Analisis Sistem Jaringan Distribusi Air Bersih PDAM Tirtalihou Cabang Parapat Dengan Menggunakan Epanet 2.0 Dan Pipe Flow Expert
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian Air Bersih
Air adalah senyawa kimia yang sangat penting bagi kehidupan makhluk
hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan tidak dapat digantikan oleh senyawa
lain. Penggunaan air yang utama dan sangat vital bagi kehidupan adalah sebagai
air minum. Hal ini terutama untuk mencukupi kebutuhan air di dalam tubuh
manusia itu sendiri. Kehilangan air untuk 15% dari berat badan dapat
mengakibatkan kematian yang diakibatkan oleh dehidrasi. Karenanya orang
dewasa perlu meminum minimal sebanyak 1,5 – 2 liter air sehari untuk
keseimbangan dalam tubuh dan membantu proses metabolisme (Slamet, 2007). Di
dalam tubuh manusia, air diperlukan untuk transportasi zat – zat makanan dalam
bentuk larutan dan melarutkan berbagai jenis zat yang diperlukan tubuh. Misalnya
untuk melarutkan oksigen sebelum memasuki pembuluh-pembuluh darah yang
ada disekitar alveoli (Mulia, 2005).
Air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari-hari dan akan
menjadi air minum setelah dimasak terlebih dahulu. Sebagai batasannya, air
bersih adalah air yang memenuhi persyaratan bagi system penyediaan air minum.
Adapun persyaratan yang di maksud adalah persyaratan dari segi kualitas air yang
meliputi kualitas fisik, kimia, biologi dan radiologis, sehingga apabila dikonsumsi
tidak
menimbulkan
efek
samping
(Ketentuan
Umum
Permenkes
No.416/Menkes/PER/IX/1990).
2.2
Sistem Distribusi Air Bersih
Sistem distribusi adalah system yang langsung berhubungan dengan
konsumen, yang mempunyai fungsi pokok mendistribusikan air yang telah
17
Universitas Sumatera Utara
memenuhi syarat ke seluruh daerah pelayanan. System ini meliputi unsur system
perpipaan dan perlengkapannya, hidran kebakaran, tekanan tersedia, system
pemompaan (bila diperlukan), dan reservoir distribusi menurut Damanhuri, E.,
(1989).
Suplai air melalui pipa induk mempunyai dua macam system menurut
Kamala, K. R., (1999), yaitu :
Continuous system
Dalam system ini air minum yang disuplai ke konsumen mengalir terus
menerus selama 24 jam. Keuntungan system ini adalah konsumen setiap saat pada
memperoleh air bersih dari jaringan pipa distribusi di posisi pipa manapun.
Sedang kerugiannya pemakaian air akan cenderung akan lebih boros dan bila
terjadi sedikit kebocoran saja, maka jumlah air yang hilang akan sangat besar
jumlahn ya.
Intermitten system
Untuk mendistribusi air minum kepada konsumen dengan kuantitas, kualitas dan
tekanan yang cukup memerlukan system perpipaan yang baik, reservoir, pompa
dan peralatan yang lain. Metode dari pendistribusian air tergantung pada kondisi
topografi dari sumber air dan posisi para konsumen berada.
2.3
Kebutuhan Konsumsi Air Bersih
Kebutuhan air dapat didefenisikan sebagai jumlah air yang dibutuhkan
untuk keperluan rumah tangga, industry, pengelolaan kota dan lain-lain. Dalam
melayani jumlah cakupan pelayanan penduduk akan air bersih, maka
direncanakan kapasitas sistem penyediaan air bersih yang dibagi dalam dua
klasifikasi pemakaian air, yaitu untuk keperluan domestik (rumah tangga) dan non
domestik.
18
Universitas Sumatera Utara
2.3.1Kebutuhan Air Domestik
Kebutuhan Air Bersih Untuk Domestik (Rumah Tangga). Menurut
Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No.416/MENKES/PER/IX/1990
menyatakan bahwa kebutuhan domestik dimaksudkan adalah untuk memenuhi
kebutuhan air bersih bagi keperluan rumah tangga yang dilakukan melalui
Sambungan Rumah (SR) dan kebutuhan umum yang disediakan melalui fasilitas
Hidran Umum (HU). Pada Tabel 2.1 dibawah ini menunjukkan besar debit
domestik yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan domestik diperhitungkan
terhadap beberapa faktor:
a. Jumlah penduduk yang akan dilayani menurut target tahapan perencanaan
sesuai dengan rencana cakupan pelayanan.
b. Tingkat pemakaian air bersih diasumsikan tergantung pada kategori daerah
dan jumlah penduduknya.
Tabel 2.1 Kebutuhan air domestik berdasarkan jenis kota dan jumlah penduduk
Jumlah Kebutuhan
Jumlah Penduduk
Jenis Kota
(liter/orang/hari)
>2.000.000
Metropolitan
210
1.000.000-2.000.000
Metropolitan
150-210
500.000-1.000.000
Besar
120-150
100.000-500.000
Besar
100-150
20.000-100.000
Sedang
90-100
3.000-20.000
Kecil
60-100
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
19
Universitas Sumatera Utara
2.3.2Kebutuhan Air Non Domestik
Kebutuhan air non domestik merupakan tahap berikutnya dalam
perhitungan kebutuhan air bersih, besaran pemakaiannya ditentukan oleh jumlah
konsumen non domestik yang terdiri dari fasilitas-fasilitas yang telah disebutkan.
Sebagaimana penjelasan sebelumnya bahwa ada beberapa faktor yang dapat
menentukan perkembangan jumlah fasilitas tersebut, yaitu pertambahan
penduduk, jenis dan perluasan fasilitas serta perkembangan sosial ekonomi.
Perhitungan proyeksi fasilitas dapat dilakukan dengan pendekatan perbandingan
jumlah penduduk.
Tabel 2.2 Kebutuhan air non domestik untuk kategori kota
SEKTOR
NILAI
SATUAN
Sekolah
10
liter/murid/hari
Rumah Sakit
200
liter/bed/hari
Puskesmas
2000
liter/unit/hari
Masjid
3000
liter/unit/hari
Kantor
10
liter/pegawai/hari
Pasar
12000
liter/hektar/hari
Hotel
150
liter/bed/hari
Rumah Makan
100
liter/tempat duduk/hari
Kompleks Militer
60
liter/orang/hari
Kawasan Industri
0,2-0,8
liter/detik/hektar
Kawasan Pariwisata
0,1-0,3
liter/detik/hektar
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
Tabel 2.3 Kebutuhan air non domestik untuk kategori Desa
20
Universitas Sumatera Utara
SEKTOR
Sekolah
NILAI
5
SATUAN
liter/murid/hari
Rumah Sakit
200
liter/bed/hari
Puskesmas
2000
liter/unit/hari
Masjid
3000
liter/unit/hari
Mushola
2000
liter/unit/hari
Pasar
12000
liter/hektar/hari
Komersial/Industri
10
liter/hari
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
Tabel 2.4 Kebutuhan air non domestik untuk kategori lainnya
SEKTOR
NILAI
SATUAN
Lapangan Terbang
10
liter/orang/detik
Pelabuhan
50
liter/orang/detik
10
liter/orang/detik
Stasiun KA dan Terminal
Bus
Kawasan Insustri
0,75 liter/orang/hektar
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
2.4
Kapasitas dan Kebutuhan Fluktuasi Air Bersih
Penentuan kebutuhan air mengacu kepada kebutuhan air harian maksimum
(Qmaks) serta kebutuhan air jam maksimum (Qpeak) dengan referensi kebutuhan
air rata-rata.
a. Kebutuhan air rata-rata harian (QAv) adalah jumlah air yang diperlukan
untuk memenuhi kebutuhan domestik, non domestik dan kehilangan air.
21
Universitas Sumatera Utara
b. Kebutuhan air harian maksimum merupakan jumlah air terbanyak yang
diperlukan pada satu hari dalam kurun waktu satu tahun berdasarkan nilai Q
rata-rata harian. Diperlukan faktor fluktuasi kebutuhan harian maksimum
dalam perhitungannya.
