PAPER PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA ALIRAN TERTUTUP “PENGARUH PERUBAHAN PENAMPANG TERHADAP KEHILANGAN ENERGI PADA PIPA POLIVINIL CHLORIDA (PVC)”
DISUSUN OLEH :
ANDRI ANTARIKSA 05061006014 NOVTRA BERLANDHO 05071006021 RISMA SIHOMBING 05091002007 ADE TRI UTAMI 05091002023 ANDRI SUTENDI 05091002024 WAHYU TRI AMBARINI 05091002028
KELOMPOK 5
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA INDERALAYA 2010
BAB I PENDAHULUAN
1.
Latar Belakang
Sistem jaringan pipa merupakan komponen utama dari sistem distribusi air bersih atau air minum minum suatu perkotaan. Dalam Dalam perkembanganya perkembanganya sistem instalasi instalasi pipa memerlukan pengawasan pengawasan dan perawatan perawatan yang kontinyu, kontinyu, hal ini untuk mengurangi kerugian kerugian-kerug -kerugian ian akibat akibat kond kondisi isi instala instalasi si yang salah salah satunya satunya dipengaru dipengaruhi hi umur pipa. Permasalahan-permasalaha Permasalahan-permasalahann yang sering timbul akibat kurangnya perawatan perawatan dan umur pipa antara antara lain : a) kebocoran, kebocoran, b) lebih sering terjadi kerusakan kerusakan pipa atau komponen lainnya, lainnya, c) besarnya tinggi tinggi energi yang hilang dan d) penurunan penurunan tingkat layanan penyediaan air bersih untuk konsumen (Kodoatie, 2002: 262). Permasalahan-permasalahan Permasalahan-permasalahan di atas diperparah lagi dengan
meningkatnya
sambungan-sambungan sambungan-sambungan baru di daerah permukiman maupun industri dengan dengan tanpa tanpa memperhatikan kemampuan ketersediaan air dan kemampuan sistem jaringan air minum tersebut. Jaringan pipa air bersih atau instalasi air bersih adalah suatu jaringan pipa yang digunakan untuk untuk mengalirkan atau mendistribusikan mendistribusikan air ke masyarakat. masyarakat. Aliran terjadi terjadi karena adanya adanya perbedaan perbedaan tinggi tekanan tekanan dikedua tempat, tempat, tekanan tekanan terjadi terjadi karena adanya perbedaan elevasi elevasi muka air atau karena karena digunakannya digunakannya pompa yang lebih sering sering untuk mengalirka mengalirkann air dari tempat tempat yang rendah ketempat ketempat yang lebih lebih tinggi. Penggunaan pompa dapat pula bertujuan untuk mengurangi adanya faktor gesekan gesekan antara antara aliran air dengan dengan dinding basah basah pipa yang yang timbul di sepanjan sepanjangg saluran pipa sebagai akibat adanya viskositas cairan. Pada saat saat ini, masih banyak digunaka digunakan n pipa besi (galvanis (galvanis ) dan pipa jenis jenis polivinil polivinil chlorida chlorida (PVC) oleh masyarak masyarakat, at, pipa-pipa pipa-pipa tersebut tersebut tersedia dipasaran dipasaran dengan dengan berbagai berbagai merek baik yang diproduksi diproduksi oleh industri industri dalam negeri maupun maupun dari produk impor. impor. Penggunaan Penggunaan pipa oleh masyarakat masyarakat tentunya tentunya dengan dengan berbagai berbagai pertimbangan sesuai sesuai dengan kebutuhan, kebutuhan, misalnya misalnya : saluran pipa harus lebih tahan terhadap korosi, tahan tahan terhadap temperatur temperatur tinggi, tidak mudah pecah pecah atau bocor dan mudah dipasang secara flexible.
