8
2.3 HIROLIKA PIPA DISTRIBUSI
Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran pada saluran tertutup adalah adanya permukaan yang bebas yang hampir selalu berupa udara pada saluran terbuka. Jadi
seandainya pada pipa aliranya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udara maka sifat dan karakteristik aliranya sama dengan aliran pada saluran terbuka. Pada kondisi penuh air, desainya
harus mengikuti kaidah aliran pada pipa Kodoatie 2005. Dalam merancang pipa distribusi memerlukan pengetahuan tentang hubungan antara debit
yang mengalir dalam pipa dan kaitanya dengan diameter pipa sehingga dapat diketahui gejala-gejala timbulnya tekanan, kehilangan energi, dan gaya-gaya lain yang timbul. Menurut Dharmasetiawan
2004, dalam menelaah aspek hidrolika kita beranggapan bahwa air adalah fluida yang mempunyai sifat incompresibel atau diasumsikan tidak mengalami perubahan volume apabila terjadi tekanan.
Selain mengetahui karakterisik hidrolika diatas, karakteristik aliran juga perlu diperhatikan. Karakteristik aliran merupakan dasar hidrolika yang selanjutnya digunakan untuk kegiatan
perancangan maupun kegiatan evaluasi. Tipe aliran yang biasa kita jumpai di alam berupa aliran mantap steady flow, aliran tidak
mantap unsteady flow, aliran merata uniform flow, dan aliran tidak merata non uniform flow. Fluida yang bergerak di dalam pipa pada umumnya berada dalam kondisi steady state atau air
dianggap mempunyai kecepatan sama dari waktu ke waktu apabila melalui diameter yang sama. Akan tetapi, pada kenyataanya, aliran ini tidak sepenuhnya terjadi. Hal ini disebabkan oleh adanya belokan,
katup, dan penyempitan pipa yang menyebabkan fenomena water hammer. Pada umumnya dalam perancangan sistem air bersih memperhatikan dua hal yaitu kebutuhan
air dan pasokan air. Kebutuhan air akan memberikan dampak pada pasokan air sehingga dari sisi pasokan air harus memperhatikan debit yang sampai pada pelangan. Perhitungan debit saluran pada
aliran tetap menggunakan rumus: 1
A : Luas penampang melintang saluran m
2
V : Kecepatan rata-rata aliran mdetik
Kehilangan energi akibat gesekan disebut juga kehilangan energi primer atau major loss. Terjadi akibat adanya kekentalan zat cair dan turbulensi karena adanya kekasaran pipa dan akan
menimbulkan gaya gesek yang akan menyebabkan kehilangan energi disepanjang pipa dengan diameter konstan pada aliran seragam. Kehilangan energi sepanjang satu satuan panjang akan konstan
selama kekasaran dan diameter tidak berubah. Salah satu faktor yang penting dalam menghitung hidrolika perpipaan adalah dalam hal
perhitungan kehilangan tekanan. Ada beberapa rumus yang dapat digunakan dalam menghitung kehilangan tekanan, yaitu persamaan Hazen-William, persamaan Darcy Weisbach, dan persamaan De
Chezy. 1.
Persamaan Hazen-William Persamaan ini umum dipakai untuk menghitung kehilangan tekanan pada pipa besar yaitu
diatas 100 mm. Selain itu, persamaan Hazen-William umum digunakan karena lebih mudah dipakai. Persamaan Hazen-William secara empiris menyatakan bahwa debit yang mengalir didalam pipa
adalah sebanding dengan diameter pipa d dan kemiringan hidrolis S yang dinyatakan sebagai rasio antara kehilangan tekanan h
L
terhadap panjang pipa L atau S= h
L
L. Faktor C yang menggambarkan kondisi fisik dari pipa seperti kehalusan dinding dalam pipa
yang menggambarkan jenis pipa dan umur. Secara umum rumus Hazen-William adalah sebagai berikut:
9
2 3
Sehingga 4
Keterangan C
: Koefisien Hazen-William d
: Diameter pipa dalam m S
: Kemiringan lahan h
L
: Headloss mayor m L
: Panjang pipa m Nilai C koefisien Hazen-William berbeda untuk setiap berbagai jenis pipa. Koefisien Hazen-William
dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 4 . Koefisien Hazen-William
No. Jenis material Pipa
Nilai C perencanaan
1. Asbes Cement
120 2.