Qmaks = fmaks x Qav ............................................................ (2.1)
Dimana :
Qmaks = Kebutuhan air harian maksimum (ltr/det)
fmaks = Faktor harian maksimum (1 < f maks < 1,5 )
QAv = Kebutuhan air rata-rata harian (ltr/det)
c. Kebutuhan air jam maksimum adalah jumlah air terbesar yang diperlukan
pada jam-jam tertentu. Faktor fluktuasi kebutuhan jam maksimum (fpeak)
diperlukan dalam perhitungannya.
Qpeak = fpeakx Qmaks.......................................................... (2.2)
Dimana :
Qpeak = Kebutuhan air jam maksimum (ltr/detik)
fpeak = Faktor fluktuasi jam maksimum ( 1 ,5 - 2,5 )
Qmax = Kebutuhan air harian maksimum (ltr/detik)
Banyak faktor yang mempengaruhi fluktuasi pemakaian air per jam,
dan untuk mendapatkan data ini diperlukan survei dan penelitian terhadap
aktivitas, kebiasaan serta kebutuhan air konsumen. Selain kapasitas
produksi pada unit pengolahan, perlu diperhitungkan juga faktor-faktor lain
yang berpengaruh terhadap perencanaan unit pengolahan.
d. Kehilangan air yaitu selisih antara jumlah air yang diproduksi di unit
pengolahan dengan jumlah air yang dikonsumsi dari jaringan distribusi.
Berdasarkan kenyataan di lapangan, kejadian akan kehilangan air dapat
bersifat teknis dan non teknis.
2.5
Debit Aliran
Jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang lintang aliran tiap satu
satuan waktu disebut debit aliran dan diberi notasi Q (Bambang, 1993). Debit
22
Universitas Sumatera Utara
aliran biasanya diukur dalam volume zat cair tiap satuan waktu, sehingga
satuannya adalah meter kubik per detik (m3/detik) atau satuan yang lain
(liter/detik, liter/menit).
Di dalam zat cair ideal, dimana tidak terjadi gesekan. Kecepatan aliran V
adalah sama di setiap titik pada tampang lintang. Apabila tampang aliran tegak
lurus pada arah aliran adalah A, maka debit aliran diberikan oleh bentuk berikut:
Q = V x A ....................................................................................... (2.3)
Dimana : Q = Debit aliran (m3/detik)
V = Kecepatan aliran (m/det)
A = luas penampang aliran (m2)
Dalam persamaan kontinuitas zat cair yang tak kompresibel mengalir secara
kontiniu melalui pipa atau saluran terbuka, dengan tampang aliran konstan
ataupun tidak konstan maka volume zat cair yang lewat tiap satuan waktu adalah
semua tampang (Bambang, 1993).
Dipandang dari tabung aliran seperti gambar 2.1 untuk aliran satu dimensi
dan mantap, kecepatan rata dan tampang lintang titik 1 dan 2 adalah V1 dan V2.
Sehingga persamaan kontinuitas melalui medan aliran adalah sebagai berikut:
Q1 = Q2 .......................................................................................... (2.4)
Dimana : Q1 dan Q2 = Debit aliran pada penampang 1 dan 2 (m3/detik)
Gambar 2.1 Aliran dengan persamaan kontinuitas
23
Universitas Sumatera Utara
2.6
Persamaan Bernoulli
Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus
didasarkan pada hukum Newton II tentang gerak (F=ma). Persamaan ini
diturunkan dengan anggapan bahwa (Bambang, 1993):
1. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi
akibat gesekan adalah nol);
2. Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair
adalah konstan);
3. Aliran adalah kontiniu dan sepanjang garis arus;
4. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang;
5. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan
Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk menentukan garis tekanan dan
tenaga (gambar 2.2). Garis tenaga dapat ditunjukkan oleh elevasi muka air pada
tabung pitot yang besarnya sama dengan tinggi total dari konstanta Bernoulli.
Sedang garis tekanan dapat ditunjukkan oleh elevasi muka air di dalam tabung
vertikal yang disambung pada pipa (Bambang, 1993).
�=�+ +
γ
�2
2
................................................................................ (2.5)
Dimana: p = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
V = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
z = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Pada aliran zat cair ideal, garis tenaga mempunyai tinggi tetap yang
menunjukkan jumlah dari tinggi elevasi, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan.
24
Universitas Sumatera Utara
Garis tekanan menunjukkan jumlah dari tinggi elevasi dan tinggi tekanan z + p/
yang bisa naik atau turun pada arah aliran dan tergantung pada luas tampangm
aliran. Di titik A dimana tampang aliran lebih kecil dari titik B, mengingat VA
lebih besar daripada VB. Akibatnya tinggi tekanan di A lebih kecil daripada di B.
Gambar 2.2 Garis Tenaga dan Tekanan Pada Zat Cair Ideal
Aplikasi persamaan Bernoulli untuk kedua titik di dalam medan aliran
adalah:
+
γ
+
�2
2
=
+
γ
+
�2
2
......................................................... (2.6)
Dimana:
PA dan PB = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
VA dan VB = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
ZA dan ZB = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan bahwa jumlah tinggi elevasi,
tinggi tekanan dan tinggi kecepatan di kedua titik adalah sama. Dengan demikian
25
Universitas Sumatera Utara
garis tenaga pada aliran zat cair ideal adalah konstan.Untuk zat cair riil (viskos),
dalam aliran zat cair akan terjadi kehilangan tenaga yang harus diperhitungkan
dalam aplikasi persamaan Bernoulli. Kehilangan tenaga hanya dapat terjadi
karena adanya gesekan antara zat cair dan dinding batas (hf) atau karena adanya
perubahan tampang lintang aliran (he). Kehilangan tenaga biasanya dinyatakan
dalam tinggi zat cair. Maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi
persamaan baru, dimana dirumuskan sebagai:
+
γ
+
�2
2
=
+
γ
+
�2
2
+
.............................................. ( 2.7)
Dimana:
hf = kehilangan tekanan (m)
PA dan PB = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
VA dan VB = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
ZA dan ZB = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
2.7 Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua tipe yaitu aliran laminer dan
turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur
mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil
dan kekentalan besar.
Pengaruh kekentalan adalah sangat besar sehingga dapat meredam
gangguan
yang
dapat
menyebabkan
aliran
menjadi
turbulen.
Dengan
berkurangnya kekentalan dan bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam
terhadap gangguan akan berkurang, yang sampai pada suatu batas tertentu akan
menyebabkan terjadi perubahan aliran dari laminer ke turbulen. Pada aliran
26
Universitas Sumatera Utara
turbulen gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran ini terjadi apabila
kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil (Bambang, 1993).
Menurut Reynolds, ada tiga faktor yang mempengaruhi keadaan aliran yaitu
kekentalan zat cair µ(mu), rapat massa zat cair ρ(rho), dan diameter pipa D.
Hubungan antara µ, ρ, dan D yang mempunyai dimensi sama dengan kecepatan
adalah µ/ρD.
Reynolds menunjukkan bahwa aliran dapat diklasifikasikan berdasarkan
suatu angka tertentu. Angka tersebut diturunkan dengan membagi kecepatan
aliran di dalam pipa dengan nilai µ/ρD, yang disebut dengan angka Reynolds
(Bambang, 1993). Angka Reynolds mempunyai bentuk berikut:
Re =
�
µ/ρD
ρDV
=
µ
atau Re =
VD
µ
............................................................. (2.8)
Dimana : Re = Reynolds number
μ = viskositas dinamik (Pa.det)
ρ = rapat massa zat cair (kg/m3)
D = diameter dalam pipa (m)
v = kecepatan aliran dalam fluida (m/det)
Berdasarkan pada percobaan aliran di dalam pipa, Reynolds menetapkan
bahwa untuk angka Reynolds di bawah 2.000, gangguan aliran dapat diredam oleh
kekentalan zat cair dan aliran dalam kondisi tersebut adalah laminer. Aliran akan
turbulen apabila angka Reynolds lebih besar 4.000. Apabila angka Reynolds
berada diantara kedua nilai tersebut ( 2000 < Re < 4000 ) aliran adalah transisi.
