Sistem perpipaan air bersih mengalami kondisi rugi-rugi tekanan (head loss) yang mengakibatkan adanya penurunan tekanan. Apabila terjadi penurunan tekanan secara drastis mengakibatkan kucuran air menjadi lemah.
Jika pengamatan langsung, maka Anda akan menemukan perbedaan tekanan dari derasnya kucuran aliran air keran. Secara visual akan terlihat jelas.
Head loss yang tidak dapat diatasi oleh pompa yang memadai akan menyebabkan penurunan tekanan dan debit pada titik outlet.
Perhitungan matematis mampu menunjukan adanya kerugian tekanan pada sistem perpipaan. Nilai head loss dapat mempengaruhi distribusi fluida yang akan dihasilkan.
Sebelum mengetahui jenis head loss, kenali dahulu apa penyebab terjadinya kondisi rugi-rugi tekanan pada sistem perpipaan.
Penyebab adanya energy losses
Head loss terjadi karena besarnya reduksi tekanan total yang diakibatkan oleh fluida ketika melalui sistem perpipaan. Tingkat kekasaran pipa, sambungan pipa, dan desain perpipaan mempengaruhi nilai head loss.
Penyebab dari kondisi adanya gesekan antara molekul fluida atau molekul fluida terhadap dinding pipa. Kondisi gesekan semacam ini akan terjadi selama sistem perpipaan berjalan. Selama masih ada fluida mengalir di dalam pipa, selama itu juga head loss akan terjadi.
Jenis energi losses pada sistem fluida
Kondisi rugi-rugi energi (energy losses) terbagi menjadi dua jenis yaitu head loss mayor dan head loss minor. Terkait perbedaan dan karakteristik keduanya adalah sebagai berikut
Mayor Head Loss
Head loss mayor merupakan kerugian tekanan akibat gesekan fluida terhadap dinding pipa. Kondisi ini terjadi ketika adanya kekentalan zat cair menimbulkan gaya gesek.
Penurunan tekanan mayor terjadi pada sistem fluida dengan aliran laminar dan turbulen. Pada kondisi aliran laminar, head loss terjadi karena tegangan geser viskos fluida bergesekan dengan dinding pipa.
Besarnya nilai head loss mayor sangat dipengaruhi oleh panjang pipa, kecepatan fluida, tingkat kekasaran pipa, dan densitas fluida yang dialirkan. Apabila Anda memiliki sistem perpipaan dengan pipa panjang, fluida berkecepatan tinggi, pipa dengan kekasaran tinggi, serta fluida dengan viskositas melebihi air, menyebabkan nilai head loss mayor semakin besar.
Minor Head Loss
Head loss minor adalah kondisi kerugian tekanan yang terjadi karena sambungan pipa. Bentuk kerugian energi adalah hilangnya tekanan akibat gaya gesek.
Semua jenis komponen yang mengubah arah aliran dan kecepatan fluida menyumbang head loss. Keran yang terbuka penuh maupun setengah memiliki nilai head loss minor. Kemudian sambungan belokan seperti elbow menyumbang terjadinya penurunan tekanan.
Nilai head loss minor ditentukan oleh banyaknya sambungan pipa yang digunakan. Semakin banyak menggunakan sambungan pipa, semakin besar nilai head loss minor yang dihasilkan.
Terakhir, sudden expansion membuat perubahan penampang pipa secara drastis. Bentuk perubahan inilah berkontribusi pada jenis rugi-rugi tekanan minor.
Cara menghitung head loss
Menghitung head loss krusial dalam perancangan sistem perpipaan karena mampu menentukan spesifikasi dan kapasitas pompa. Pompa yang digunakan harus mampu memberi tekanan yang lebih besar dari total kerugian energi agar fluida dapat terdistribusi secara optimal.
Secara keseluruhan, total kerugian energi spesifik dalam sistem perpipaan adalah akumulasi dari kerugian utama akibat gesekan dan kerugian akibat komponen perpipaan. Persamaan totalnya dituliskan sebagai berikut:
Untuk mendapatkan nilai dari masing-masing jenis losses tersebut, MEP engineer umumnya menggunakan persamaan empiris yang sudah menjadi standar industri.
1. Menghitung Major Head Loss (Persamaan Darcy-Weisbach)
Untuk menghitung major head loss yang diakibatkan oleh gesekan fluida dengan dinding pipa di sepanjang lintasan, metode yang paling akurat dan umum digunakan adalah Persamaan Darcy-Weisbach. Persamaan ini memperhitungkan profil aliran fluida, baik laminar maupun turbulen.
Rumus Darcy-Weisbach dinyatakan sebagai:
Keterangan:
- hmayor = Major head loss atau rugi-rugi gesekan (m)
- f = Faktor gesekan Darcy (friction factor). Nilai ini bergantung pada tingkat kekasaran material pipa dan profil aliran (ditentukan oleh Bilangan Reynolds).
- L = Panjang lintasan pipa (m)
- D = Diameter dalam pipa (m)
- v = Kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
- g = Percepatan gravitasi bumi (9.81 m/s²)
Dari persamaan di atas, terlihat jelas bahwa desain layout perpipaan yang terlalu panjang (L) atau penggunaan diameter pipa yang terlalu kecil (D) akan memperbesar nilai gesekan secara signifikan.
2. Menghitung Minor Head Loss
Minor head loss terjadi secara lokal di titik-titik tertentu di mana aliran fluida mengalami perubahan arah atau kecepatan, seperti pada valve, elbow, reducer, atau sambungan T (tee).
Rumus untuk menghitung minor head loss adalah:
Keterangan:
- hminor = Minor head loss (m)
- K = Koefisien kerugian lokal (loss coefficient). Nilainya berbeda-beda tergantung dari jenis, bentuk, dan seberapa terbuka komponen perpipaan tersebut (misalnya, nilai K untuk gate valve terbuka penuh akan berbeda dengan globe valve setengah terbuka).
- v = Kecepatan aliran fluida (m/s)
- g = Percepatan gravitasi bumi (9.81 m/s²)
Dengan menjumlahkan hasil dari perhitungan Darcy-Weisbach dan kerugian koefisien komponen (Total Head Loss), perancang sistem mekanikal dapat memastikan bahwa instalasi perpipaan tidak mengalami pressure drop yang berlebihan dan fluida tetap keluar pada debit dan tekanan yang direncanakan.
Manfaat menghitung head loss pada sistem fluida
Head loss sangat mempengaruhi mekanisme sistem perpipaan. Salah satunya adalah sistem perpipaan air bersih.
Air bersih didistribusikan melalui saluran perpipaan. Air yang mengalir akan menghasilkan tekanan. Jika sistem perpipaan air bersih kehilangan tekanan cukup besar akan mengakibatkan air tidak terdistribusi dengan baik.
Dengan kata lain, head loss dapat mencegah kavitasi pompa, pemborosan energi, hingga efisiensi biaya operasional produksi. Head loss berlebihan dan tidak diimbangi dengan kapasitas pompa yang memadai akan menggeser titik kerja sistem perpipaan, sehingga menurunkan tekanan dan laju distribusi fluida secara signifikan.
Head loss tidak dapat terhindarkan, namun MEP engineer dapat meminimalisir agar distribusi air tetap merata. Serta memastikan nilai head loss tetap terkendali.