Salah Salah satu satu ganggu gangguan an atau atau hamba hambatan tan yang yang sering sering terja terjadi di dan tidak tidak dapat dapat diabaikan pada aliran air yang menggunakan pipa adalah kehilangan energi akibat gesekan dan perubahan penampang atau pada tikungan serta gangguan–gangguan lain yang mengga mengganggu nggu aliran aliran normal. normal. Hal ini menyebab menyebabkan kan aliran aliran air semakin lemah dan mengecil. Perencanaan Perencanaan sistem distribusi air didasarkan didasarkan pada 2 (dua) faktor utama yaitu kebutuhan air dan tekanan (Brebbia & Ferrante, Ferrante, 1983 dalam dalam Triatmojo 1996 : 58). Kebutu Kebutuhan han air yang yang harus harus dipenu dipenuhi hi akan akan menent menentuka ukann uku ukuran ran dan tipe tipe sistem sistem distribusi yang di inginkan misalnya misalnya dipakai kebutuhan 125 125 liter / orang untuk suatu jaringan jaringan,, maka kita harus harus merencanaka merencanakann debit debit dan tekanan tekanan yang akan diberikan diberikan.. Sedangka Sedangkann tekanan tekanan menjadi menjadi penting penting karena tekanan tekanan rendah rendah akan mengakib mengakibatka atkann masalah dalam distribusi jaringan pipa, namun bila tekanan besar akan memperbesar kehilangan energi. (Triatmojo 1996 : 58). Kehilangan energi adalah besar tingkat kehilangan energi yang dapat mengakiba mengakibatkan tkan berkurang berkurangnya nya kecepata kecepatann aliran aliran air dalam dalam saluran. saluran. Secara Secara umum kehilangan energi dikelompokan menjadi menjadi 2 (dua) : 1.1.1. Kehilangan energi akibat akibat gesekan. gesekan. Kehilanga Kehilangann energi energi akibat akibat gesekan gesekan disebut disebut juga juga kehilang kehilangan an energi energi primer primer (Triatmojo (Triatmojo,, 1996 : 58) atau atau major major loss
(Kodoatie (Kodoatie 2002 2002 : 245). Terjad Terjadii pada pipa pipa
lurus berdiameter konstan. 1.1.2. Kehilangan energi akibat akibat perubahan penampang penampang dan aksesoris lainnya. lainnya. Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya disebut disebut juga kehilanga kehilangann en energi ergi skunder skunder (Triatmojo (Triatmojo 1996 : 558) 8)
atau minor loss
(Kodoatie 2002 : 245). Misalnya terjadi pada pembesaran tampang (expansion), pengecilan penampang (contraction), belokan atau tikungan. Pemakaia Pemakaiann jaringan jaringan pipa dalam bidang bidang teknik teknik sipil terdapat terdapat pada sistem sistem distribusi jaringan 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 disediakan tergantung pada jumlah jumlah penduduk dan industri yang dilayani, dilayani, serta perlu diperhitungkan pertumbuhannya dimasa yang akan datang.
Dalam perencanaan jaringan pipa air bersih di tentukan oleh kebutuhan air dan dan tekana tekanann aliran aliran yang yang diperl diperluka ukan. n. Tekan Tekanan an akan akan menimb menimbulk ulkan an energi energi aliran aliran,, tekanan kecil akan mengakibatkan masalah dalam distribusi, sedang bila tekanan besar akan mempertinggi kehilangan energi. Perlunya Perlunya penelitia penelitiann mengenai mengenai kehilang kehilangan an energi energi pada pipa lurus maupun adanya perubahan penampang penampang terutama pada pipa jenis polivinil chlorida (PVC) berdiameter ½ “dan ¾”, hal hal ini mengingat pipa jenis ini masih masih banyak dipergunakan pada pemukiman penduduk maupun industri. Selain itu pipa jenis jenis PVC sangatlah berbeda berbeda dengan dengan pipa jenis jenis lainya sehingga sehingga sangat dibutuhkan dibutuhkan informasi informasi tentang berapa besar kehilangan energi pada pipa jenis ini. 2.