Angka Reynolds pada kedua nilai di atas (Re = 2000 dan Re = 4000) disebut
dengan batas kritis bawah dan kritis atas.
27
Universitas Sumatera Utara
2.8
Kehilangan Tinggi Tekanan
Kehilangan tinggi tekanan dapat berupa kehilangan mayor (mayor losses)
dan kehilangan minor (minor losses).
2.8.1 Kehilangan Tinggi Tekanan Mayor
Mayor losses terjadi sebagai akibat gesekan air dengan pipa. Kerugian head
akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan dari beberapa rumus berikut,
yaitu:
2.8.1.1 Persamaan Darcy – Weisbach
Dalam dinamika fluida, persamaan Darcy-Weisbach adalah persamaan
fenomenologika yang berkaitan dengan head loss, atau kehilangan tekanan akibat
gesekan sepanjang pipa terhadap kecepatan aliran rata-rata. Persamaan ini
terbentuk atas kontribusi Henry Darcy dan Julius Weisbach.
Rumus Darcy-Weisbach merupakan dasar menghitung head turun untuk
aliran fluida dalam pipa-pipa dan saluran (Herman, 1984). Persamaannya adalah:
=
� �2
2
.................................................................................... (2.9)
Dimana:
hf = kerugian head karena gesekan (m)
f = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody)
D = diameter pipa (m)
L = panjang pipa (m)
V = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
28
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.5 Kekasaran rata-rata pipa komersil (Frank, 1986)
Kekasaran (ε)
Bahan (dalam keadaan baru)
ft
mm
Baja Keling
0,003-0,03
0,9-9,0
Beton
0,001-0,01
0,3-3,0
0,0006-0,003
0,18-0,9
Beso Cor
0,00085
0,28
Besi berbalut-seng
0,0005
0,15
Besi-cor beraspal
0,0004
0,12
Baja kkomersial atau besi tempa
0,00015
0,046
Tabung/pipa tarik
0,000005
0,0015
"halus"
"halus"
Bilah tahang kayu
Kaca
Gambar 2.3 Diagram Moody
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 Reynolds kurang dari
29
Universitas Sumatera Utara
2000, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynolds, dinyatakan dengan
rumus:
f=
64
.............................................................................................. (2.10)
Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynolds lebih besar dari 4000,
maka hubungan antara bilangan Reynolds, faktor gesekan dan kekasaran relatif
menjadi lebih kompleks. Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa
didapatkan dari hasil eksperimen antara lain (Herman, 1986) :
a. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu :
1
= 2,0 log
3,7
................................................................ (2.11)
ε/d
b. Untuk pipa sangat halus seperti gelas dan plastik, hubungan antara bilangan
Reynolds dan faktor gesekan yaitu :
1. Blasius : f=
0,316
0,25
.................................................................. (2.12)
untuk Re = 3000 – 100.000
1
2. Von Karman : = 2,0 log
2,51
........................................ (2.13)
= 2,0 log
Untuk Re sampai dengan 3,106
− 0.8 ............................ (2.13)
c. Untuk pipa kasar, yaitu :
1
Von Karman : = 2,0 log + 1,74 ..................................... (2.14)
ε
Dimana harga f tidak tergantung pada bilangan Reynolds.
d. Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi yaitu :
1
Corelbrook – White : = −2,0 log
ε/d
3,7
+
2,51
................. (2.15)
Dimana: Re = Bilangan Reynolds
f = faktor gesekan
ε = kekasaran pipa
d = diameter pipa
30
Universitas Sumatera Utara
2.8.1.2 Persamaan Hazen – Williams
Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam
pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Bentuk
umum persamaan Hazen–Williams, yaitu:
=
10.666 1.95
1.95 4.95
Dimana:
� .......................................................................... (2.16)
hf = kerugian gesekan dalam pipa (m)
Q = laju aliran dalam pipa (m3/det)
L = panjang pipa (m)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams
d = diameter pipa (m)
Tabel 2.6 Koefisien kekasaran Hazen–Wiliam, C
Jenis Pipa
Koefisien C
Pipa sangat halis
140
Pipa halus, semen, besi tulangan
130
Pipa baja dilas halus
120
Pipa baja dikeling halus
110
Pipa besi tulang tua
100
Pipa baja keling tua
95
Pipa tua
60-80
(Bambang,1993)
2.8.2 Kehilangan Tinggi Tekan Minor
Rerugi kecil disebabkan (Frank, 1986) oleh:
1. Lubang masuk atau lubang keluar pipa;
31
Universitas Sumatera Utara
2. Pemuaian atau penyusutan tiba-tiba;
3. Kelokan, siku, sambungan T, dan piting lain;
4. Katup yang terbuka atau sebagian tertutup;
5. Pemuaian atau penyusutan berangsur.
Rerugi di atas mungkin tidak begitu kecil, misalnya katup yang
tertutupsebagian dapat menyebabkan penurunan tekanan yang lebih besar
daripada pipa yang panjang. Karena pola aliran dalam piting dan katup cukup
rumit, teorinya sangat lemah. Rerugi ini biasanya diukur secara eksperimental dan
dikorelasikan dengan parameter-parameter aliran pipa.
Besarnya kerugian minor dirumuskan sebagai berikut:
= � . �.
�2
2
............................................................................ (2.17)
Dimana:
g = percepatan gravitasi (9,81 m/det2)
v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det)
k = koefisien kerugian
Tabel 2.7 Kehilangan Tinggi Tekanan pada Katup, Alat Penyesuaian dan Pipa
Harga K dalam h= �.
1.
�2
2
Katup pintu
- Terbuka penuh
0,19
- 3/4 terbuka
1,15
- 1/2 terbuka
5,6
- 1/4 terbuka
24
2.
Katup bola, terbuka
10
3.
Katup sudut, terbuka
5
32
Universitas Sumatera Utara
4.
Bengkokan 90ᵒ
- Jari-jari pendek
0,9
- Jari-jari pertengahan
0,75
- Jari-jari panjang
0,6
5.
Lengkungan pengembalian 180ᵒ
2,2
6.
Bengkokan 45ᵒ
0,42
7.
Bengkokan 22 1/2 ᵒ (45cm)
0,13
8.
Sambungan T
1,25
9.
Sambungan pengecil (katup pada ujung yang
kecil)
0,25
10.
Sambungan pembesar
11.
Sambungan pengecil mulut lonceng
12.
Lubang terbuka
2.9
0,25 �12 − �22 /2
0,1
1,8
Persamaan Empiris Untuk Aliran Didalam Pipa
Seperti yang diuraikan sebelumnya bahwa permasalahan aliran fluida dalam
pipa dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan
Diagram Moody. Penggunaan rumus empiris juga dapat digunakan untuk
menyelesaikan permasalahan aliran. Dalam hal ini digunakan dua model rumus
yaitu persamaan Hazen Williams dan persamaan Manning.
1. Persamaan
Hazen-Williams
dengan
menggunakan
satuan
international yaitu (Robert, 2002):
� = 0.849
0.68 0.84
............................................. (2.18)
Dimana :
v = kecepatan aliran (m/det)
33
Universitas Sumatera Utara
C = koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams
R = jari-jari hidrolis ; d/4 untuk pipa bundar
s = slope dari gradient energi (Hl/L)
2. Persamaan Manning dengan satuan international yaitu (Robert,
2002):
�=
1
2/3 1/2
........................................................ (2.19)
Dimana :
n = koefisien kekasaran pipa Manning
R = jari-jari hidrolis ; d/4 untuk pipa bundar
s = slope dari gradient energi (Hl/L)
Persamaan Hazen-Williams umumnya digunakan untuk menghitung head
loss dalam pipa yang sangat panjang seperti jalur pipa penyedia air minum.
Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk zat cair lain selain air dan digunakan
khusus untuk aliran yang bersifat turbulen. Persamaan Darcy-Weisbach secara
teoritis tepat digunakan untuk semua rezim aliran dan semua jenis zat cair.
Persamaan Manning biasanya digunakan untuk saluran terbuka (open channel
flow).
2.10 Jaringan Pipa
Pemakaian jaringan pipa dalam bidang teknik sipil terdapat pada sistem
jaringan distribusi air minum. Sistem jaringan ini merupakan bagian yang paling
mahal dari suatu perusahaan air minum. Oleh karena itu harus dibuat perencanaan
yang teliti untuk mendapatkan sistem distribusi yang efisien. Jumlah atau debit air
yang disediakan tergantung pada jumlah penduduk dan macam industri yang
dilayani. Analisis jaringan pipa ini cukup rumit dan memerlukan perhitungan
yang besar, oleh karena itu pemakaian komputer untuk analisis ini akan
mengurangi kesulitan. Untuk jaringan kecil, pemakaian kalkulator untuk hitungan
masih dilakukan. Ada beberapa metode untuk menyelesaikan perhitungan sistem
jaringan pipa, diantaranya adalah metode Hardy-Cross dan metode matriks.
34
Universitas Sumatera Utara
Aliran keluar dari sistem biasanya dianggap terjadi pada titik-titik simpul.
Metode Hardy-Cross ini dilakukan secara iteratif. Pada awal hitungan ditetapkan
debit aliran melalui masing-masing pipa secara sembarang. Kemudian dihitung
debit aliran di semua pipa berdasarkan nilai awal tersebut. Prosedur hitungan
diulangi lagi sampai persamaan kontinuitas di setiap titik simpul dipenuhi. Pada
jaringan pipa harus dipenuhi persamaan kontinuitas dan tenaga (Bambang
Triatmodjo, 1993: 91-92) yaitu :
1. Aliran di dalam pipa harus memenuhi hukum-hukum gesekan pipa untuk
aliran dalam pipa tunggal.
=
8 �
�2 5
2
.................................................................... (2.34)
2. Aliran masuk ke dalam tiap-tiap simpul harus sama dengan aliran yang
keluar.
= 0 .............................................................................. (2.35)
3. Jumlah aljabar dari kehilangan tenaga dalam satu jaringan tertutup harus
sama dengan nol
= 0 ............................................................................... (2.36)
2.11 Prosedur Perhitungan Hardy-Cross
Gambar 2.4 Skema Jaringan Perpipaan yang Dianalisa
35
Universitas Sumatera Utara
Prosedur perhitungan dengan metode Hardy-Cross adalah sebagai berikut
(Bambang, 1993):
1. Pilih pembagian debit melalui tiap-tiap pipa Qo hingga terpenuhi
kontinuitas;
2. Hitung hf pada tiap pipa, hf = k.Q2
3.
Jaringan pipa dibagi menjadi sejumlah jaringan tertutup (tiap pipa
minimal masuk dalam satu jaringan);
4. Hitung Σhf tiap jaringan, jika pengaliran seimbang, Σhf = 0
5. Hitung nilai Σ |2kQ| untuk tiap jaringan
6. Hitung koreksi debit ∆ =
� 2
2�
..................................... (2.37)
Dimana : Qo = debit permisalan
7. Koreksi debit, Q = Qo + ΔQ, prosedur 1–6 diulangi hingga diperoleh
∆
≈0
Pada suatu jaringan perpipaan harus dipenuhi ketentuan berikut:
Perjumlahan tekanan disetiap circuit = 0 (nol)
Aliran yang masuk pada setiap titik simpul = aliran keluar
Persamaan Darcy–Weisbach atau rumus eksponensial berlaku untuk
masing-masing pipa.
Analisis jaringan pipa ini cukup rumit dan memerlukan perhitungan yang
besar, oleh karena itu pemakaian komputer untuk analisis ini akan mengurangi
kesulitan.
2.12 Epanet 2.0
Menurut Rossman (2000), Epanet adalah program komputer yang
menggambarkan simulasi hidrolis dan kecenderungan kualitas air yang mengalir
di dalam jaringan pipa. Jaringan itu sendiri terdiri dari Pipa, Node (titik koneksi
pipa), pompa, katub, dan tangki air atau reservoir. Epanet menjajaki aliran air di
tiap pipa, kondisi tekanan air di tiap titik dan kondisi konsentrasi bahan kimia
36
Universitas Sumatera Utara
yang mengalir di dalam pipa selama dalam periode pengaliran. Sebagai tambahan,
usia air (water age) dan pelacakan sumber dapat juga disimulasikan.
Epanet di design sebagai alat untuk mencapai dan mewujudkan pemahaman
tentang pergerakan dan nasib kandungan air minum dalam jaringan distribusi.
Juga dapat digunakan untuk berbagai analisa berbagai aplikasi jaringan
distribusi. Sebagai contoh untuk pembuatan design, kalibrasi model hidrolis,
analisa sisa khlor, dan analisa pelanggan. Epanet dapat membantu dalam
memanage strategi untuk merealisasikan qualitas air dalam suatu system. Semua
itu mencakup :
Alternatif penggunaan sumber dalam berbagai sumber dalam satu sistem
Alternatif pemompaan dlm penjadwalan pengisian/pengosongan tangki.
Penggunaan treatment, misal khlorinasi pada tangki penyimpan
Pen-target-an pembersihan pipa dan penggantiannya.
Dijalankan dalam lingkungan windows, Epanet dapat terintegrasi untuk
melakukan editing dalam pemasukan data, running simulasi dan melihat hasil
running dalam berbagai bentuk (format), Sudah pula termasuk kode-kode yang
berwarna pada peta, tabel data-data, grafik, serta citra kontur.
2.13 Software Pipe Flow Expert
Menurut Daxesoft (2015), Software Pipe Flow Expert adalah aplikasi
perangkat lunak yang berjalan pada sistem operasi Microsoft Windows. Software
Pipe Flow Expert memiliki antarmuka intuitif yang membuatnya mudah bagi
pengguna untuk mulai bekerja pada desain pipa mereka, yang dapat ditarik keluar
pada grid isometrik 2D atau 3D.
Software Pipe Flow Expert dirancang untuk membantu insinyur hari ini
menganalisa dan memecahkan berbagai masalah hidrolik dimana laju aliran,
kerugian tekanan dan persyaratan memompa seluruh jaringan pipa harus
ditentukan. Software Pipe Flow Expert akan memungkinkan Anda untuk dengan
mudah menarik keluar sistem pipa dan menganalisis kinerja sistem ketika aliran
37
Universitas Sumatera Utara
terjadi. Pipa Arus Ahli menghitung aliran dan tekanan kondisi stabil seimbang
dari sistem. Software ini akan memungkinkan Anda untuk melakukan analisis
sistem alternatif dalam berbagai kondisi operasi. Hasil yang dilaporkan meliputi:
Debit aliran untuk setiap pipa
Kecepatan cairan untuk setiap pipa
Nomor Reynolds
Faktor gesekan
Kehilangan tekanan gesekan
Tekanan pada setiap node
HGL nilai (Hydraulic Grade Line)
Nilai Operasi Pompa
Input dan menampilkan informasi sistem pada gambar Pipa Aliran Ahli dan
di tabel hasil dapat ditampilkan dalam satuan metrik atau imperial sesuai
preferensi Anda dan unit khusus untuk setiap item (seperti laju aliran) juga dapat
dikonfigurasi dan diatur pada secara individual seperti yang diperlukan.
Software Pipe Flow Expert telah dirancang untuk insinyur profesional yang
membutuhkan alat yang ampuh yang memiliki terkemuka kelas, mudah digunakan
dan antarmuka yang kuat yang membuatnya mudah untuk merancang dan
menganalisis jaringan pipa.
