SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA SISTEM PENCEGAHAN KEBAKARAN PADA BUS DENGAN WATER MIST MENGGUNAKAN PIPE FLOW EXPERT

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015

ISSN : 2302-3805

STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA SISTEM PENCEGAHAN KEBAKARAN PADA BUS DENGAN WATER MIST MENGGUNAKAN PIPE FLOW EXPERT Wahyu Kurniawan G. U.1), Alfan Yuli W.2), Wahyu Dwi W.S.3), Setya W.4), Ery M.5) 1), 2),3)

Teknik Keselamatan Otomotif PKTJ Tegal Teknik Mesin Universitas Indonesia Depok 5) Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Jl. Perintis Kemerdekaan No 17, Tegal Timur, Kota Tegal, Jawa Tengah 52125 Email : [email protected]), [email protected]), [email protected] 3), [email protected]), [email protected]) 4)

Abstrak Dalam penelitian ini water mist digunakan sebagai sistem proteksi terhadap bahaya yang di timbulkan oleh api dengan mekanisme kerja seperti semprotan(spray). Kinerja dari water mist untuk mendapatkan droplet yang sesuai dengan karakteristik nozzle, dipengaruhi oleh tekanan dan flow rate yang dihasilkan oleh pompa. Kondisi lingkungan dalam pipa juga turut berpengaruh terhadap output yang dihasilkan nozzle. Untuk menguji efektifitas kinerja water mist terhadap pemadaman kebakaran, dilakukan percobaan pemadaman dengan menggunakan model kabin penumpang pada kendaraan bus. Hasilnya water mist efektif memadamkan api pada model kabin bus dengan waktu pemadaman 21,30 detik pada ketinggian 174cm. Untuk dapat diaplikasikan pada kondisi bus yang sebenarnya, kebutuhan flow rate dan tekanan perlu dipenuhi agar sistem pemadaman dapat bekerja dengan baik. Dalam penelitian ini disimulasikan karakteristik aliran fluida yang terjadi pada saat sistem aktif di kondisi keadaan yang sebenarnya dengan mengggunakan Software Pipe Flow Expert. Dari hasil simulasi diperoleh spesifikasi pompa dan pipa yang sesuai untuk diaplikasikan pada sistem pemadam kebakaran berbasis water mist pada kendaraan yang sesungguhnya. Dibutuhkan pompa dengan tekanan minimal 5 bar dengan flow rate 28,47 L/min agar sistem dapat bekerja dengan optimal. Sehingga, untuk memenuhi kebutuhan flow rate, digunakan 9 pompa dengan tekanan 5 bar dan flow rate 3,3L/min yang disusun secara paralel. Kata kunci: Simulasi, kebakaran, water mist, aliran fluida 1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Masalah Sistem Pemadam Kebakaran selama ini menjadi kebutuhan utama baik pada bangunan maupun pada obyek yang berpotensi terjadi kebakaran. Untuk

