Detail Cara Menghitung Head loss atau Kehilangan Tekanan Air di dalam Pipa

Pentingnya Head loss

Salah satu parameter yang sangat penting dalam merencanakan sebuah sistem jaringan pipa transmisi dan distribusi air minum adalah Head loss (kehilangan Tekanan). Mengapa dianggap penting, karena faktor head loss menjadi pertimbangan dalam menentukan Head Pompa, selain itu untuk menentukan efisien atau tidaknya sebuah jaringan perpipaan. Meskipun saat ini Praktisi lebih cenderung menggunakan aplikasi simulasi perpipaan, namun teorinya tetap sama dan harus dipahami terlebih dahulu. Pada kesempatan kali ini kita akan membahas Formula Head loss pada jaringan perpipaan.

Head loss dibagai menajadi dua, Yaitu Head loss Mayor dan Head loss Minor, dan perlu dipahami adalah seluruh formula yang dijelaskan hanyalah untuk aliran air pada suatu pipa dengan diameter yang sama. Apabila sistem perpipaannya kompleks seperti seri atau paralel dan terdapat perubahan diameter pipa maka cara untuk menghitung head loss akan berbeda.

Head Loss Mayor

Head loss Mayor adalah kehilangan tekanan pada aliran air di dalam pipa yang disebabkan oleh gesekan antara air dengan dinding dalam pipa, pada diameter pipa yang sama. Head loss Mayor pada aliran di dalam pipa dapat dicari dengan dua Formula yaitu Formula Darcy-Waisbach dan Formula Hazen-Williams

Perbedaan Formula Hazen-Williams dengan Darcy-Waisbach

Formula Hazen-Williams banyak digunakan oleh para Prakstisi dalam merencanakan Sistem Penyediaan Air Minum (SPAM), karena kepraktisannya, kenapa Praktis? Karena Formula tersebut khusus untuk Fluida Air dengan temperatur 4-25 deg. Celcius yang umumnya seperti di Indonesia. Namun formula lain seperti Formula Darcy-Waisbach juga tidak kalah penting untuk dipahami meski formula ini sedikit lebih kompleks karena Formula ini cocok untuk berbagai jenis fluida apapun dengan temperatur berapapun, dan variabel yang lain seperti kekentalannya. Menggunakan salah satu Formula di atas untuk menentukan Head loss Mayor seharusnya menghasilkan hasil yang tidak jauh beda.

Formula Darcy-Waisbach

Formula Darcy-Waisbach sedikit lebih rumit karena harus mencari nilai Friction Factor (f) terlebih dahulu. Formula Darcy-Waisbach untuk mencari Head loss Mayor adalah seperti berikut:

\(H_{lm} = f.(\frac{L}{D}.\frac{V^{2}}{2g})\)

Pada umumnya seluruh variabel sudah diketahui kecuali nilai f. Maka untuk mencari nilai Head loss mayor dimulai dengan mencari nilai f terlebih dahulu. Terdapat beberapa langkah untuk bisa mendapatkan nilai f yang pertama adalah mencari Bilangan Reynold (Reynold Number), yang merupakan bilangan tak berdimensi untuk menentukan tipe sebuah laju aliran. Variabel yang dimasukkan ke Formula adalah Panjang Pipa, Diameter Pipa dan Viskositas Kinematik. Nilai Viskositas Kinematik tergantung dari Jenis dan Temperatur air yang dialirkan.

Mencari Bilangan Reynold

Seperti pada penjelasan di atas, tahapan yang pertama adalah mencari Bilangan Reynold dengan rumus sebagai berikut:

\(Re = \frac{V.D}{\vartheta}\)

Keterangan

• Re: Bilangan Reynold
• V : Kecepatan Aliran (m/s)
• D : Diameter Pipa (meter)
• v : Viskositas Kinematik (m2/s) lihat

Catatan:

• Aliran Laminer jika Bil. Reynold lebih kecil atau sama dengan 2100 (Bil.Reynold<2100)
• Aliran Turbulen jika Bil. Reynold lebih besar dari 4000 (Bil.Reynold>4000)
• Aliran Transisi jika Bil. Reynold Antara 2100 dan 4000

Jika jenis aliran adalah Laminer, maka nilai Friction Factor dicari dengan Formula di bawah ini.