38
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian Air Bersih
Air adalah senyawa kimia yang sangat penting bagi kehidupan makhluk
hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan tidak dapat digantikan oleh senyawa
lain. Penggunaan air yang utama dan sangat vital bagi kehidupan adalah sebagai
air minum. Hal ini terutama untuk mencukupi kebutuhan air di dalam tubuh
manusia itu sendiri. Kehilangan air untuk 15% dari berat badan dapat
mengakibatkan kematian yang diakibatkan oleh dehidrasi. Karenanya orang
dewasa perlu meminum minimal sebanyak 1,5 – 2 liter air sehari untuk
keseimbangan dalam tubuh dan membantu proses metabolisme (Slamet, 2007). Di
dalam tubuh manusia, air diperlukan untuk transportasi zat – zat makanan dalam
bentuk larutan dan melarutkan berbagai jenis zat yang diperlukan tubuh. Misalnya
untuk melarutkan oksigen sebelum memasuki pembuluh-pembuluh darah yang
ada disekitar alveoli (Mulia, 2005).
Air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari-hari dan akan
menjadi air minum setelah dimasak terlebih dahulu. Sebagai batasannya, air
bersih adalah air yang memenuhi persyaratan bagi system penyediaan air minum.
Adapun persyaratan yang di maksud adalah persyaratan dari segi kualitas air yang
meliputi kualitas fisik, kimia, biologi dan radiologis, sehingga apabila dikonsumsi
tidak
menimbulkan
efek
samping
(Ketentuan
Umum
Permenkes
No.416/Menkes/PER/IX/1990).
2.2
Sistem Distribusi Air Bersih
Sistem distribusi adalah system yang langsung berhubungan dengan
konsumen, yang mempunyai fungsi pokok mendistribusikan air yang telah
17
Universitas Sumatera Utara
memenuhi syarat ke seluruh daerah pelayanan. System ini meliputi unsur system
perpipaan dan perlengkapannya, hidran kebakaran, tekanan tersedia, system
pemompaan (bila diperlukan), dan reservoir distribusi menurut Damanhuri, E.,
(1989).
Suplai air melalui pipa induk mempunyai dua macam system menurut
Kamala, K. R., (1999), yaitu :
Continuous system
Dalam system ini air minum yang disuplai ke konsumen mengalir terus
menerus selama 24 jam. Keuntungan system ini adalah konsumen setiap saat pada
memperoleh air bersih dari jaringan pipa distribusi di posisi pipa manapun.
Sedang kerugiannya pemakaian air akan cenderung akan lebih boros dan bila
terjadi sedikit kebocoran saja, maka jumlah air yang hilang akan sangat besar
jumlahn ya.
Intermitten system
Untuk mendistribusi air minum kepada konsumen dengan kuantitas, kualitas dan
tekanan yang cukup memerlukan system perpipaan yang baik, reservoir, pompa
dan peralatan yang lain. Metode dari pendistribusian air tergantung pada kondisi
topografi dari sumber air dan posisi para konsumen berada.
2.3
Kebutuhan Konsumsi Air Bersih
Kebutuhan air dapat didefenisikan sebagai jumlah air yang dibutuhkan
untuk keperluan rumah tangga, industry, pengelolaan kota dan lain-lain. Dalam
melayani jumlah cakupan pelayanan penduduk akan air bersih, maka
direncanakan kapasitas sistem penyediaan air bersih yang dibagi dalam dua
klasifikasi pemakaian air, yaitu untuk keperluan domestik (rumah tangga) dan non
domestik.
18
Universitas Sumatera Utara
2.3.1Kebutuhan Air Domestik
Kebutuhan Air Bersih Untuk Domestik (Rumah Tangga). Menurut
Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No.416/MENKES/PER/IX/1990
menyatakan bahwa kebutuhan domestik dimaksudkan adalah untuk memenuhi
kebutuhan air bersih bagi keperluan rumah tangga yang dilakukan melalui
Sambungan Rumah (SR) dan kebutuhan umum yang disediakan melalui fasilitas
Hidran Umum (HU). Pada Tabel 2.1 dibawah ini menunjukkan besar debit
domestik yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan domestik diperhitungkan
terhadap beberapa faktor:
a. Jumlah penduduk yang akan dilayani menurut target tahapan perencanaan
sesuai dengan rencana cakupan pelayanan.
b. Tingkat pemakaian air bersih diasumsikan tergantung pada kategori daerah
dan jumlah penduduknya.
Tabel 2.1 Kebutuhan air domestik berdasarkan jenis kota dan jumlah penduduk
Jumlah Kebutuhan
Jumlah Penduduk
Jenis Kota
(liter/orang/hari)
>2.000.000
Metropolitan
210
1.000.000-2.000.000
Metropolitan
150-210
500.000-1.000.000
Besar
120-150
100.000-500.000
Besar
100-150
20.000-100.000
Sedang
90-100
3.000-20.000
Kecil
60-100
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
19
Universitas Sumatera Utara
2.3.2Kebutuhan Air Non Domestik
Kebutuhan air non domestik merupakan tahap berikutnya dalam
perhitungan kebutuhan air bersih, besaran pemakaiannya ditentukan oleh jumlah
konsumen non domestik yang terdiri dari fasilitas-fasilitas yang telah disebutkan.
Sebagaimana penjelasan sebelumnya bahwa ada beberapa faktor yang dapat
menentukan perkembangan jumlah fasilitas tersebut, yaitu pertambahan
penduduk, jenis dan perluasan fasilitas serta perkembangan sosial ekonomi.
Perhitungan proyeksi fasilitas dapat dilakukan dengan pendekatan perbandingan
jumlah penduduk.
Tabel 2.2 Kebutuhan air non domestik untuk kategori kota
SEKTOR
NILAI
SATUAN
Sekolah
10
liter/murid/hari
Rumah Sakit
200
liter/bed/hari
Puskesmas
2000
liter/unit/hari
Masjid
3000
liter/unit/hari
Kantor
10
liter/pegawai/hari
Pasar
12000
liter/hektar/hari
Hotel
150
liter/bed/hari
Rumah Makan
100
liter/tempat duduk/hari
Kompleks Militer
60
liter/orang/hari
Kawasan Industri
0,2-0,8
liter/detik/hektar
Kawasan Pariwisata
0,1-0,3
liter/detik/hektar
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
Tabel 2.3 Kebutuhan air non domestik untuk kategori Desa
20
Universitas Sumatera Utara
SEKTOR
Sekolah
NILAI
5
SATUAN
liter/murid/hari
Rumah Sakit
200
liter/bed/hari
Puskesmas
2000
liter/unit/hari
Masjid
3000
liter/unit/hari
Mushola
2000
liter/unit/hari
Pasar
12000
liter/hektar/hari
Komersial/Industri
10
liter/hari
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
Tabel 2.4 Kebutuhan air non domestik untuk kategori lainnya
SEKTOR
NILAI
SATUAN
Lapangan Terbang
10
liter/orang/detik
Pelabuhan
50
liter/orang/detik
10
liter/orang/detik
Stasiun KA dan Terminal
Bus
Kawasan Insustri
0,75 liter/orang/hektar
Sumber : Kriteria Perencanaan Ditjen Cipta Karya Dinas PU, 1996.
2.4
Kapasitas dan Kebutuhan Fluktuasi Air Bersih
Penentuan kebutuhan air mengacu kepada kebutuhan air harian maksimum
(Qmaks) serta kebutuhan air jam maksimum (Qpeak) dengan referensi kebutuhan
air rata-rata.
a. Kebutuhan air rata-rata harian (QAv) adalah jumlah air yang diperlukan
untuk memenuhi kebutuhan domestik, non domestik dan kehilangan air.
21
Universitas Sumatera Utara
b. Kebutuhan air harian maksimum merupakan jumlah air terbanyak yang
diperlukan pada satu hari dalam kurun waktu satu tahun berdasarkan nilai Q
rata-rata harian. Diperlukan faktor fluktuasi kebutuhan harian maksimum
dalam perhitungannya.