bangunan sudah memiliki standard regulasi yang harus diterapkan untuk meminimalisir kerugian yang ditanggung akibat terjadinya kebakaran. Namun, untuk kendaraan bermotor yang beroperasi di jalan raya juga memiliki potensi kebakaran. Saat ini belum ada sistem khusus yang menangani secara khusus ketika terjadi kebakaran pada kendaraan. Pemadaman hanya dilakukan secara manual dengan rentang waktu antara terjadinya kebakaran dengan pemadaman yang lama. Sehingga, pemadaman cenderung terlambat dan kendaraan sudah terbakar. Padahal di Indonesia sendiri telah terjadi banyak kasus kebakaran. khususnya kendaraan bus. Salah satunya yaitu Bus TransJakarta yang terbakar di depan Bundaran Hotel Indonesia Jakarta pada bulan Juni 2012 dan merusak seluruh interior bus[1]. Juga 9 kasus kebakaran lain yang menimpa bus TransJakarta sepanjang tahun 2014[2]. Kebakaran bus ini mirip dengan kebakaran pada bangunan. Ada tiga tahapan dari fase pembentukan api yaitu pertumbuhan, perkembangan dan fase pada saat api padam. Beberapa metode pemadaman dapat dapat menjadi pilihan untuk diterapkan sebagai sistem pemadam kebakaran pada kendaraan. Metode tersebut antara lain adalah dengan cara Pendinginan, Pengambilan Oksigen, Penghilangan Bahan Bakar, Penghambatan Reaksi Kimia, Flame Blow-Out[3]. Penggunaan water mist sebagai metode pemadaman tidak lepas dari aliran fluida yang akan dipompakan kemudian dialirkan melalui pipa-pipa dan keluar melalui nozzle berupa water mist[4]. Dibutuhkan perhitungan mengenai kebutuhan yang harus dipenuhi untuk mendapatkan kondisi yang diinginkan. Selanjutnya perlu dilakukan simulasi untuk mengetahui apakah hasil perhitungan dapat langsung diterapkan pada sistem atau butuh perubahan. Simulasi dilakukan menggunakan Software Pipe Flow Expert. 1.2 Tujuan penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mensimulasikan Aliran fluida yang berlangsung di dalam pipa selama sistem aktif dan proses pemadaman terjadi. Serta mendapatkan spesifikasi pompa yang harus digunakan

4.6-25


ISSN : 2302-3805


agar kebutuhan pembentukan droplet secara sempurna dapat terpenuhi. 1.3 Metode Penelitian Sebelum disimulasikan menggunakan Pipe Flow Expert, telah dilakukan eksperimen pengambilan data guna mengetahui efektifitas pemadaman menggunakan water mist. Dalam eksperimen yang dilakukan, hanya digunakan sample kabin berukuran 195 cm x 89 cm x 123 cm. Ukuran tersebut mewakili satu deret kursi penumpang dalam kendaraan bus. Mengacu pada hasil eksperimen yang telah dilakukan. Akan disimulasikan menggunakan ukuran kabin bus secara penuh. Dengan kebutuhan nozzle yang lebih banyak akankah berpengaruh pada kebutuhan flow rate yang harus dipenuhi agar sistem dapat bekerja dengan baik. Sehingga dari hasil simulasi diharapkan mampu menggambarkan karakteristik fluida yang berlangsung di dalam sistem dan spesifikasi pompa yang harus digunakan untuk memenuhi kondisi tersebut. 2. Pembahasan 2.1 Kebakaran Dalam pedoman penanggulangan bahaya kebakaran, kebakaran adalah suatu peristiwa yang disebakan dari api yang tidak dapat dikendalikan atau dikuasai baik besar maupun kecil, sengaja maupun tidak dan menimbulkan kerugian harta benda, cacat bahkan korban jiwa manusia. Menurut National Fire Protection Association ( NFPA ) sendiri, kebakaran merupakan peritiwa oksidasi dimana bertemunya 3 buah unsur, yaitu bahan yang dapat terbakar, oksigen yang terdapat di udara dan panas yang dapat berakibat menimbulkan kerugian harta benda atau cidera atau bahkan kematian manusia. Terdapat beberapa peristiwa yang mengakibatkan terjadinya kebakaran adalah sebagai berikut : 1. Nyala api dan bahan-bahan yang pijar 2. Percikan api 3. Terbakar sendiri 4. Reaksi kimiawi 5. Peristiwa-peristiwa lain 2.2 Water mist Water mist adalah sistem proteksi terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh api dengan mekanisme kerja seperti semprotan (spray) air, dimana ukuran dropletnya lebih kecil dari 1000 μm (microns)[5]. Istilah water mist di ambil dari National Fire Protection Association Committee, NFPA 750, Standard for Water mist Fire Protection Systems 2000 edition, sistem pemadaman kebakaran dengan menggunakan water mist telah menunjukkan efektivitas yang baik dan bisa diaplikasikan untuk berbagai jenis kebakaran, selain itu penggunaan water mist tidak menyebabkan masalah lingkungan karena tidak beracun[6]. Water mist telah banyak telah didefinisikan sebagai spray air di mana:

1. 99% dari volume tetesan dengan diameter di bawah 1000 μm (Dvorjetski dan Greenberg, 2004; Heskestad, 2003; NFPA 750,2003). 2. Diameter rata-rata adalah 80-200 μm dan 99% dari volume di bawah 500 μm diameter (Grant et al, 2000.)atau 3. Ukuran tetesan rata-rata di bawah 100μm (Lentati dan Chelliah, 1998). Definisi ditujukan untuk membedakan sistem air kabut dengan sprinkler, diidasarkan pada ukuran tetesan[5]. 2.3 Pipe Flow Expert Pipe Flow Expert adalah software windows yang digunakan untuk merancang, menganalisa, dan memecahkankan masalah jaringan pipa. 2.4 Penentuan Tekanan Spray Nozzle Tekanan yang dibutuhkan pada spray nozzle untuk menghasilkan water mist adalah lebih dari 4,5 bar[7]. 2.5 Setup Eksperimental Tujuan dilakukanya eksperimen ini adalah untuk menguji efektifitas pemadaman menggunakan water mist pada kabin bus. Eksperimen dilakukan menggunakan model kabin bus. Model kabin memiliki dimensi 195 cm x 89 cm x 123 cm. Ukuran tersebut mewakili satu deret kursi penumpang pada kendaraan bus dengan skala 1:1. Dalam model tersebut digunakan satu buah nozzle dengan spesifikasi yang sesuai untuk fire suppression dengan ketentuan memiliki droplet dengan ukuran <1000 μm[8]. Untuk menciptakan droplet dengan ukuran tersebut, selain dibutuhkan nozzle yang sesuai, pompa juga menentukan droplet yang akan dihasilkan. Pompa harus mampu memenuhi kebutuhan tekanan untuk menghasilkan droplet yang di inginkan. Tekanan minimum pompa yang dibutuhkan adalah 4,5 bar[7]. Dalam eksperimen ini digunakan pompa merk Bosch tipe O-580-254-044 dengan tekanan 5 bar dan flow rate 200 L/hour[10]. Jarak nozzle dari titik api diambil 174 cm, yang merupakan jarak terjauh di dalam kabin bus. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi apabila munculnya api berasal dari titik tersebut. Oleh karena itu juga dilakukan variasi jarak sumber api dari nozzle untuk mengetahui apakah terdapat perbedaan waktu pemadaman jika jarak antara titik api dengan nozzle divariasikan. Adapun prosedur untuk pengambilan data ditunjukkan oleh Gambar 1.

4.6-26


ISSN : 2302-3805


Gambar 1.Set Up Eksperimen Pengambilan Data Setelah dilakukan percobaan pemadaman menggunakan material kain perca, didapatkan data seperti pada Tabel 1. Tabel 1.Data Percobaan efektifitas Pemadaman. Jarak Sumber Waktu Luas No Api Dari Nozel Pemadama Bidang Api . (cm) n (cm ) 1 174 21,30 15x21 2

150

18,85

15x21

3

125

07,88

15x21

4

100

06,93

15x21

Dari data hasil percobaan pada Tabel 1 diketahui bahwa water mist efektif digunakan sebagai pemadam kebakaran pada kendaraan bus. Kondisi tersebut berlaku jika hanya menggunakan satu nozzle. Jika akan di aplikasian pada kendaraan yang sebenarnya, bidang yang di cover menjadi lebih luas. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan tentang perpipaan dan aliran fluida yang terjadi di dalam sistem. Untuk perhitungannya akan digunakan Software Pipe Flow Expert. Software tersebut mampu memperhitungkan flow rate, tekanan, dan head loss yang terjadi di dalam sistem. Dari hasil simulasi akan didapatkan gambaran tentang spesifikasi pompa yang harus digunakan dan kondisi di dalam pipa selama sistem berlangsung.