\(f = \frac{64}{Re}\)

Namun jika Jenis Alirannya adalah Turbulen maka nilai Friction Factor harus dicari dengan Persamaan Colebrook yaitu persamaan yang menghubungkan antara Bilangan Reynold dengan Kekasaran Relatif Pipa (Relative Roughness). Sebelum masuk ke persamaan Colebrook kita cari dulu Kekasaran Pipa Relatif.

Mencari Relative Roughness

Kekasaran Pipa Relatif dicari dengan membagi Kekasaran Pipa Absolut (epsilon) terhadap Diameter Pipa.

\(Relative Roughness = \frac{\varepsilon}{d}\)

Keterangan

• e : epsilon (kekasaran pipa Absolut Darcy-Waisbcah)(millimeter) Lihat Tabel
• d : diameter pipa (millimeter)

Catatan

koefisien kekasaran pipa Darcy-Waisbcah dan diameter pipa sama-sama dalam satuan Millimeter

Formula Colebrook

Setelah mendapatkan Bilangan Reynold dan Kekasaran Pipa Relatif langkah selanjutnya memasukkan nilai tersebut ke dalam Formula Colebrook. Namun di sini kita tidak akan menggunakan Formula Colebrook secara langsung melainkan dengan Moody Chart Calculator atau Diagram Moody.

---

Formula Hazen-Williams

Persamaan Hazen-William tidak serumit Darcy-Waisbach namun perlu diingat bahwa Formula ini khusus untuk karakteristik air dengan temperatur air 20 deg. celcius.

\(H_{Lm} = (\frac{Q}{0,2785 . C_{hw} . D^{2,63}})^{1,85}. L\)

Keterangan

• Chw: Koefisien Kekasaran Pipa Hazen-William Lihat Tabel
• Q : Debit (m3/s)
• D : Diameter Pipa (meter)
• L : Panjang Pipa (meter)

---

Head Loss Minor

Head loss Minor merupakan kehilangan tekanan yang disebabkan oleh aksesoris perpipaan. Formula untuk mencari Head loss Minor hanya untuk aliran Turbulen. Nilai Head loss minor dapat dicari dengan dua cara, yang pertama dengan merubah nilai koefisien aksesoris menjadi nilai panjang pipa berdasarkan rasio panjang pipa dengan diameter pipa, setelah ditemukan total panjang pipa maka dapat ditentukan kehilangan tekanan dengan formula head loss mayor. Cara yang kedua adalah dengan memasukkan nilai Koefisien resisten aksesoris pipa "K" ke dalam formula di bawah ini.

\(H_{min} = K.\frac{V^{2}}{2g}\)

Keterangan

• K : Koefisien Resisten
• V : Kecepatan Aliran (m/s)
• d : Diameter Pipa (meter)
• g : Percepatan Gravitasi (m/s2)

Nilai rasio panjang pipa dengan diameter pipa (L/D) untuk cara satu dan Nilai "K" untuk jenis aksesoris dan diameter pipa yang berbeda untuk cara dua dapat dilihat pada Tabel di bawah ini

---

Latihan Soal No.1

Debit air 1 m3/dt dengan temperatur air 20oC mengalir di dalam pipa berdiameter 0,6 meter sepanjang 100 meter dengan kecepatan aliran 3,53 m/dt. Material pipa adalah Galvanized baru. Tentukan Headloss Mayor dengan Formula Darcy-Waisbach dan Formula Hazen-Williams?