Tujuan
Penulisan paper paper ini bertujuan untuk mengetahui mengetahui kehilangan kehilangan energi pada pipa lurus dengan dengan diameter diameter konstan dan kehilangan energi akibat akibat perubahan perubahan penampang pada saluran pipa jenis PVC.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aliran pada pada Saluran Saluran Pipa
Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunaka digunakann untuk mengalirkan mengalirkan
fluida fluida dengan tampang tampang aliran penuh (Triatmoj (Triatmojoo
1996 : 25). Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di di dalam pipa sama dengan dengan tekanan atmosfer atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai permukaan bebas, maka maka fluida yang dialirkan dalah dalah zat cair. Tekanan Tekanan dipermukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer. Perbedaan mendasar mendasar antara aliran pada pada saluran terbuka dan dan aliran pada pipa adalah adalah adanya adanya permukaan permukaan yang bebas bebas yang (hampir (hampir selalu) berupa berupa udara pada saluran saluran terbuka. terbuka. Jadi seandainy seandainyaa pada pipa alirannya alirannya tidak penuh sehingga sehingga masih ada rongga rongga yang yang berisi berisi udara maka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka terbuka (Kodoatie, 2002: 215). 215). Misalnya aliran air pada goronggoronggorong. goron g. Pada kondisi saluran saluran penuh air, desainnya desainnya harus mengikuti mengikuti kaidah kaidah aliran pada pipa, pipa, namun bila mana aliran aliran air pada gorong-go gorong-gorong rong didesain didesain tidak penuh penuh maka sifat alirannya alirannya adalah adalah sama dengan dengan aliran pada saluran terbuka. terbuka. Perbedaan Perbedaan yang lainnya lainnya adala adalahh saluran saluran terbuka terbuka mempu mempunyai nyai kedalama kedalamann air air (y), sedangka sedangkann pada pipa pipa kedalam kedalam air tersebut tersebut ditransfor ditransformasik masikan an berupa (P/y). (P/y). Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi terisi penuh dengan air. Zat cair riil didefinisikan sebagi zat yang mempunyai kekentalan, berbeda dengan dengan zat air ideal ideal yang tidak tidak mempunyai mempunyai kekentalan kekentalan.. Kekentalan Kekentalan disebabkan disebabkan karena adanya sifat kohesi kohesi antara partikel zat cair. Karena adanya adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan perbedaan kecepatan partikel partikel dalam medan aliran. Partikel zat cair yang berdampingan dengan dengan dinding batas akan akan diam (kecepatan nol) sedang sedang yang terletak pada suatu jarak jarak tertentu dari dinding akan bergerak. bergerak. Perubahan Perubahan kecepatan tersebut tersebut
merupaka merupakann fungsi jarak jarak dari dinding batas. batas. Aliran zat cair riil disebut disebut juga aliran aliran viskos. Aliran viskos adalah aliran
zat cair yang mempunyai kekentalan
(viskositas). Viskositas terjadi pada temperature tertentu. Tabel 2.1. memberikaan sifat air (viskositas kinematik) pada tekanan atmosfer dan beberapa temperature. Kekentalan adalah adalah sifat zat cair yang dapat dapat menyebabkan terjadinya terjadinya tegangan geser pada waktu waktu bergerak. bergerak. Tegangan Tegangan geser geser ini akan mengubah mengubah sebagian sebagian energi energi aliran aliran dalam bentuk bentuk energi energi lain seperti seperti panas, suara, dan dan sebagainya. sebagainya. Perubahan bentuk energi tersebut menyebabkan menyebabkan terjadinya kehilangan energi.
