. Dan juga pressure drop, semakin besar bukaan katup maka semakin besar nilai pressure drop pada sistem fluida ini. Daya pompa yang di pakai pada sistem fluida ini sebesar 7,8 watt.
Saran
Perbedaan ukuran pipa perlu dilakukan untuk di jadikan perbandingan. Data akan semakin akurat bila lebih banyak lagi pendukung
percabangan atau sambungan pipa untuk lebih banyak variasi perpipaannnya.
REFERENSI
Ansori, F., & Widodo, E. (2018). Analysis On Centrifugal Pump Performance in Single, Serial, And Parallel. JEMMME (Journal of Energy, Mechanical, Material, and Manufacturing Engineering), 3(2), 79-86.
Haque, M. F., Haider, F., Rahman, A., & Islam, Q. (2010). Study Of Different Types of Valves & Determination of Minor Head Loss for Various Openings of Locally Available Plastic Valve. no. December, 605-608.
Incropera, F. P., & DE Witt, D. P.
(1981). Fundamentals of Heat and Mass Transfer-2nd édition (No. BOOK).
McGovern, J. (2011). Friction factor diagrams for pipe flow.
Munson, B. R., Young, D. F., & Okiishi, T. H.
(2005). Mekanika Fluida Jilid 2. Jakarta:
Erlangga.
Silaen, A. F. (2011). Analisa Karakteristik Pompa Sentrifugal Rangkaian Single, Serie dan Paralel. Vol, 3, 854-858.
Sularso and H. Tahara. (2000). Pompa Dan Kompresor, Jilid 7.
Walski, T. M., Chase, D. V., & Savic, D. A.
(2001). Water distribution modeling.
Widodo, E. (2016). Rekayasa performansi pompa sentrifugal untuk menurunkan head loss. Laporan Akhir Penelitian Dosen Pemula Rekayasa, no. November, Sidoarjo, 3.
Daya Pompa =ρ ⋅g⋅Q⋅H Daya Pompa = 1000kg
m3⋅9,81m
s2 ⋅5,35x10⁻⁴m3
⋅1,5m s