Poly Vinil Chloride PVC 120-140
3. High Density Poly Ethylene HDPE
130 4.
Medium Density Poly Ethylene MDPE 130
5. Ductile Cast Iron Pipe DCIP
110 6.
Besi tuang, Cast Iron CIP 110
7. Galvinized Iron Pipe GIP
110 8.
Steel Pipe Pipa Baja 110
Sumber : Dharmasetiawan 2004 2.
Persamaan Darcy Weisbach Persamaan Darcy Weisbach
diturunkan secara sistematis dan menyatakan bahwa: “Kehilangan tekanan sebanding dengan kecepatan kuadrat dari aliran air, panjang pipa dan berbanding terbalik
dengan diameter”. Secara empiris nilai faktor f ditentukan.
5 Keterangan
L : Panjang pipa m
D : Diameter pipa m
V : Kecepatan aliran ms
f : Faktor gesekan
h
L
: Headloss mayor m Persamaan Darcy berlaku untuk aliran laminer atau turbulen. Faktor gesekan untuk laminer
dapat dihitung secara analisis sedangkan untuk aliran turbulen harus ditentukan secara empiris. Perumusan koefisien f dapat dicari dengan menggunakann beberapa metode, yaitu
10
a. Faktor gesekan pada aliran laminar Persamaan Hagen Poiseeille
6 Dengan menggunakan persamaan Darcy, faktor gesekan pada aliran laminer dapat ditentukan :
R R
2 2
2 2
L
N 64
f VD
N VD
64 g
VD 64
f g
VD g
64 V
g 2
L D
x D
LV 32
f g
2 V
D L
f D
LV 32
h
7 Keterangan
L : Panjang pipa m
D : Diameter pipa m
V : Kecepatan aliran ms
f : Faktor gesekan
h
L
: Headloss mayor m ρ
: Density kgm
3
γ : Berat jenis Nm
3
μ : Viskositas N.sm
2
b. Faktor gesekan pada aliran turbulen Pada aliran turbulen, perhitungan tidak bisa dihitung secara analitis, tergantung pada bilangan
Reynold dan kekasaran relative, dan harus ditentukan secara empiris menggunakan grafik, tabel, dan persamaan empiris. Beberapa persamaan yang digunakan untuk menentukan koefisien berdasarkan
Bilangan Reynold yaitu: Persamaan Blasius
8 Persamaan Blasius hanya berlaku untuk pipa licin smooth pipe dengan Bilangan Reynold berada
pada rentang 3.000 sampai 100.000. Persamaan Karman-Nikuradse
Persamaan Karman-Nikuradse hanya berlaku untuk Bilangan Reynold yang besar fully turbulent dan hanya tergantung pada kekasaran relatif.
D 2
log 2
74 ,
1 f
1
9 Persamaan Colebrook
Persamaan Colebrook berlaku untuk sembarang pipa dan sembarang Bilangan Reynold. Dapat juga digunakan tabel yang dibuat berdasarkan persamaan Colebrook.
f
N D
f
R
51 ,
2 7
, 3
log 2
1
10
11
Grafik Moody Faktor gesekan dapat diperkirakan dari grafik dengan absis bilangan Reynold, ordinat faktor gesekan
dan parameter kekasaran relatif. 11
Persamaan Swamee Jain 1976 Persamaan Swamee Jain berlaku untuk kekasaran relatif dari 10
2
sampai 10
6
dan berlaku untuk bilangan Reynold dari 5 x10
3
sampai 10
6
12
Tabel 5 .
Nilai ε untuk koefisien Colebrook No.