Aliran Aliran viskos dapat dibedaka dibedakann menjadi 2 (dua) macam. Apabila Apabila pengaruh pengaruh kekentala kekentalann (viskosita (viskositas) s) adalah adalah cukup cukup dominan dominan sehingga sehingga partikel-pa partikel-partike rtikell zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminar. Aliran laminar terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil. Dengan berkurangnya pengaruh pengaruh kekentalan kekentalan atau bertambahnya bertambahnya kecepatan kecepatan maka aliran akan berubah dari laminar laminar menjadi turbulen. Pada aliran aliran turbulen partikel-partikel zat cair bergerak secara tidak teratur. 2.1.1 Hukum Newton tentang kekentalan kekentalan zat cair cair Kekental Kekentalan an zat cair menyebab menyebabkan kan terbentukn terbentuknya ya gaya-gaya gaya-gaya geser antara antara 2 (duaa ) elemen (du elemen.. Kebera Keberadaa daann keken kekental talan an ini menye menyeba babka bkann terja terjadin dinya ya kehila kehilanga ngann energi selama pengaliran pengaliran atau diperlukan energi untuk menjamin menjamin adanya pengaliran. Hukum Newton (dalam Triatmojo 1996 :2) tentang tentang kekentalan kekentalan menyatakan bahwa bahwa tegangan tegangan geser geser antara 2 (dua) (dua) partikel partikel zat cair yang berdampi berdampingan ngan adalah adalah sebanding sebanding dengan dengan perbedaan perbedaan kecepatan kecepatan dari kedua kedua partikel partikel (gradien (gradien kecepatan) kecepatan) seperti terlihat dalam gambar 2.1 yang berbentuk :
Seperti yang ditunjukan oleh persamaan (2.1) dan gambar (2.1), apabila 2 (dua) elemen zat cair yang berdampingan dan bergerak dengan kecepatan berbeda, elemen yang lebih cepat akan diperlambat dan yang lebih lambat akan dipercepat. Tegangan geser τ pada lapis 1 (satu) bagian bawah mempunyai arah kekiri karena bagian tersebut tertahan oleh lapis di bawahnya yang mempunyai kecepatan lebih rendah. Sedangkan lapis 2 (dua) bagian atas bekerja tegangan geser dalam arah kekan kekanan an karena karena bagian bagian terseb tersebut ut tertar tertarik ik oleh oleh lapis lapis di atasny atasnyaa yang yang mempu mempunya nyaii kecepatan lebih besar. Pada Pada permu permuka kaan an antara antara dindin dindingg batas batas
dan dan aliran aliran zat cair juga terjadi terjadi
tegangan geser dengan arah berlawanan dengan arah aliran. Tegangan geser pada dinding batas ini cukup besar karena gradien kecepatan didaerah tersebut sangat besar. 2.1.2 Aliran Laminer Laminer dan Turbulen Aliran viskos dapat dapat dibedakan menjadi 2 (dua) (dua) tipe yaitu aliran laminer laminer dan tubulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel partikel-partikel zat cair cair bergerak teratur teratur mengikuti lintasan lintasan yang saling saling sejajar. sejajar. Aliran Aliran ini terjadi apabila apabila kecepatan kecepatan kecil kecil dan atau kekentalan besar. Pengaruh kekentalan kekentalan adalah sangat sangat besar sehingga dapat dapat meredam gangguan yang dapat menyebabkan menyebabkan aliran menjadi menjadi turbulen. Dengan berkurangnya kekentalan kekentalan dan bertambah bertambahnya nya kecepata kecepatann aliran maka daya redam terhadap terhadap gangguan gangguan akan
berkurang berkurang,, yang sampai pada suatu batas tertentu tertentu akan menyebab menyebabkan kan terjadinya terjadinya perubahan aliran dari laminer ke turbulen. Pada aliran turbulen gerak partikel-partikel partikel-partikel zat cair cair tidak teratur. teratur. Aliran ini terjadi apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil. 2.1.3 Percobaan Osborn Reynolds Pada tahun 1884 Osborn Reynolds (dalam Triatmojo 1996 : 3) melakukan percobaan untuk menunjukan sifat-sifat aliran laminer dan aliran turbulen. Alat yang diguna digunakan kan terdir terdirii dari dari pipa pipa kaca kaca yang yang dapat dapat melewa melewatka tkann air dengan dengan berbag berbagai ai kecepatan (gambar 2.2). Aliran tersebut diatur oleh katub A. Pipa kecil B yang berasal berasal dari tabung tabung berisi zat warna C. Ujung Ujung yang lain berada pada lobang masuk pipa kaca.
Reynolds menunjukan bahwa untuk kecepatan aliran yang kecil di dalam aliran kaca, zat warna akan mengalir dalam suatu garis lurus seperti benang yang sejajar dengan sumbu pipa. Apabila katub dibuka sedikit demi sedikit, kecepatan akan bertambah bertambah besar dan benang warna mulai berlubang yang akhirnya akhirnya pecah dan menyebar pada seluruh aliran dalam pipa (Gambar 2.3).