Qmaks = fmaks x Qav ............................................................ (2.1)
Dimana :
Qmaks = Kebutuhan air harian maksimum (ltr/det)
fmaks = Faktor harian maksimum (1 < f maks < 1,5 )
QAv = Kebutuhan air rata-rata harian (ltr/det)
c. Kebutuhan air jam maksimum adalah jumlah air terbesar yang diperlukan
pada jam-jam tertentu. Faktor fluktuasi kebutuhan jam maksimum (fpeak)
diperlukan dalam perhitungannya.
Qpeak = fpeakx Qmaks.......................................................... (2.2)
Dimana :
Qpeak = Kebutuhan air jam maksimum (ltr/detik)
fpeak = Faktor fluktuasi jam maksimum ( 1 ,5 - 2,5 )
Qmax = Kebutuhan air harian maksimum (ltr/detik)
Banyak faktor yang mempengaruhi fluktuasi pemakaian air per jam,
dan untuk mendapatkan data ini diperlukan survei dan penelitian terhadap
aktivitas, kebiasaan serta kebutuhan air konsumen. Selain kapasitas
produksi pada unit pengolahan, perlu diperhitungkan juga faktor-faktor lain
yang berpengaruh terhadap perencanaan unit pengolahan.
d. Kehilangan air yaitu selisih antara jumlah air yang diproduksi di unit
pengolahan dengan jumlah air yang dikonsumsi dari jaringan distribusi.
Berdasarkan kenyataan di lapangan, kejadian akan kehilangan air dapat
bersifat teknis dan non teknis.
2.5
Debit Aliran
Jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang lintang aliran tiap satu
satuan waktu disebut debit aliran dan diberi notasi Q (Bambang, 1993). Debit
22
Universitas Sumatera Utara
aliran biasanya diukur dalam volume zat cair tiap satuan waktu, sehingga
satuannya adalah meter kubik per detik (m3/detik) atau satuan yang lain
(liter/detik, liter/menit).
Di dalam zat cair ideal, dimana tidak terjadi gesekan. Kecepatan aliran V
adalah sama di setiap titik pada tampang lintang. Apabila tampang aliran tegak
lurus pada arah aliran adalah A, maka debit aliran diberikan oleh bentuk berikut:
Q = V x A ....................................................................................... (2.3)
Dimana : Q = Debit aliran (m3/detik)
V = Kecepatan aliran (m/det)
A = luas penampang aliran (m2)
Dalam persamaan kontinuitas zat cair yang tak kompresibel mengalir secara
kontiniu melalui pipa atau saluran terbuka, dengan tampang aliran konstan
ataupun tidak konstan maka volume zat cair yang lewat tiap satuan waktu adalah
semua tampang (Bambang, 1993).
Dipandang dari tabung aliran seperti gambar 2.1 untuk aliran satu dimensi
dan mantap, kecepatan rata dan tampang lintang titik 1 dan 2 adalah V1 dan V2.
Sehingga persamaan kontinuitas melalui medan aliran adalah sebagai berikut:
Q1 = Q2 .......................................................................................... (2.4)
Dimana : Q1 dan Q2 = Debit aliran pada penampang 1 dan 2 (m3/detik)
Gambar 2.1 Aliran dengan persamaan kontinuitas
23
Universitas Sumatera Utara
2.6
Persamaan Bernoulli
Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus
didasarkan pada hukum Newton II tentang gerak (F=ma). Persamaan ini
diturunkan dengan anggapan bahwa (Bambang, 1993):
1. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi
akibat gesekan adalah nol);
2. Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair
adalah konstan);
3. Aliran adalah kontiniu dan sepanjang garis arus;
4. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang;
5. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan
Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk menentukan garis tekanan dan
tenaga (gambar 2.2). Garis tenaga dapat ditunjukkan oleh elevasi muka air pada
tabung pitot yang besarnya sama dengan tinggi total dari konstanta Bernoulli.
Sedang garis tekanan dapat ditunjukkan oleh elevasi muka air di dalam tabung
vertikal yang disambung pada pipa (Bambang, 1993).
�=�+ +
γ
�2
2
................................................................................ (2.5)
Dimana: p = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
V = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
z = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Pada aliran zat cair ideal, garis tenaga mempunyai tinggi tetap yang
menunjukkan jumlah dari tinggi elevasi, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan.
24
Universitas Sumatera Utara
Garis tekanan menunjukkan jumlah dari tinggi elevasi dan tinggi tekanan z + p/
yang bisa naik atau turun pada arah aliran dan tergantung pada luas tampangm
aliran. Di titik A dimana tampang aliran lebih kecil dari titik B, mengingat VA
lebih besar daripada VB. Akibatnya tinggi tekanan di A lebih kecil daripada di B.
Gambar 2.2 Garis Tenaga dan Tekanan Pada Zat Cair Ideal
Aplikasi persamaan Bernoulli untuk kedua titik di dalam medan aliran
adalah:
+
γ
+
�2
2
=
+
γ
+
�2
2
......................................................... (2.6)
Dimana:
PA dan PB = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
VA dan VB = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
ZA dan ZB = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan bahwa jumlah tinggi elevasi,
tinggi tekanan dan tinggi kecepatan di kedua titik adalah sama. Dengan demikian
25
Universitas Sumatera Utara
garis tenaga pada aliran zat cair ideal adalah konstan.Untuk zat cair riil (viskos),
dalam aliran zat cair akan terjadi kehilangan tenaga yang harus diperhitungkan
dalam aplikasi persamaan Bernoulli. Kehilangan tenaga hanya dapat terjadi
karena adanya gesekan antara zat cair dan dinding batas (hf) atau karena adanya
perubahan tampang lintang aliran (he). Kehilangan tenaga biasanya dinyatakan
dalam tinggi zat cair. Maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi
persamaan baru, dimana dirumuskan sebagai:
+
γ
+
�2
2
=
+
γ
+
�2
2
+
.............................................. ( 2.7)
Dimana:
hf = kehilangan tekanan (m)
PA dan PB = tekanan pada titik A dan B (kN/m2)
VA dan VB = kecepatan aliran pada titik A dan B (m/det)
ZA dan ZB = perbedaan ketinggian antara titik A dan B (m)
γ = berat jenis fluida (kN/m3)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
2.7 Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua tipe yaitu aliran laminer dan
turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur
mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil
dan kekentalan besar.
Pengaruh kekentalan adalah sangat besar sehingga dapat meredam
gangguan
yang
dapat
menyebabkan
aliran
menjadi
turbulen.
Dengan
berkurangnya kekentalan dan bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam
terhadap gangguan akan berkurang, yang sampai pada suatu batas tertentu akan
menyebabkan terjadi perubahan aliran dari laminer ke turbulen. Pada aliran
26
Universitas Sumatera Utara
turbulen gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran ini terjadi apabila
kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil (Bambang, 1993).
Menurut Reynolds, ada tiga faktor yang mempengaruhi keadaan aliran yaitu
kekentalan zat cair µ(mu), rapat massa zat cair ρ(rho), dan diameter pipa D.
Hubungan antara µ, ρ, dan D yang mempunyai dimensi sama dengan kecepatan
adalah µ/ρD.
Reynolds menunjukkan bahwa aliran dapat diklasifikasikan berdasarkan
suatu angka tertentu. Angka tersebut diturunkan dengan membagi kecepatan
aliran di dalam pipa dengan nilai µ/ρD, yang disebut dengan angka Reynolds
(Bambang, 1993). Angka Reynolds mempunyai bentuk berikut:
Re =
�
µ/ρD
ρDV
=
µ
atau Re =
VD
µ
............................................................. (2.8)
Dimana : Re = Reynolds number
μ = viskositas dinamik (Pa.det)
ρ = rapat massa zat cair (kg/m3)
D = diameter dalam pipa (m)
v = kecepatan aliran dalam fluida (m/det)
Berdasarkan pada percobaan aliran di dalam pipa, Reynolds menetapkan
bahwa untuk angka Reynolds di bawah 2.000, gangguan aliran dapat diredam oleh
kekentalan zat cair dan aliran dalam kondisi tersebut adalah laminer. Aliran akan
turbulen apabila angka Reynolds lebih besar 4.000. Apabila angka Reynolds
berada diantara kedua nilai tersebut ( 2000 < Re < 4000 ) aliran adalah transisi.