Lapisan dalam pipa Nilai dalan mm
Nilai ancar-ancar Angka
1. Kuningan
0.0015 0.0015
2. Tembaga
0.0015 0.0015
3. Beton
0.3000- 3.0000 1.2000
4. Besi tuang-tanpa pelapisan
0.1200-0.6100 0.2400
5. Besi tuang-pelapisan aspal
0.0610-0.1830 0.1200
6. Besi tuang-pelapisan semen
0.0024 0.0024
7. Galvanized iron pipe
0.0610-0.2400 0.0024
8. Pipa besi
0.0300-0.0240 0.1500
9. Welded steel pipe
0.0200-0.0910 0.0610
10. Riveted steel pipe
0.0200-0.0910 1.8100
11. PVC
0.0015 0.0015
12. HDPE
0.0070 0.0070
Sumber : Dharmasetiawan 2004 3.
Persamaan De Chezy Persamaan ini umum dipakai di saluran terbuka, tetapi dapat juga dipakai di jaringan
perpipaan. Secara umum persaman De Chezy adalah sebagai berikut: 13
Keterangan V
: Kecepatan ms R
: Radius hidrolils pipa S
: Slope hidrolis C
: koefisien Manning dimana C = R
16
n 14
Apabila atau
15 Maka
16
12
Tabel 6 . Nilai C untuk koefisien Manning
Sumber : Dharmasetiawan 2004 Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya disebut juga kehilangan
energi sekunder atau minor loss. Ada berbagai macam faktor yang mempengaruhi kehilangan tekanan, diantaranya karena fitting, seperti belokan bends, konstraksi, perbesaran dan gate valve dengan cara
pengukuran perbedaan tekanan pressure drop yang terjadi pada fitting. Jenis-jenis sambungan berpengaruh dalam hilangnya energi pada pipa.
Jenis-jenis fitting diantaranya: 1.
Constraction Constarction yaitu pipa yang mengalami pengurangan cross sectional area secara mendadak dari
saluran dengan membentuk pinggiran yang tajam. Tekanan yang melewati pinggiran yang tajam akan semakin besar.
a Sudden Constraction b Gradual Constraction
Gambar 4 . Jenis fitting- constraction
Tabel 7 . Harga K akibat penyempitan tiba-tiba
D
1
D
2
4.00 3.50
3.00 2.50
2.00 1.50
1.10 1.00
K
c
0.45 0.43
0.42 0.40
0.37 0.28
0.01 0.00
2. Enlargement
Enlargement, pipa yang mengalami penambahan cross sectional area secara mendadak dari saluran. Tekanan yang melewatinya akan semakin kecil.
3. Long Bend
Long Bend adalah belokan panjang pada pipa dengan sudut yang melingkar dan cross sectional area yang besar sehingga tekanannya kecil.
4. Short Bend
Short Bend merupakan belokan seperti pipa long bend tetapi lebih pendek dan cross sectional area yang lebih kecil sehingga tekanannya lebih besar.
No. Lapisan dalam pipa
Angka
1. Asbestos Cement Pipe
0.011 2.
Tembaga 0.011
3. Pipa Beton
0.011 4.
Besi Tuang 0.012
5. Galvanized Iron Pipe
0.012 6.
Pipa Besi 0.012
7. Welded Steel Pipe
0.010 8.
Riveted Steel Pipe 0.019
9. PVC
0.010 10.
HDPE 0.010
13
a Sudden Enlargement b Gradual Enlargement
Gambar 5 . Jenis fitting-Enlargement
Tabel 8 .
Harga K menurut besarnya θ
o
θ
o
= 20.00
40.00 60.00
80.00 K =
0.20 0.28
0.32 0.35
Gambar 6 . Jenis fitting- penyempitan
5. Elbow bend
Elbow Bend merupakan belokan pada pipa yang membentuk sudut siku-siku 90
o
dengan cross sectional area yang sangat kecil sehingga akan menimbulkan efek tekanan yang sangat besar.
Secara umum rumus kehilangan tekanan karena aksesoris pipa dinyatakan dengan: 17
Keterangan h
m
: Headloss minor m K
: Koefisien Kehilangan tekanan minor V
: Kecepatan aliran ms g
: Percepatan gravitasi m
2
s n
: Jumlah aksesoris
14
III. METODE PENELITIAN
Kategori