Kecepatan rerata pada mana benang warna molai pecah disebut kecepatan kritik. Penyebaran dari benang warna disebabkan oleh percampuran dari partikel-
partik partikel el zat zat cair cair selam selamaa pengal pengalira iran. n. Dari Dari percob percobaan aan terseb tersebut ut dapat dapat disimp disimpulk ulkan an bahwa pada pada kecepatan kecepatan kecil, percampuran tidak terjadi terjadi dan partikel-partikel partikel-partikel zat cair bergerak bergerak dalam lapisan-lap lapisan-lapisan isan yang sejajar, sejajar, dan menggelincir menggelincir terhadap terhadap lapisan lapisan disampingnya. disampingnya. Keadaan ini disebut aliran laminer. Pada Pada kecepatan kecepatan yang lebih besar, benan benangg warna warna menyeb menyebar ar pada pada
seluru seluruhh penamp penampang ang ppipa ipa,, dan terli terlihat hat
perca percampu mpuran ran dari dari partik partikel-p el-part artike ikell zat cair terja terjadi; di; keadaa keadaann ini disebut disebut
bahwa bahwa aliran aliran
turbulen. Menurut Reynolds, Reynolds, ada tiga faktor faktor yang mempengaruhi mempengaruhi keadaan keadaan aliran yaitu kekentala kekentalann zat cair μ (mu), rapat rapat masa zat cair ρ (rho), dan diameter diameter pipa D. Hubungan Hubungan antara antara μ , ρ , dan D yang mempuny mempunyai ai dimensi dimensi sama dengan dengan kecepatan kecepatan
adalah Reynodls menunjukan menunjukan bahwa aliran aliran dapat diklasifikasikan diklasifikasikan berdasarkan suatu angka angka tertentu tertentu.. Angka Angka tersebu tersebutt
diturunkan diturunkan dengan dengan memba membagi gi kecepa kecepatan tan
aliran aliran
didalam didalam pipa dengan dengan nilai
, yang disebut disebut dengan dengan angka angka Reynolds Reynolds.. Angka
Reynolds mempunyai bentuk berikut ini :
dengan ν (nu) adalah adalah kekentalan kinematik. Dari percobaan yang dilakukan untuk aliran air melalui pipa dapat disimpulkan bahwa pada angka Reynolds rendah gaya kenta kentall domin dominan an sehing sehingga ga aliran aliran adalah adalah lamine laminer. r. Dengan Dengan
berta bertamba mbahny hnyaa angka angka
Reynolds baik karena bertambahnya bertambahnya kecepatan kecepatan atau berkurangnya kekentalan zat zat cair atau bertambah bertambah besarnya dimensi dimensi medan aliran (pipa), akan bisa menyebabka menyebabkann kondisi aliran laminer laminer menjadi menjadi tidak stabil. Sampai pada pada suatu suatu angka angka Reynolds Reynolds di atas nilai tertentu aliran berubah berubah dari laminer menjadi menjadi turbulen. Berdasark Berdasarkan an pada percobaan percobaan aliran di dalam pipa, reynolds reynolds menetapka menetapkann bahwa untuk angka Reynolds dibawah 2000, gangguan aliran dapat diredam oleh kekentalan zat cair, dan aliran pada kondisi tersebut adalah laminer. Aliran akan turbulen apabila angka Reynolds lebih besar dari 4000. Apabila angka Reynolds
berada diantara kedua nilai tersebut 2000
Bagian bawah dari grafik merupakan garis lurus, dengan kemiringan 45°, yang menunjuk menunjukan an bahwa bahwa
fh sebanding sebanding dengan dengan V, V, yang yang merupaka merupakann sifat sifat aliran aliran
laminer. Sedang bagian bagian atas merupakan merupakan garis lurus dengan dengan kemiringan kemiringan n, dengan n antara 1,75 dan 2,0 yang tergantung pada nilai Re dan kekasaran. Hal ini menunjuk menunjukan an bahwa bahwa fh sebandin sebandingg dengan dengan n V , nilai nilai pangka pangkatt yang yang besar besar berlaku berlaku untuk pipa kasar sedang yang kecil untuk pipa halus. Dari grafik tersebut terlihat bahwa kehilangan kehilangan energi pada aliran turbulen turbulen lebih besar dari aliran laminer. laminer. Hal ini disebabkan karena karena adanya turbulensi yang yang dapat memperbesar memperbesar kehilangan energi. 2.1.5 Aliran Laminer Dalam Pipa
Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikiuti lintasan yang saling sejajar. Aliran laminer lebih mudah terjadi bila kecepatan aliran relatif relatif kecil sedangkan sedangkan viskositas viskositas cairan cairan besar dan pengaruh pengaruh
kekentala kekentalann cukup
dominan dibandingkan dibandingkan dengan dengan kecepatan aliran, aliran, sehingga partikel-partikel partikel-partikel zat cair akan bergerak teratur menurut lintasan lurus (Triatmojo 1996 : 6). Secara matematis aliran laminer akan terjadi bila perbandingan momentum dan gaya viskous ada di bawah 2000, atau yang lebih dikenal dengan bilangan Reynold Reynold (Re) (Re) < 2000. 2000. Bilangan Bilangan Reynold Reynold (Re) (Re) dapat dapat ditulis ditulis dalam dalam bentuk bentuk rumus rumus sebagai berikut:
dengan V = kecepata rerata, D = diameter diameter pipa, ν = kekentalan kekentalan kinematik. kinematik. Kehilangan energi selama pengaliran melalui pipa diturunkan dengan menggunakan gambar 2.5, kehilangan energi pada pengaliran antara titik 1 dan 2
adalah : Karena V1 = V2, maka :
Apabila nilai
dari persamaan
maka akan diperoleh :
disubsitusikan ke dalam bentuk diatas,
denga dengann
ν
(nu)) adalah (nu adalah keken kekental talan an kinema kinematik tik.. Persama Persamaan an ini diken dikenal al sebaga sebagaii
persamaan Poiseuille. Poiseuille. Satu hal yang perlu diperhatikan diperhatikan adalah bahwa aliran laminar tidak dipengaruhi oleh bidang batas atau kekasaran dinding. Gambar 2.6 menunjukan distribusi kecepatan dan tegangan geser didalam pipa lingkaran. Tegangan geser geser pada dinding pipa biasanya diberi diberi notasi o τ .
