Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN

Transkripsi

1 ANALISA PRESSURE DROP PADA SISTEM PERPIPAAN FUEL OIL BOILER PADA PT.PLN PEMBANGKITAN SUMATERA BAGIAN UTARA SICANANG BELAWAN DENGAN MENGGUNAKAN PIPE FLOW EXPERT Juhari Malau 1, Tekad Sitepu 2. 1) Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU, Medan [email protected] 2) Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU, Medan [email protected] Abstrak Pada dasarnya aliran fluida pada sistem perpipaan akan mengalami penurunan tekanan ( pressure drop ).Hal ini dapat disebabkan karena beberap hal, diantaranya adalah aliran fluida yang mengalir pada perpipaan akan mengalami gesekan di sepanjang permukaan pipa, dan juga ketika aliran melewati beberapa sambungan pipa, belokan, katup, diffusor, dan beberapa komponen lainnya yang terpasang pada sistem perpipaan.maka simulasi analisis dengan Pipe Flow Expert ini akan menganalisis faktor gesekan dan Pressure drop yang terjadi pada sistem perpipaan Fuel Oil Boiler dari Daily Tank ke Burner Boiler Unit IV pada PT.PLN (Persero) Unit Pembangkitan Sumbagut,Sicanang Belawan.Dari hasil analisis didapat nilai faktor gesekan terbesar ada pada pipa suction yaitu sebesar dan nilai faktor gesekan terkecil ada pada pipa discharge yaitu pada pipa no 27 sebesar , kemudian pressure drop ( kehilangan tekanan) terbesar adalah sebesar 14,2714 bar.g dan nilai pressure drop terkecil adalah bar.g.tekanan terbesar terdapat pada pipa no 18 yaitu sebesar 22,6758 bar.g, dan tekanan terendah terdapat pada pipa no 11 yaitu sebesar 1,5103 bar.g.sementara itu berdasarkan hasil simulasi diperoleh head pada sistem perpipaan adalah sebesar 221,616 m. Kata Kunci : Pressure Drop, Pipe Flow Expert, Fuel Oil Boiler Abstract Basically, fluid flow in a piping system undergoes pressure drop.this is caused by a several things, such as fluid flowing in a piping system will have a contact friction along the pipe surface, and also when the fluid flowing passes some fittings which attached to the piping system.they are elbows, valves, diffusors, and others component attached to the piping system.then, analysis simulation with this Pipe Flow Expert Software will analyze the friction factor and pressure drop that occur in piping system Fuel Oil Boiler from Daily Tank to Boiler Burner Unit IV at PT.PLN (PERSERO ) Power Plant Unit, Sumatera Utara Region, Sicanang Belawan.The results of simulation showed that the biggest friction factor value was on suction pipe about and the smallest friction factor value was on discharge pipe number 27 about and then the biggest pressure drop value occured in piping system was bar.g while the smallest pressure drop value was bar.g.the biggest pressure was on pipe number 18 about 22,6758 bar.g and the smallest pressure was on pipe number 11 about 1,5103 bar.g.beside that according to the simulation the head of piping system derived about m. Keyword : Pressure Drop, Friction Factor, Pipe Flow Expert, Fuel Oil Boiler. 1.Pendahuluan Hampir tidak ada di dalam kehidupan ini yang tidak bersinggungan dengan pipa dan jaringannya.di setiap pembangunan gedung - gedung bertingkat untuk perkantoran, rumah sakit, hotel, selalu terlihat adanya penggunaan pipa, baik untuk keperluan sanitasi, untuk pendingin udara, 164

