analisis kerugian head pada sistem perpipaan

Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
ISSN 2338-1035
ANALISIS KERUGIAN HEAD PADA SISTEM PERPIPAAN
BAHAN BAKAR HSD PLTU SICANANG MENGGUNAKAN
PROGRAM ANALISIS ALIRAN FLUIDA
Alexander Nico P Sihite, A. Halim Nasution
Departemen 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
223
Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
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].
ISSN 2338-1035
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 2.2 Profil kecepatan pada
saluran tertutup[3]
Gambar 2.3 Profil kecepatan pada
saluran terbuka[3]
Besarnya
kecepatan
mempengaruhi besarnya fluida
akan
yang
224
Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
ISSN 2338-1035
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 140
pipes
130
New steel or cast iron
120
Wood; concrete
110
New riveted steel; verified
100
Old cast iron
80
Very old and corroded cast iron
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].
KEKASARAN
BAHAN
Riveted
Steel
Concrete
Wood Stave
Cast Iron
Galvanized
Iron
Asphalted
Cast Iron
Commercial
Steel or
Wrought Iron
Drawn Brass
or Copper
Tubing
Glass and
Plastic
Ft
m
0,003 – 0,03
0,001 – 0,01
0,0006 –
0,003
0,00085
0,0009 – 0,009
0,0003 – 0,003
0,0005
0,00015
0,0004
0,0001
0,00015
0,000046
0,000005
0,0000015
“smooth”
0,0002 – 0,009
0,00026
“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)
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
Temperature
Kerapatan
Viskositas dinamik
Centipoise
:
:
:
:
C. Fitting
Pipe entry sharp edge:
HSD Fuel oil
20o C
825,9 kg/m3
3,138
1 buah
225
Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
Long bend
Gate valve
Branch Tee
Trough Tee
D. Pompa
Pompa
:
Flow rate, V :
m3/s)
Jumlah pompa
:
:
:
:
ISSN 2338-1035
15 buah
1 buah
3 buah
3 buah
Pompes Guinard
1450 1/min (0,0242
:
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
226
Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
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
ISSN 2338-1035
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
teoritis dan program
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,
Total Minor losses
Teoritis
3,413 m
ralat
perhitungan
Total Minor
losses
Program
3,416 m
Ralat
(%)
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
227
Jurnal
e-Dinamis, Volume 4, No.4 Maret 2013
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.
ISSN 2338-1035
Tabel 4.17 Persen ralat perhitungan
teoritis dan program
Total Minor
Total Minor
Ralat
losses Teoritis losses Program
(%)
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]
[2]
[3]
[4]
White, Frank M. 1988. “Mekanika
Fluida”. Erlangga : Jakarta
Bruce R. Munson, Donald F.
Young, Theodore H. Okii shi.
(2002). Mekanika Fluida jilid I. PT.
Erlangga. Jakarta.
http://matrudian.wordpress.com
Sularso, Haruo Tahara. 2000.
"Pompa dan Kompressor:
Pemilihan, Pemakaian dan
Pemeliharaan". Pradnya Paramitha
: Jakarta
228