2.1.6 Aliran Turbulen dan dan Tegangan Tegangan Reynolds Turbulen Turbulensi si adalah gerak gerak partikel partikel zat cair yang tidak tidak teratur dan sebarang sebarang dalam waktu dan ruang. Turbulensi ditimbulkan oleh gaya-gaya viskos dan gerak lapis zat cair yang berdampingan pada kecepatan berbeda. Aliran turbulen akan terjadi pada bilangan reynold reynold (Re) lebih besar dari 4000. Analisa Analisa teoritis persamaan kehilang kehilangan an energi pada aliran turbulen turbulen (Re > 4000 4000)) akan lebih sulit dibanding dibandingkan kan yang terjadi pada pada aliran laminer. laminer. Hal ini disebabkan disebabkan adanya ketidakteraturan aliran aliran turbulen. Faktor gesekan gesekan f dapat diturunkan diturunkan secara matematis untuk aliran laminer, laminer, tetapi tetapi belum ada hub hubung ungan an matemati matematiss yang yang
sederh sederhan anaa untuk untuk aliran aliran turbulen turbulen..
Menurut Reynald V Gilles dalam Bambang Bambang Triatmojo (1996 : 58), 58), untuk pipa-pipa halus dan kasar hukum-hukum hukum-hukum tahanan universal dapat diturunkan diturunkan dari :
dengan :
f = faktor gesek 0 τ = tegangan geser pada dinding pipa. ρ = kerapatan air (density) V = kecepatan aliran
Untuk menentuk menentukan an tegangan tegangan geser geser yang ditimbulka ditimbulkann oleh turbulensi turbulensi,, dipandan dipandangg aliran zat cair melalui suatu elemen dengan luas dA (lihat gambar 2.7).
Pada Pada gamba gambarr diatas diatas v’ adalah adalah kecepa kecepatan tan tegak tegak lurus lurus dA dan u’ adala adalahh fluktuasi kecepatan kecepatan atau perbedaan kecepatan kecepatan pada kedua kedua sisi luasan. Massa zat zat cair yang melalui luasan dA dalam satu satuan waktu adalah:
dengan menggunakan persamaan momentum:
atau:
Tegangan geser τ karena fluktuasi turbulen diperoleh dengan membagi persamaan di atas dengan dA:
Atau Tegangan Tegangan geser yang diberikan diberikan oleh persamaan persamaan (2.6) dikenal sebagai sebagai tegangan tegangan Reynolds. 2.1.7 Kekasaran Permukaan Menurut Triatmojo 1996, Pada zat cair ideal aliran melalui bidang batas mempunyai distribusi kecepatan merata. Sedang pada zat cair riil, karena adanya pengaruh kekentalan, kecepatan di daerah dekat bidang batas mengalami perlambatan dan pada bidang batas kecepatan adalah nol. Lapis zat cair di dekat bidang batas dimana pengaruh kekentalan dominan disebut dengan lapis batas. Konsep adanya sub lapis laminer di dalam lapis batas pada aliran turbulen dapat digunakan untuk menjelaskan perilaku kekasaran permukaan. Apabila permukaan bidang batas dibesarkan, akan terlihat bahwa permukaan tersebut tidak halus seperti yang ditunjukan dalam gambar 2.8. Tinggi efektif ketidakteraturan permukaan yang membentuk kekasaran
disebut dengan tinggi kekasaran kekasaran k.