2 maupun untuk pengaliran fluida ke tangki timbun. Pipa-pipa tersebut mutlak diperlukan sebagai alat untuk mengalirkan fluida yang akan diolah. Fluida merupakan sesuatu yang tidak bisa lepas dari kehidupan kita seharihari,dimanapun dan kapanpun kita berada, fluida selalu mempengaruhi berbagai kegiatan dalam kehidupan kita sehari hari, baik itu dalam bentuk liquid ataupun gas. Dalam suatu sistem perpipaan, aliran fluida di dalam pipa pada dunia industri mengalami penurunan tekanan ( pressure drop ) seiring dengan panjang pipa dan beberapa fittings yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam mekanika fluida, penurunan tekanan tersebut disebabkan karena fluida yang mengalir mengalami gesekan di sepanjang aliran fluida seperti panjang pipa, diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut.adapun 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, energi yang hilang ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga kerugian tekanan (head loses). Kerugian tekanan ( head loses ) ini dibagi menjadi 2 jenis, yaitu kerugian mayor (mayor loses) dan kerugian minor ( minor loses ). Mayor loses adalah kerugian tekanan yang diakibatkan oleh adanya gesekan di sepanjang aliran pipa, sedangkan kerugian tekanan yang terjadi dalam sistem pipa dikarenakan berbagai fittings seperti bends (belokan), elbows (siku-siku), joints (sambungansambungan), valves (katup) dan sistem lainnya dimana menyebabkan luas penampang saluran tidak konstan disebut minor loses. Efisiensi dari suatu sistem aliran akan tercapai maksimal apabila desain atau perancangan sistem salurannya dilakukan dengan cermat dan tepat. Perancangan ini meliputi penentuan diameter pipa, posisi pipa, penggunaan sambungansambungan dan penggunaan belokan (elbow). Dalam perencanaan suatu sistem aliran, sulit dihindari adanya fittings. Adanya fittings dalam suatu saluran akan menyebabkan terjadinya kerugian tekanan pada aliran. Hal tersebut dikarenakan oleh perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran tersebut.mekanika fluida merupakan cabang ilmu teknik mesin yang mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda - benda disekitarnya atau yang dilalui saat mengalir. Dimana pada dunia industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa tertutup (closed conduit flow) dan memiliki beberapa masalah utama yang terjadi antara lain : 1.Terjadinya gesekan di sepanjang dinding pipa. 2. Terjadinya kerugian tekanan. 3.Terbentuknya turbulensi akibat gerakan relative dalam molekul fluida yang dipengaruhi viskositas fluida. Adapun sistem perpipaan yang dianalisis adalah sistem perpipaan pada pipa Fuel Oil Boiler dari Daily Tank ke Burner Boiler Unit 4 PT.PLN Pembangkitan Sumbagut Sicanang Belawan. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Fluida Zat dikenal dalam 3 bentuk yaitu; padat, cair atau gas. Apabila benda berada dalam bentuk cair atau gas, benda tersebut dikenal sebagai fluida. Sifat-sifat umum dari semua fluida ialah bahwa ia harus dibatasi dengan dinding kedap supaya tetap dalam bentuknya yang semula. 2.2 Mekanika Fluida Mekanika fluida merupakan ilmu yang mempelajari keseimbangan dan gerakan zat cair maupun gas, serta gaya tarik dengan benda benda disekitarnya atau yang dilalui saat mengalir. 2.3 Tekanan Pada Fluida Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A. 165

