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