A. Metode Formula Darcy-Waisbach

Diketahui

1. Viscositas Kinematik air 20 derajat C = 1,004 x 10^-6
2. Absolut Roughness pipa HDPE = 0,15 mm

Cari Bilangan Reynold:

\(\frac{3,53 m/s^{2} . 0,6 m}{1,004 x 10^{-6}} = 2.109.561,7 \approx 2,1 x 10^{-6}\)

Nilai Bilangan Reynold menunjukkan Aliran Turbulen Sehingga Friction Factor dicari dengan Metode Colebrook atau Diagram Moody

Cari Relative Roughness

(e/d) = 0,15 mm/600 mm = 0,00025

Cari Friction Factor

Cari nilai friction factor(f) dengan moody chart calculator (masukkan relative roughness dan Bil. Reynold) = 0,0147

Masukkan Ke Formula Darcy-Weisbach

\(Hlm = 0,0147 . \frac{100 m}{0,6 m}. \frac{(3,53\frac{m}{s})^{2}}{2 . 9,81 \frac{m}{s^{2}}} = 1,56 meter\)

Headloss Mayor pada sistem tersebut adalah 1,56 Meter

B. Metode Formula Hazen-Williams

\(H_{Lm} = (\frac{1}{0,2785 . 120 . 0,6^{2,63}})^{1,85}. 100=1,82 meter\)

Headloss Mayor pada sistem tersebut adalah 1,82 Meter

Silahkan menggunakan Kalulator Headloss jika ingin mempermudah perhitungan

---

Latihan Soal No.2

Terdapat debit aliran 2 liter per detik yang melalui pipa dengan diameter 2 inch dengan panjang pipa 100 meter. Terdapat aksesoris pipa yaitu 2 buah gate valve 2 inch, 3 buah standar elbow 90 derajat 2 inch, 1 buah swing check valve 2 inch. Tentukan Head loss minor menggunakan cara pertama dan kedua

A. Dengan Rasio L/D

Sesuai dengan tabel di atas maka dapat diketahui rasio L/D untuk aksesoris gate valve adalah 8, untuk standard elbow 90 derajat adalah 30 dan untuk swing check valve adalah 50. Maka:

2 buah gate valve 2 inch = 2 x 2 x 8 = 32 inch
2 buah standar elbow 90 derajat 2 inch = 2 x 2 x 30 = 120 inch
1 buah swing check valve 2 inch = 2 x 2 x 50 = 200 inch
jika dijumlahkan maka 32+120+200 = 352 inch dari pipa diameter 20 inch

Pengerian di atas adalah 1 buah gate valve memiliki rasio L/D adalah 8, maka satu gate valve diamater 2 inch sama dengan 1 (buah) x 2 (inch) x 8 (rasio) = 16 inch, yang artinya gate valve tersebut sama dengan pipa 2 inch dengan panjang 16 inch (sekitar 0,1524 meter). jika kuantitas aksesorisnya dua maka tinggal dikali dua, dan seterusnya.

Baik, kembali pada soal di atas, maka total panjang pipa adalah: 325 inch (8,94 meter) + 100 meter = 108,94 meter.

Selanjutnya tinggal masukkan nilai 108,94 meter ke dalam formula head loss mayor bisa menggunakan hazen-william.

B. Dengan Koefisien Resisten

Karena formula head loss minor dengan nilai "K" terdapat parameter kecepatan maka dicari terlebih dahulu nilai kecepatannya dengan persamaa, Q = V x A
Q = 2 liter/ detik = 0,002 m³/detik
A = 0,25 x 3,14 x 0,0508 ² = 0,002 m²
V = Q/A = 0,002 m³/detik / 0,002 m² = 1 m/detik

Sesuai dengan tabel di atas maka dapat diketahui nilai "K" untuk aksesoris gate valve 2 inch adalah 0,15, untuk standard elbow 90 derajat 2 inch adalah 0,57 dan untuk swing check valve 2 inch adalah 1. Maka masukkan ke formula:

\(H_{min} = K.\frac{V^{2}}{2g}\)

2 buah gate valve 2 inch = 2 x 0,15 x ((1 m/detik ²)/ 2 x 9,81 m/s²) = 0,0153 meter
2 buah standard elebow 90 derajat 2 inch = 2 x 0,57 x ((1 m/detik ²)/ 2 x 9,81 m/s²) = 0,058 meter
1 buah swing check valve 2 inch = 1 x 1 x ((1 m/detik ²)/ 2 x 9,81 m/s²) = 0,051 meter

Jadi total head loss minor adalah 0,0153 + 0,058 + 0,051 = 0,1243 meter.

Berbagi :