3 = =... ( 1 ) F= Gaya ( Newton ) A= Luas Permukaan ( ) 2.4 Tekanan Hidrostatis Tekanan hidrostatis adalah tekanan zat cair (fluida) yang hanya disebabkan oleh beratnya. Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka makin berat zat cair itu, sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah h= h...( 2 ) Ph = Tekanan Hidrostatis = Massa jenis zat cair ( kg / ) g = Gravitasi ( m/ ) h = Level zat cair ( m ) 2.5 Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds digunakan untuk menunjukkan sifat utama aliran, yaitu apakah aliran adalah laminar, turbulen, atau transisi serta letaknya pada skala yang menunjukkan pentingnya secara relatif kecenderungan turbulen berbanding dengan laminar. Rumus untuk menentukan bilangan Reynolds : =...( 3 ) Dimana : = kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s) = diameter dalam pipa (m) = massa jenis fluida (kg/m 3 ) = viskositas dinamik fluida (kg/m.s) 2.6 Rapat Jenis ( Density ) Rapat jenis atau density (ρ) adalah ukuran konsentrasi suatu zat dan dinyatakan dalam satuan massa per satuan volume. = / ( /... ( 4 ) Dimana : m = massa fluida (kg) = volume fluida (m 3 ) 2.7 Viskositas Viskositas fluida adalah ukuran ketahanan suatu fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk.viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas dibedakan atas dua jenis, yaitu: 1.Viskositas Kinematik Viskositas kinematik adalah perbandingan antara viskositas mutlak terhadap rapat jenis. Adapun hubungannya dinyatakan sebagai berikut : =...( 5 ) Dimana : = nilai dari viskositas mutlak atau viskositas dinamik (kg./m.s) = nilai kerapatan massa fluida (kg/ ) 2.Viskositas dinamik Viskositas Dinamik atau viskositas mutlak mempunyai nilai sama dengan hukum viskositas Newton. Rumusnya dinyatakan sebagai berikut: = (....( 6 ) Dimana : = tegangan geser pada fluida (N/m 2 ) =gradientkecepatan(m/s) 2.8 Debit Aliran Fluida dan Kecepatan. Debit aliran fluida merupakan rumus yang digunakan untuk menghitung kecepatan aliran fluida, yaitu sebagai berikut : =...( 7 ) Kemudian dari persamaan kontinuitas akan didapat : =,dimana =...( 8 ) Maka kecepatan aliran dalam suatu penampang adalah : =...( 9 ) 166

4 Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN =...( 10) Dimana : Q = debit aliran ( ʋ = kecepatan aliran ( A = luas penampang ( = ( ) 2.9 Head Loss Kerugian energi per satuan berat fluida dalam pengairan cairan dalam sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head ( head loss ). 1. Head Loss mayor Head loss mayor dapat terjadi karena adanya gesekan antara aliran fluida yang mengalir dengan suatu dinding pipa.pada umumnya kerugian ini dipengaruhi oleh panjang pipa.untuk dapat menghitung head losss mayor, perlu diketahui lebih awal jenis aliran fluida yang mengalir.jenis aliran tersebut dapat diketahui melalui Reynold number. Head loss mayor dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua persamaan berikut: 1.Persamaan Darcy Weisbach yaitu: = (11) Dimana: hf = head loss mayor (m) f = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody) d = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m) V= kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi ( / ) Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa (f) dari rumus Darcy Weisbach. Untuk aliran laminar dimana bilangan Reynold kurang dari 2300, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynold, menurut Streeter (1992) dinyatakan dengan rumus: f = ( 12 ) Sedangkan untuk aliran turbulen nilai faktor gesekan diperoleh dengan menggunakan diagram moody sebagai fungsi dari angka Reynold ( Reynolds Number ) dan kekasaran relative ( Relative Roughness ), yang nilainya dapat dilihat padaa tabel 2.1 sebagai fungsi dari nominal diameter pipa dan kekasaran permukaan dalam pipa ( e ) yang tergantungg dari jenis material pipa. Gambar 2.1 Diagram Moddy Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil. Bahan ft Riveted Steel 0,003 Concrete 0,001 Wood Stave 0,0006 Cast Iron 0,00085 Galvanized 0,0005 Asphalted 0,0004 Commercial 0,00015 Kekasaran Drawn Brass 0, , Glass and 2. Head Loss Minor smooth Head loss minor dapat terjadi karena adanya sambungan pipa ( fittings ) seperti katup ( valve ), belokan ( elbow ), saringan ( strainer ), percabangan ( m 0,0009 0,0003 0,0002 0, , ,0001 0, smooth 167