Perbandingan antara antara tinggi kekasaran kekasaran dan jari-jari hidraulis (k/R) atau atau diameter pipa (k/D) disebut dengan kekasaran relatif. Pada gambar 2.8.a tinggi kekasaran lebih kecil dari tebal sub lapis laminer (k< L δ ) sehingga sehingga ketidakteratu ketidakteraturan ran permukaan permukaan akan sedemikia sedemikiann kecil kecil sehingga sehingga kekasaran akan seluruhnya terendam di dalam lapis laminer. Dalam hal ini kekasaran tidak mempunyai pengaruh pengaruh terhadap aliran di luar sub lapis laminer, laminer, dan permukaan batas tersebut dengan hidraulis licin. Pada gambar gambar 2.8.b 2.8.b tinggi kekasara kekasarann berada di daerah daerah transisi transisi ( L δ < k < T δ ), dan aliran adalah dalam kondisi transisi. Pada gambar gambar 2.8.c 2.8.c tinggi tinggi kekasaran kekasaran berada berada di luar lapis transisi transisi (k > T δ ), maka kekasaran permukaan akan berpengaruh di daerah turbulen sehingga mempengaruhi aliran di daerah tersebut. Permukaan ini disebut dengan hidraulis kasar.
2.2 Kehilangan Energi (head losses)
Zat cair yang ada di alam ini mempunyai kekentalan, meskipun demikian dalam berbagai perhitungan perhitungan mekanika fluida ada yang dikenal dikenal atau dianggap sebagai fluida fluida ideal ideal.. Menurut Menurut Triatm Triatmojo ojo
(1993) (19 93),, adanya adanya kekent kekentala alann pada fluida fluida
akan akan
menyebabkan menyebabkan terjadinya terjadinya tegangan tegangan geser pada pada waktu bergerak. Tegangan geser ini ini akan merubah merubah sebagian energi energi aliran menjadi menjadi bentuk energi energi lain seperti panas, suara suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk energi tersebut menyebabkan
terjadinya
kehilangan energi. Secara Secara umum umum didala didalam m suatu suatu instal instalas asii jaring jaringan an pipa pipa dikena dikenall dua macam macam kehilangan energi : 2.2.1 Kehilangan energi akibat gesekan Kehilanga Kehilangann energi energi akibat akibat gesekan gesekan disebut disebut juga juga kehilang kehilangan an energi energi primer primer (Triatmojo (Triatmojo 1996 : 58) atau major major loss
(Kodoatie (Kodoatie 2002 : 245). Terjadi Terjadi akibat akibat
adanya kekentalan zat cair dan turbulensi karena adanya kekasaran dinding batas pipa dan akan menimbulkan gaya gesek yang akan menyebabkan kehilangan energi disepanjang disepanjang pipa dengan diameter diameter konstan pada pada aliran seragam. Kehilangan energi energi sepanjang satu satu satuan panjang panjang akan konstan konstan selama kekasaran kekasaran dan diameter diameter tidak berubah.
2.2.2 Kehilangan energi akibat akibat perubahan penampang penampang dan aksesoris lainnya. lainnya. Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya disebut disebut juga juga kehilang kehilangan an energi energi sekunder sekunder (Triatm (Triatmojo ojo 1996 1996 : 58)
atau minor minor loss loss
(Kodoatie 2002 : 245). Misalnya terjadi pada pembesaran tampang (expansion), pengecila pengecilann penampan penampangg (contracti (contraction), on), belokan belokan atau tikungan. tikungan. Kehilang Kehilangan an energi energi sekunder atau minor minor loss ini akan mengakibatkan mengakibatkan adanya adanya tumbukan antara antara partikel zat zat cair cair dan meningk meningkatn atnya ya gesek gesekan an karena karena turbulen turbulensi si serta serta tidak tidak
seraga seragamny mnyaa
distribusi kecepatan kecepatan pada suatu penampang penampang pipa. pipa. Adanya lapisan batas terpisah terpisah dari dinding dinding pipa maka akan akan terjadi terjadi olakan atau pusaran pusaran air. Adanya Adanya olakan olakan ini akan mengganggu pola aliran laminer sehingga akan menaikan tingkat turbulensi. Pada aliran laminer akan terjadi bila bilangan reynold (Re) < 2000, dengan persamaan kehilangan kehilangan energi pada pada aliran laminer sepanjang sepanjang pipa L menurut menurut HagenPoiseuille adalah sebagai berikut :
Dengan :
h = Tinggi kehilangan energ ν = viskositas viskositas zat zat cair g = Percepatan Percepatan grafitasi D = Diameter pipa V = Kecepatan aliran L = Panjang pipa
Persamaan tersebut dapat ditulis dalam bentuk:
Persamaan diatas dapat dapat ditulis dalam bentuk persamaan Darcy – Weisbach. Weisbach.