Angka Reynolds pada kedua nilai di atas (Re = 2000 dan Re = 4000) disebut
dengan batas kritis bawah dan kritis atas.
27
Universitas Sumatera Utara
2.8
Kehilangan Tinggi Tekanan
Kehilangan tinggi tekanan dapat berupa kehilangan mayor (mayor losses)
dan kehilangan minor (minor losses).
2.8.1 Kehilangan Tinggi Tekanan Mayor
Mayor losses terjadi sebagai akibat gesekan air dengan pipa. Kerugian head
akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan dari beberapa rumus berikut,
yaitu:
2.8.1.1 Persamaan Darcy – Weisbach
Dalam dinamika fluida, persamaan Darcy-Weisbach adalah persamaan
fenomenologika yang berkaitan dengan head loss, atau kehilangan tekanan akibat
gesekan sepanjang pipa terhadap kecepatan aliran rata-rata. Persamaan ini
terbentuk atas kontribusi Henry Darcy dan Julius Weisbach.
Rumus Darcy-Weisbach merupakan dasar menghitung head turun untuk
aliran fluida dalam pipa-pipa dan saluran (Herman, 1984). Persamaannya adalah:
=
� �2
2
.................................................................................... (2.9)
Dimana:
hf = kerugian head karena gesekan (m)
f = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody)
D = diameter pipa (m)
L = panjang pipa (m)
V = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
28
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.5 Kekasaran rata-rata pipa komersil (Frank, 1986)
Kekasaran (ε)
Bahan (dalam keadaan baru)
ft
mm
Baja Keling
0,003-0,03
0,9-9,0
Beton
0,001-0,01
0,3-3,0
0,0006-0,003
0,18-0,9
Beso Cor
0,00085
0,28
Besi berbalut-seng
0,0005
0,15
Besi-cor beraspal
0,0004
0,12
Baja kkomersial atau besi tempa
0,00015
0,046
Tabung/pipa tarik
0,000005
0,0015
"halus"
"halus"
Bilah tahang kayu
Kaca
Gambar 2.3 Diagram Moody
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 Reynolds kurang dari
29
Universitas Sumatera Utara
2000, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynolds, dinyatakan dengan
rumus:
f=
64
.............................................................................................. (2.10)
Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynolds lebih besar dari 4000,
maka hubungan antara bilangan Reynolds, faktor gesekan dan kekasaran relatif
menjadi lebih kompleks. Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa
didapatkan dari hasil eksperimen antara lain (Herman, 1986) :
a. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu :
1
= 2,0 log
3,7
................................................................ (2.11)
ε/d
b. Untuk pipa sangat halus seperti gelas dan plastik, hubungan antara bilangan
Reynolds dan faktor gesekan yaitu :
1. Blasius : f=
0,316
0,25
.................................................................. (2.12)
untuk Re = 3000 – 100.000
1
2. Von Karman : = 2,0 log
2,51
........................................ (2.13)
= 2,0 log
Untuk Re sampai dengan 3,106
− 0.8 ............................ (2.13)
c. Untuk pipa kasar, yaitu :
1
Von Karman : = 2,0 log + 1,74 ..................................... (2.14)
ε
Dimana harga f tidak tergantung pada bilangan Reynolds.
d. Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi yaitu :
1
Corelbrook – White : = −2,0 log
ε/d
3,7
+
2,51
................. (2.15)
Dimana: Re = Bilangan Reynolds
f = faktor gesekan
ε = kekasaran pipa
d = diameter pipa
30
Universitas Sumatera Utara
2.8.1.2 Persamaan Hazen – Williams
Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam
pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Bentuk
umum persamaan Hazen–Williams, yaitu:
=
10.666 1.95
1.95 4.95
Dimana:
� .......................................................................... (2.16)
hf = kerugian gesekan dalam pipa (m)
Q = laju aliran dalam pipa (m3/det)
L = panjang pipa (m)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams
d = diameter pipa (m)
Tabel 2.6 Koefisien kekasaran Hazen–Wiliam, C
Jenis Pipa
Koefisien C
Pipa sangat halis
140
Pipa halus, semen, besi tulangan
130
Pipa baja dilas halus
120
Pipa baja dikeling halus
110
Pipa besi tulang tua
100
Pipa baja keling tua
95
Pipa tua
60-80
(Bambang,1993)
2.8.2 Kehilangan Tinggi Tekan Minor
Rerugi kecil disebabkan (Frank, 1986) oleh:
1. Lubang masuk atau lubang keluar pipa;
31
Universitas Sumatera Utara
2. Pemuaian atau penyusutan tiba-tiba;
3. Kelokan, siku, sambungan T, dan piting lain;
4. Katup yang terbuka atau sebagian tertutup;
5. Pemuaian atau penyusutan berangsur.
Rerugi di atas mungkin tidak begitu kecil, misalnya katup yang
tertutupsebagian dapat menyebabkan penurunan tekanan yang lebih besar
daripada pipa yang panjang. Karena pola aliran dalam piting dan katup cukup
rumit, teorinya sangat lemah. Rerugi ini biasanya diukur secara eksperimental dan
dikorelasikan dengan parameter-parameter aliran pipa.
Besarnya kerugian minor dirumuskan sebagai berikut:
= � . �.
�2
2
............................................................................ (2.17)
Dimana:
g = percepatan gravitasi (9,81 m/det2)
v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det)
k = koefisien kerugian
Tabel 2.7 Kehilangan Tinggi Tekanan pada Katup, Alat Penyesuaian dan Pipa
Harga K dalam h= �.
1.
�2
2
Katup pintu
- Terbuka penuh
0,19
- 3/4 terbuka
1,15
- 1/2 terbuka
5,6
- 1/4 terbuka
24
2.
Katup bola, terbuka
10
3.
Katup sudut, terbuka
5
32
Universitas Sumatera Utara
4.
Bengkokan 90ᵒ
- Jari-jari pendek
0,9
- Jari-jari pertengahan
0,75
- Jari-jari panjang
0,6
5.
Lengkungan pengembalian 180ᵒ
2,2
6.
Bengkokan 45ᵒ
0,42
7.
Bengkokan 22 1/2 ᵒ (45cm)
0,13
8.
Sambungan T
1,25
9.
Sambungan pengecil (katup pada ujung yang
kecil)
0,25
10.
Sambungan pembesar
11.
Sambungan pengecil mulut lonceng
12.
Lubang terbuka
2.9
0,25 �12 − �22 /2
0,1
1,8
Persamaan Empiris Untuk Aliran Didalam Pipa
Seperti yang diuraikan sebelumnya bahwa permasalahan aliran fluida dalam
pipa dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan
Diagram Moody. Penggunaan rumus empiris juga dapat digunakan untuk
menyelesaikan permasalahan aliran. Dalam hal ini digunakan dua model rumus
yaitu persamaan Hazen Williams dan persamaan Manning.
1. Persamaan
Hazen-Williams
dengan
menggunakan
satuan
international yaitu (Robert, 2002):
� = 0.849
0.68 0.84
............................................. (2.18)
Dimana :
v = kecepatan aliran (m/det)
33
Universitas Sumatera Utara
C = koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams
R = jari-jari hidrolis ; d/4 untuk pipa bundar
s = slope dari gradient energi (Hl/L)
2. Persamaan Manning dengan satuan international yaitu (Robert,
2002):
�=
1
2/3 1/2
........................................................ (2.19)
Dimana :
n = koefisien kekasaran pipa Manning
R = jari-jari hidrolis ; d/4 untuk pipa bundar
s = slope dari gradient energi (Hl/L)
Persamaan Hazen-Williams umumnya digunakan untuk menghitung head
loss dalam pipa yang sangat panjang seperti jalur pipa penyedia air minum.
Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk zat cair lain selain air dan digunakan
khusus untuk aliran yang bersifat turbulen. Persamaan Darcy-Weisbach secara
teoritis tepat digunakan untuk semua rezim aliran dan semua jenis zat cair.
Persamaan Manning biasanya digunakan untuk saluran terbuka (open channel
flow).
2.10 Jaringan Pipa
Pemakaian jaringan pipa dalam bidang teknik sipil terdapat pada sistem
jaringan distribusi air minum. Sistem jaringan ini merupakan bagian yang paling
mahal dari suatu perusahaan air minum. Oleh karena itu harus dibuat perencanaan
yang teliti untuk mendapatkan sistem distribusi yang efisien. Jumlah atau debit air
yang disediakan tergantung pada jumlah penduduk dan macam industri yang
dilayani. Analisis jaringan pipa ini cukup rumit dan memerlukan perhitungan
yang besar, oleh karena itu pemakaian komputer untuk analisis ini akan
mengurangi kesulitan. Untuk jaringan kecil, pemakaian kalkulator untuk hitungan
masih dilakukan. Ada beberapa metode untuk menyelesaikan perhitungan sistem
jaringan pipa, diantaranya adalah metode Hardy-Cross dan metode matriks.
34
Universitas Sumatera Utara
Aliran keluar dari sistem biasanya dianggap terjadi pada titik-titik simpul.
Metode Hardy-Cross ini dilakukan secara iteratif. Pada awal hitungan ditetapkan
debit aliran melalui masing-masing pipa secara sembarang. Kemudian dihitung
debit aliran di semua pipa berdasarkan nilai awal tersebut. Prosedur hitungan
diulangi lagi sampai persamaan kontinuitas di setiap titik simpul dipenuhi. Pada
jaringan pipa harus dipenuhi persamaan kontinuitas dan tenaga (Bambang
Triatmodjo, 1993: 91-92) yaitu :
1. Aliran di dalam pipa harus memenuhi hukum-hukum gesekan pipa untuk
aliran dalam pipa tunggal.
=
8 �
�2 5
2
.................................................................... (2.34)
2. Aliran masuk ke dalam tiap-tiap simpul harus sama dengan aliran yang
keluar.
= 0 .............................................................................. (2.35)
3. Jumlah aljabar dari kehilangan tenaga dalam satu jaringan tertutup harus
sama dengan nol
= 0 ............................................................................... (2.36)
2.11 Prosedur Perhitungan Hardy-Cross
Gambar 2.4 Skema Jaringan Perpipaan yang Dianalisa
35
Universitas Sumatera Utara
Prosedur perhitungan dengan metode Hardy-Cross adalah sebagai berikut
(Bambang, 1993):
1. Pilih pembagian debit melalui tiap-tiap pipa Qo hingga terpenuhi
kontinuitas;
2. Hitung hf pada tiap pipa, hf = k.Q2
3.
Jaringan pipa dibagi menjadi sejumlah jaringan tertutup (tiap pipa
minimal masuk dalam satu jaringan);
4. Hitung Σhf tiap jaringan, jika pengaliran seimbang, Σhf = 0
5. Hitung nilai Σ |2kQ| untuk tiap jaringan
6. Hitung koreksi debit ∆ =
� 2
2�
..................................... (2.37)
Dimana : Qo = debit permisalan
7. Koreksi debit, Q = Qo + ΔQ, prosedur 1–6 diulangi hingga diperoleh
∆
≈0
Pada suatu jaringan perpipaan harus dipenuhi ketentuan berikut:
Perjumlahan tekanan disetiap circuit = 0 (nol)
Aliran yang masuk pada setiap titik simpul = aliran keluar
Persamaan Darcy–Weisbach atau rumus eksponensial berlaku untuk
masing-masing pipa.
Analisis jaringan pipa ini cukup rumit dan memerlukan perhitungan yang
besar, oleh karena itu pemakaian komputer untuk analisis ini akan mengurangi
kesulitan.
2.12 Epanet 2.0
Menurut Rossman (2000), Epanet adalah program komputer yang
menggambarkan simulasi hidrolis dan kecenderungan kualitas air yang mengalir
di dalam jaringan pipa. Jaringan itu sendiri terdiri dari Pipa, Node (titik koneksi
pipa), pompa, katub, dan tangki air atau reservoir. Epanet menjajaki aliran air di
tiap pipa, kondisi tekanan air di tiap titik dan kondisi konsentrasi bahan kimia
36
Universitas Sumatera Utara
yang mengalir di dalam pipa selama dalam periode pengaliran. Sebagai tambahan,
usia air (water age) dan pelacakan sumber dapat juga disimulasikan.
Epanet di design sebagai alat untuk mencapai dan mewujudkan pemahaman
tentang pergerakan dan nasib kandungan air minum dalam jaringan distribusi.
Juga dapat digunakan untuk berbagai analisa berbagai aplikasi jaringan
distribusi. Sebagai contoh untuk pembuatan design, kalibrasi model hidrolis,
analisa sisa khlor, dan analisa pelanggan. Epanet dapat membantu dalam
memanage strategi untuk merealisasikan qualitas air dalam suatu system. Semua
itu mencakup :
Alternatif penggunaan sumber dalam berbagai sumber dalam satu sistem
Alternatif pemompaan dlm penjadwalan pengisian/pengosongan tangki.
Penggunaan treatment, misal khlorinasi pada tangki penyimpan
Pen-target-an pembersihan pipa dan penggantiannya.
Dijalankan dalam lingkungan windows, Epanet dapat terintegrasi untuk
melakukan editing dalam pemasukan data, running simulasi dan melihat hasil
running dalam berbagai bentuk (format), Sudah pula termasuk kode-kode yang
berwarna pada peta, tabel data-data, grafik, serta citra kontur.
2.13 Software Pipe Flow Expert
Menurut Daxesoft (2015), Software Pipe Flow Expert adalah aplikasi
perangkat lunak yang berjalan pada sistem operasi Microsoft Windows. Software
Pipe Flow Expert memiliki antarmuka intuitif yang membuatnya mudah bagi
pengguna untuk mulai bekerja pada desain pipa mereka, yang dapat ditarik keluar
pada grid isometrik 2D atau 3D.
Software Pipe Flow Expert dirancang untuk membantu insinyur hari ini
menganalisa dan memecahkan berbagai masalah hidrolik dimana laju aliran,
kerugian tekanan dan persyaratan memompa seluruh jaringan pipa harus
ditentukan. Software Pipe Flow Expert akan memungkinkan Anda untuk dengan
mudah menarik keluar sistem pipa dan menganalisis kinerja sistem ketika aliran
37
Universitas Sumatera Utara
terjadi. Pipa Arus Ahli menghitung aliran dan tekanan kondisi stabil seimbang
dari sistem. Software ini akan memungkinkan Anda untuk melakukan analisis
sistem alternatif dalam berbagai kondisi operasi. Hasil yang dilaporkan meliputi:
Debit aliran untuk setiap pipa
Kecepatan cairan untuk setiap pipa
Nomor Reynolds
Faktor gesekan
Kehilangan tekanan gesekan
Tekanan pada setiap node
HGL nilai (Hydraulic Grade Line)
Nilai Operasi Pompa
Input dan menampilkan informasi sistem pada gambar Pipa Aliran Ahli dan
di tabel hasil dapat ditampilkan dalam satuan metrik atau imperial sesuai
preferensi Anda dan unit khusus untuk setiap item (seperti laju aliran) juga dapat
dikonfigurasi dan diatur pada secara individual seperti yang diperlukan.
Software Pipe Flow Expert telah dirancang untuk insinyur profesional yang
membutuhkan alat yang ampuh yang memiliki terkemuka kelas, mudah digunakan
dan antarmuka yang kuat yang membuatnya mudah untuk merancang dan
menganalisis jaringan pipa.
38
Universitas Sumatera Utara