Gambar 2.Piping Diagram Fire Protection Berdasarkan Gambar 2, perkiraan jumlah nozzle yang dibutuhkan untuk ruang penumpang adalah 16 nozzle. 2.7 Perhitungan Kebutuhan Diameter Pipa Pemilihan Diameter pipa berdasarkan kecepatan aliran maksimum yang diijinkan sesuai standar. Batas kecepatan maksimum aliran air dalam pipa adalah 0,5 – 2,5 m/s[5]. Rumus keseimbangan aliran massa : = . (1) Dengan menggunakan persamaan (1), bisa dihitung kebutuhan diameter pipa di ruang penumpang. 2.8 Simulasi Aliran Fluida Simulasi dilakukan menggunakan software Pipe Flow Expert. Data input yang digunakan adalah tekanan pompa, tabel tekanan dan flow rate nozzle, diameter & material pipa, jumlah & jenis fitting, dan ketinggian pipa. Untuk pengaplikasian pompa pada rangkaian simulasi akan ditunjukkan pada Gambar 3.

2.6 Desain Piping System pada Bus Bagian bus yang perlu diberi fire protection adalah ruang penumpang. Dengan mengetahui sudut spray dari nozzle yang dibutuhkan untuk mengcover semua bidang kabin bus yaitu 1100[7], maka dapat diperhitungkan berapa nozzle yang harus digunakan. Pada Gambar 2 digambarkan lokasi peletakan nozzle. Gambar 3.Pemodelan Pompa Gambar 3. menunjukkan cara pemodelan pompa, input yang akan digunakan adalah tekanan sehingga Fixed Head Increase di set pada angka 5 bar. Pompa berada pada awal pipa sehingga angka Along Pipe di set pada titik 0 m. Ketinggian peletakan pompa juga akan mempengaruhi output yang dihasilkan pompa sehingga pompa diletakkan pada ketinggian 0 m. Gambar 4 menampilkan pilihan material pipa yang dapat dipilih untuk digunakan dalam piping diagram. 4.6-27

ISSN : 2302-3805

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015 STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

dari spesifikasi nozzle adalah flow rate dan pressure maka variabel yang diisikan adalah flow rate dan pressure pada Curve Loss. Kurva perbandingan antara tekanan dengan debit pada nozzle ditunjukan oleh Gambar 6. Pressure

6 4 2 0

0

0,5

1

1,5

2

Flow Rate Nozzle Increase Curve Gambar 4.Pemodelan Material dan Ukuran Pipa Selain material pipa, pada Gambar 4 juga menampilkan karakteristik pipa seperti ukuran dan kelasnya. Tiap jenis material pipa memiliki nilai roughness yang berbeda. Pemilihan pipa didasarkan pada kebutuhan penggunaan. Jika digunakan untuk Car Fire Safety dipilih bahan dari logam karena pada sistem perpipaan ada kemugkinan akan terjadi kontak dengan api saat terjadi kebakaran sehingga pipa tidak akan leleh terbakar. Pipa tersebut akan mengalirkan air yang akan dikeluarkan melalui lubang orifice nozzle. Lubang orifice memiliki diameter yang sangat kecil. Untuk menghindari penyumbatan pipa akibat karat yang ada di dalam pipa, digunakan bahan yang memiliki ketahanan terhadap karat. Pipa logam galvanis dipilih dengan pertimbangan kedua alasan tersebut. Pipa logam galvanis memiliki nilai roughness 0,1500 mm. Setelah pemilihan pipa langkah selanjutnya adalah memasukan item nozzle pada sistem. Adapun form input seperti terdapat pada Gambar 5.

Gambar 6.Kurva Pressure & Flow Rate pada Nozzle Selanjutnya, belokan dan percabangan pipa akan dimasukkan juga sebagai input berupa Fitting. Karakteristik tiap-tiap fitting ditunjukkan oleh Gambar 7.