5 tee ), losses pada bagian entrance, losses pada bagian exit, pembesaran pipa( expansion ), pengecilan pipa ( contraction ), dan sebagainya. Head loss minor dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagi berikut: =.n.k... (13 ) keterangan : n = jumlah komponen minor losses v = kecepatan fluida (m/s) k = koefisien minor losses ( dari lampiran koefisien minor losses peralatan pipa ) L = panjang pipa ( m ) Angle, fully open Gate, fully open Gate, ¼ closed Gate, ½ closed Gate, ¾ closed Swing check, forward flow Swing check, backward flow Ball valve, fully open Ball valve 1/3, closed Ball valve 2/3, closed Tabel 2.2 Koefisien kerugian pada komponen-komponen pipa KOMPONEN a. elbow Regular 90 flanged Regular 90 Long radius 90 flanged2 Long radius 90 Long radius 45 flanged Regular 45 b. return bends return bend, flanged return bend, c. Tees Line flow, flanged Line flow, Branch flow, flanged Branch flow, d. Union, e. Valves Globe, fully open Pipe Flow Expert Perkembangan teknologi yang serba memanfaatkan kecanggihan komputer telah memberi banyak kemudahan dalam dunia industri, salah satunya program komputer yang dibuat untuk menganalisa permasalahan dalam bidang engineering yang tidak memungkinkan dianalisa secara manual karena tingkat kerumitan yang tinggi. Pipe Flow Expert v 5.12 merupakan salah satu program komputer yang digunakan untuk mendesain sistem perpipaan dan menganalisa aliran fluida.pipe Flow Expert v 5.12 mampu menghitung laju aliran pada setiap pipa dan mampu menghitung pressure drop ( penurunan tekanan ) pada keseluruhan sistem perpipaan. 3.Metodologi Penelitian 3.1 Data Awal a) Data Perpipaan Daily Tank sampai Pompa Perpipaan pada saluran Suction Material : Carbon Steel Seamless API 5 L Panjang pipa dari daily tank sampai suction pompa = 21, 04 m Suction : NPS ( 125 ) mm = 4.9 in 5 in 168

6 Long radius Elbow 5ʺ = 13 buah Short Elbow = 4 buah Entry Sharp Edge = 1 buah Gate Valve 5ʺ = 4 buah Check Valve 5ʺ = 1 buah b) Data perpipaan dari Discharge ke Burner Perpipaan pada saluran Discharge Material : Carbon Steel Seamless API 5L Panjang pipa dari suction pompa ke burner = m Discharge : NPS ( 100 ) mm = in Long Radius Elbow 4ʺ = 9 buah Short Bend 4ʺ = 8 buah Concentric Reducer 4ʺ/ 1ʺ = 1 buah Buterfly valve 4ʺ = 1 buah Back Pressure Valve = 1 buah Lift Check Valve = 1 buah Pipe fittings Standarisasi A234 WPB Marine Fuel Oil Spesification Temperatur : 37º C Viskositas Kinematik : 334 C 0,2857 cst Viskositas Dinamik : C 0,2739 cp 3.2 Proses Simulasi Proses simulasi dilakukan dengan menggunakan software Pipe Flow Expert v 5.12 untuk dapat mengetahui factor gesek (friction) dan penurunan tekanan (pressure drop) pada sistem perpipaan.selain itu dapat diketahui jenis aliran, laju volume aliran dan laju massa aliran pada sistem perpipaan. Gambar 3.1 Tampilan Simulasi Pipe Flow Expert 4. Hasil Simulasi Dengan Perangkat Lunak Pipe Flow Expert Tabel 4.1 Data Fluida dan Pompa Residual Oil Pump Spesification Type : Screw Pump / Size SNH 440 R46 KA2 W1 Manufacturer : Allweiler Kapasitas : kg / h Speed : 1450 rpm Connection Size: - Suction : 125 mm - Discharge : 100 mm DailyTankLevel dijaga pada : m Temperatur : 37º C Kapasitas Maksimum : 450 Tekanan kerja burner : 5 bar. g -Piping Line, merupakan gambar 2 dimensi dari piping lay out beserta komponen komponen yang ada pada sistem perpipaan. 169

