Angka head di pelat nama pompa bukan tinggi yang pasti dicapai air di instalasi Anda. Sebagian habis di jalan, tergerus gesekan dinding pipa, belokan, dan katup. Kehilangan itu disebut head loss, dan besarnya bisa dihitung sebelum pompa dibeli, bukan ditebak setelah airnya tidak sampai.
Head yang diminta sistem, bukan yang tertulis di pompa
Hydraulic Institute membagi kebutuhan sebuah sistem pompa menjadi dua. Head statis adalah beda tinggi permukaan air ditambah beda tekanan antara sumber dan tujuan. Angkanya tetap, berapa pun debitnya. Head gesekan adalah kerugian di sepanjang pipa (major loss) ditambah kerugian di fitting dan katup (minor loss). Keduanya dijumlah:
H sistem = beda tinggi + beda tekanan + (f × L/D + ΣK) × v²/2g
f adalah faktor gesek pipa, L panjang pipa, D diameter dalam, K koefisien tiap fitting, dan v kecepatan air. Titik kerja pompa jatuh di perpotongan kurva pompa dengan kurva sistem ini. Pada pompa sentrifugal, kerugian yang lebih besar dari perkiraan menggeser titik itu, dan debitnya ikut turun.
Gesekan naik dengan kuadrat kecepatan
Contoh hitungan Hydraulic Institute memakai pipa 4 inci sepanjang 382,5 m dengan beda tinggi 80,77 m. Porsi gesekannya bisa dibaca langsung dari tabel kurva sistemnya:
| Debit (m³/jam) | Head sistem (m) | Porsi gesekan (m) |
|---|---|---|
| 22,7 | 83,21 | 2,44 |
| 45,4 | 90,22 | 9,45 |
| 68,1 | 102,11 | 21,34 |
Debit naik dua kali lipat, gesekannya hampir empat kali. Debit tiga kali lipat, gesekannya hampir sembilan kali. Karena itu pompa yang pas untuk debit kecil bisa kewalahan begitu kebutuhan air naik sedikit.
Satu katup setara sepuluh meter pipa
Kerugian fitting lebih gampang dibayangkan kalau diubah jadi panjang pipa lurus yang setara (K × D / f). Dengan nilai K dari contoh yang sama, faktor gesek 0,02, dan diameter dalam 102,26 mm:
| Komponen | K | Setara pipa lurus |
|---|---|---|
| Swing check valve | 2,0 | ±10,2 m |
| Pelebaran mendadak | 1,0 | ±5,1 m |
| Elbow flens standar | 0,31 | ±1,6 m |
| Gate valve (wedge disc) | 0,17 | ±0,9 m |
Di pipa panjang, fitting cuma porsi kecil. Di pipa pendek ceritanya terbalik: 10 m pipa 4 inci hanya menyumbang f × L/D sekitar 1,96, sedangkan empat komponen tadi 3,79. Fittingnya hampir dua kali lebih boros daripada pipanya.
Perlakukan angka K sebagai perkiraan. Hydraulic Institute mencatat sebarannya lebar: elbow flens bisa meleset ±35 persen, check valve flens antara minus 80 dan plus 200 persen. Fitting ulir umumnya ber-K lebih tinggi daripada fitting flens, dan K mengecil seiring ukurannya membesar.
Diameter pipa bekerja dengan pangkat lima
Tip sheet Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) merumuskan biaya listrik untuk melawan gesekan sebanding dengan pangkat tiga debit dan berbanding terbalik dengan pangkat lima diameter dalam. Contohnya air 600 gpm (sekitar 136 m³/jam) yang dialirkan terus-menerus lewat pipa 10.000 kaki (sekitar 3 km). Biaya gesekan per tahun menurut grafik DOE: pipa 6 inci US$16.900, pipa 8 inci US$4.250, pipa 10 inci US$1.400.
Asumsinya tarif US$0,05 per kWh, 8.760 jam setahun, dan efisiensi pompa plus motor 70 persen. Jadi yang layak dibawa pulang adalah perbandingannya: naik satu ukuran, biaya gesekan turun tiga sampai empat kali. DOE juga mencatat pipa baja berlapis epoksi atau pipa plastik bisa memangkas faktor gesek lebih dari 40 persen.
Cek ini sebelum menyalahkan pompa
- Hitung head statis dulu. Sirkulasi tertutup seperti air pendingin bebannya hampir seluruhnya gesekan. Sistem terbuka yang mengangkat air ke tempat tinggi, misalnya pengeringan tambang, sering didominasi head statis dan kurvanya landai. Memperbesar pipa di sana hanya memangkas porsi gesekan yang memang kecil.
- Daftar semua fitting dan katup, lalu jumlahkan K-nya. Di contoh tadi, check valve dan pelebaran mendadak menyumbang paling besar.
- Hitung kecepatan airnya. Karena kerugian ikut kuadrat kecepatan, pipa yang lebih besar paling ampuh di sistem yang didominasi gesekan.
- Beri cadangan kekasaran. Kekasaran pipa naik seiring umur, dan untuk instalasi komersial Hydraulic Institute menyarankan menambah 15 persen pada nilai kekasaran di tabelnya.
Hitungan pompa seperti ini juga dibahas di kelas simulasi proses migas, tempat pompa jadi salah satu unit dalam model. Kalau lebih enak melihat penjelasannya langsung, ada klipnya. Gambaran pemodelan prosesnya ada di simulasi proses migas di HYSYS.
Sumber
- Hydraulic Institute, HI Data Tool: System Curves (diperbarui 19 Juli 2024)
- Hydraulic Institute, HI Data Tool: Pipe Frictional Losses
- Hydraulic Institute, HI Data Tool: Frictional Losses in Valves, Fittings, and Bends
- U.S. Department of Energy, Reduce Pumping Costs through Optimum Pipe Sizing, Pumping Systems Tip Sheet #9 (Oktober 2005)
- U.S. Department of Energy dan Hydraulic Institute, Improving Pumping System Performance: A Sourcebook for Industry, edisi kedua