Gambar 7. Pemodelan Fitting Pemasangan fitting pada sambungan pipa akan menambah kerugian pada aliran akibat friksi yang terjadi antara aliran dengan sambungan. Sehingga pada simulasi jumlah dan pemasangan fitting sangat diperhitungkan. Nilai K pada tiap jenis fitting pada tiap ukuran berbeda. Oleh karena itu, tiap jenis fitting yang dipasang pada sistem perpipaan harus dimasukkan sebagai input untuk menghitung kerugian pada sistem perpipaan. Selanjutnya adalah mengatur tinggi dan panjang pipa. Adapun cara input ketinggian dan panjang pipa ditampilkan pada Gambar 8.

Gambar 5.Pemodelan Nozzle Pada gambar 5. terdapat data nozzle yang diinputkan sebagai Component Pressure Lost. Angka tersebut merupakan data flow rate dari nozzle sesuai dengan spesifikasi jenis nozzle. Karena output yang diketahui

4.6-28

Gambar 8.Pemodelan Ketinggian Pipa


ISSN : 2302-3805


Panjang pipa diatur pada kolom Length, untuk ketinggian pipa yang diubah adalah item Node dengan mengatur Elevation of Join. Setelah semua input dimasukkan dan data diproses, hasil simulasi seperti ditunjukkan oleh Gambar 9.

Gambar 9.Iustrasi Flow Rate Hasil Simulasi Dari hasil simulasi didapatkan ilustrasi flow rate yang mengalir pada pipa berupa perubahan warna pada pipa. Pada Gambar 9 terlihat perbedaan warna pipa yang menandakan terdapat perbedaan flow rate yang mengalir di dalamnya. Gambaran karakteristik fluida yang mengalir di tiap section ditunjukkan pada Gambar 10 berikut.

Gambar 10.Karakteristik fluida yang mengalir pada pipa setelah pompa. Gambar 10. menunjukkan hasil simulasi yang dilakukan dengan Pipe Flow Expert. Bagian tersebut adalah daerah sekitar pompa atau setelah pompa. Dari simulasi tersebut didapatkan kondisi fluida di pipa 1 yang merupakan bagian setelah pompa. Pada pipa 1 menggambarkan flow rate yang terjadi pada sistem. Dari simulasi tersebut flow rate yang keluar dari pompa dan didistribusikan ke nozzle adalah 28,47 L/min, dengan tekanan 4,9039 bar. Selanjutnya untuk karakteristik fluida pada nozzle ditunjukan oleh Gambar 11.

Gambar 11.Karakteristik Fluida Pada Nozzle yang Paling Jauh dari Pompa Berdasarkan Gambar 11 dapat diketahui bahwa tekanan yang sampai pada nozzle yang terletak paling jauh dari pompa adalah 4,8962 bar, dengan flow rate 1,78 L/min. Laporan singkat hasil simulasi di tampilkan berupa Log Summary seperti pada Gambar 12.

Gambar 12.Log Summary Hasil Simulasi. Pada Gambar 12 Log Summary simulasi tersebut menunjukkan tidak ada peringatan ataupun masalah dalam sistem. Semua jaringan telah terselesaikan. Dari simulasi diperoleh bahwa kebutuhan pompa untuk memenuhi kebutuhan nozzle adalah 5 bar, dengan flow rate 28,47 L/min. Kecpatan maksimum fluida dalam pipa adalah 0,499 m/s. Masih dalam kecepatan aman untuk air yang mengalir di dalam pipa[9]. Tekanan pada nozzle yang terletak paling jauh dari pompa adalah 4,8962 bar. Jadi, kondisi tersebut mampu menciptakan water mist dengan sempurna karena tekanan yang sampai pada nozzle lebih dari 4,5 bar. Namun, pada pompa yang digunakan hanya memiliki flow rate 3,3 L/min. Maka dari itu dibutuhkan 9 pompa dengan tekanan 5 bar dan flow rate 3,33 L/min untuk memenuhi kebutuhan semua nozzle. Pompa disusun secara paralel untuk memenuhi kebutuhan flow rate. Pada Gambar 13 ditampilkan beberapa spesifikasi untuk

4.6-29


ISSN : 2302-3805


beberapa pompa dengan merk Bosch yang dapat menjadi referensi untuk digunakan sebagai pompa water mist.