7 Tabel 4.2 Data Pressure Drop Pipe Name s And Notes Entry Pressur e bar.g Exit Pressure bar.g P (Entry Pressure Exit Pressure) bar.g P1 1,6570 1,6362 0,0208 P2 1,6362 1,5709 0,0653 P3 1,5709 1,5611 0,0098 P4 1,5611 1,5384 0,0227 P5 1,5384 1,5692-0,0308 P6 1,5692 1,5684 0,0008 P7 1,5684 1, P8 1,5658 1,5445 0,0213 P9 1,5445 1,5153 0,0292 P10 1,5153 1,5112 0,0041 P11 1,5112 1,5103 0,0009 P12 1,5103 1,5463-0,036 P13 1,5463 1,5452 0,00 11 P14 1,5452 1,5805-0,0353 P15 1,5805 1,5802 0,0003 P16 1,5802 1,5795 0,0007 P17 1, , P18 22, ,5803 0,0955 P19 22, ,5695 0,0108 P20 22, ,6390-0,0695 P21 22, ,1150 0,524 P22 22, ,0795 0,0355 P23 22, ,9867 0,0928 P24 21, ,9343 0,0524 P25 21, ,9220 0,0123 P26 21, ,0000 1,922 P27 20,0000 5, ,2714 P28 5,6346 5,0000 0,6346 Gambar 4.1 Tekanan vs Panjang Pipa Suction Gambar 4.2 Tekanan vs Panjang Pipa Discharge Gambar 4.3 Grafik P 5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Dari hasil simulasi dengan menggunakan Software Pipe Flow 170

8 Expert diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Faktor gesekan yang ada pada pipa sangat mempengaruhi terjadinya penurunan tekanan.nilai friction factor terbesar ada pada pipa suction yaitu sebesar dan nilai friction factor terkecil ada pada pipa discharge yaitu pipa no 27 sebesar Nilai pressure drop terbesar yang terjadi pada sistem perpipaan Fuel Oil Boiler ke Burner Boiler adalah sebesar 14,2714 bar.g.nilai pressure drop terkecil adalah sebesar 0,0003 bar.g.nilai pressure drop ini sangat dipengaruhi oleh gesekan yang terjadi pada pipa dan adanya beberapa sambungan pipa, belokan, katup, serta komponen lainnya.dari hasil simulasi juga diperoleh head pada sistem perpipaan adalah sebesar 221,616 m.hd Fluid. [3] Cengel, Yunus.A., and Turner, Robert.H Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. New York : Mc Graw - Hill. [4] GrundfosResearchandTechnology The Centrifugal Pump. [5] Jack B. Evett, Cheng Liu. (1987). Fundamentals of Fluids Mechanics. McGraw Hill, New York. [6] Dietzel Fritz.1996.Turbin, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-lima. Jakarta : Erlangga. [7] Koefisien Kekasaran Pipa PVC menurut Hazen Williams [8] ageid/357/index.html [9] tguide. 5.2 Saran 1. Untuk penelitian selanjutnya kalau memungkinkan dilakukan perhitungan secara manual terhadap semua parameter yang ada agar diketahui validasi yang lebih baik antara perhitungan manual dengan perhitungan dengan menggunakan Software Pipe Flow Expert. 2. Untuk mengurangi nilai pressure drop sebaiknya dalam merancang sistem perpipaan yang baru hindari penggunaan beberapa fitting yang tidak begitu bermanfaat terhadap aliran. DAFTAR PUSTAKA [1] Streeter, V.L., and Wylie, E. Benjamin Mekanika Fluida, Edisi Kedelapan. Jakarta :Erlangga [2] M. Olson, Reuben Essentials of Engineering Fluid Mechanics. New York : Harper & Row, Publisher. 171