Biodata Penulis Wahyu Kurniawan Guna Usada, Jurusan Teknik Keselamatan Otomotif Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal, masuk tahun 2011. Saat ini menjadi Mahasiswa aktif di Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal . Alfan Yuli Wicaksono, Jurusan Teknik Keselamatan Otomotif Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal, masuk tahun 2013. Saat ini menjadi Mahasiswa aktif di Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal. Wahyu Dwi Wicaksono Saputro, Jurusan Teknik Keselamatan Otomotif Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal, masuk tahun 2011. Saat ini menjadi Mahasiswa aktif di Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal .

Gambar 13. Data Teknis Fuel Pump[10] 3. Kesimpulan Dari hasil simulasi yang dilakukan menggunakan Pipe Flow Expert diketahui bahwa sistem dapat bekerja dengan aman karena tidak terjadi masalah over pressure. Kecepatan fluida yang mengalir di dalam pipa juga dalam tahap aman karena kecepatan maksimal fluida yang mengalir dalam sistem adalah 0,499 m/s. Sistem bekeja optimal menggunakan pompa dengan tekanan 5 bar dan flow rate 28,47 L/min. Karena pompa yang telah digunakan memiliki tekanan 5 bar dan flow rate 3,3 L/min. Maka untuk memenuhi kebutuhan flow rate dibutuhkan 9 pompa yang disusun paralel agar sistem dapat bekerja secara optimal.

Setya Wijayanta, MT., memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Teknik Mesin (S.Pd.T), Jurusan Pendidikan Teknik Mesin Universitas Negeri Yogyakarta, lulus tahun 2004. Memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) Program Magister Teknik Mesin Universitas Indonesia , lulus tahun 2012. Saat ini menjadi Dosen di Politeknik Keselamatan Transportasi JalanTegal. Ery Muthoriq, MT., memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T.), Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta, lulus tahun 2007. Memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) Program Pasca Sarjana Magister Teknik Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung , lulus tahun 2013. Saat ini menjadi Dosen di Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal.

Daftar Pustaka [1] Website: http://www.jpnn.com/read/2012/06/05/129614/index.php ?mib=berita.detail&id=129312 [2] Webtite: http://news.okezone.com/read/2014/08/28/500/1030944 /9- bus-transjakarta-terbakar-sejak-januari-2014 [3] Dennis P. Nolan, “Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles. For Oil, Gas, Chemical and Related Facilities,” 3th Edition, Elsevier Inc, pp. 105-106, 2014. [4] G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. Energy Combust. Sci. 26 (2000). [5] Robert Andrew Hart MEng. Numerical Modelling of tunnel fires and water mist suppression. Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy December 2005. [6] Liu, Z.; Kim, A.K.; Carpenter, D.;Kanabus-Kaminska, J.M.; Yen, P-L.”Extinguishment of cooking oil fires by water mist fire suppression systems”. Fire Technology, v. 40, no. 4, October 2004. [7] X-572 Spray Nozzle Classification by Droplet Spectra; Ted Southcombe, 2002. [8] R. Anleitner, A. Maranghides, J. Montgomery, “Water Mist Visualization And Droplet Size Analysis In Large-Scale Fire Suppression Research”, Halon Options Technical Working Conference, 24-26 April, 2014. [9] Website: http://www.engineeringtoolbox.com/flow-velocity-waterpipes-d_385.html [10]Fuel Pump Technical Data, Motor Sport Component, Bosch. [11]Gytha Indriawati Amin. “Analisis Pemenuhan Sistem Tanggap Darurat Kebakaran di Area Produksi PLTU PT. PJB UP Muara Karang Jakarta Tahun 2010” . Essay submitted to the Universitas Syarif Hidayatullah Jakarta for the degree of Sarjana Kesehatan Masyarakat, Desember 2010.

4.6-30

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA SISTEM PENCEGAHAN KEBAKARAN PADA BUS DENGAN WATER MIST MENGGUNAKAN PIPE FLOW EXPERT

Recommend Documents