Dengan
Dengan demikian untuk aliran laminar koefisien gesekan mempunyai bentuk
persamaan dengan :
f = Faktor gesek Re = Angka Reynold
2.3 Pipa halus.
Koefisien gesekan gesekan pipa tergantung tergantung pada parameter parameter aliran (Triatmojo 1996 : 31), apabila pipa adalah hidrolis halus parameter tersebut adalah kecepatan aliran diameter pipa dan kekentalan zat cair dalam bentuk angka reynolds. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Blasius, dia mengemukakan mengemukakan rumus rumus gesekan f untuk pipa halus dalam bentuk:
Dari Dari persam persamaan aan empiri empiriss koefis koefisien ien gesek gesekan an terseb tersebut ut diatas diatas akan akan dapat dapat di hitung kehilangan energi disepanjang disepanjang pipa berdasar persamaan Darcy-Weisbach. Sedangkan percobaan percobaan Nikuradse memberikan memberikan persamaan yang agak agak berbeda dengan Blasius. Persamaan tersebut adalah :
2.4 Pipa Kasar
Tahanan pada pipa kasar lebih besar dari pada pipa halus, untuk pipa halus nilai
f hanya hanya tergantung tergantung pada angka angka Reynolds. Reynolds. Untuk pipa kasar kasar nilai f tidak tidak
hanya tergantung angka Reynolds, tetapi juga pada sifat-sifat dinding pipa yaitu kekasaran relatif k/D, atau
) / (Re, D k f φ = dengan k = kekasaran dinding pipa,
D = diameter pipa. Nikuradse (dalam Triatmojo 1996 :36) melakukan percobaan tentang pengaruh kekasaran pipa. Percobaan tersebut meliputi daerah aliran laminer dan turbulen sampai pada pada angka Reynolds Reynolds Re = 6 10 , dan untuk untuk enam kali percobaan percobaan dengan nilai k/D (kekasaran (kekasaran relatif) yang bervariasi bervariasi antara 0.0333 sampai sampai 0.000985.
Hasil Hasil percoba percobaan an merup merupaka akann hubu hubunga ngann antara antara f , Re, Re, dan k/D seper seperti ti gamba gambar r dibawah ini.
2.4.1 Daerah I Daerah Daerah I merupakan merupakan daerah daerah aliran laminer laminer dimana Re < 2000. Hubungan Hubungan antara f dan Re merupakan garis lurus (kemiringan 0 45 untuk skala harisontal dan vertik vertikal al yang yang sama), sama), dan tidak tidak dipengar dipengaruhi uhi oleh kekasar kekasaran an pipa. Di daerah daerah ini koefisien gesekan diberikan oleh persamaan persamaan f = 64/Re. 2.4.2 Daerah II Daerah ini terletak terletak antara Re = 2000 dan dan Re = 4000, yang merupakan daerah tidak stabil dimana dimana aliran berubah dari dari laminer ke turbulen turbulen atau sebaliknya. Aliran tidak banyak dipengaruhi oleh kekasaran pipa. 2.4.3 Daerah III Daerah ini merupakan daerah aliran turbulen dimana kekasaran relatif pipa mulai berpengaruh pada pada koefisien gesekan gesekan f . Daerah ini dapat dibedakan dibedakan menjadi 3 (tiga) sub daerah berikut ini :
2.4.3.1 Sub daerah daerah pipa halus Daer Daerah ah ini ini di tunj tunjuk ukan an oleh oleh gari gariss pali paling ng bawa bawahh dari dari gamb gambar ar 3, yang yang merupaka merupakann aliran aliran turbulen turbulen melalui melalui pipa pipa halus. halus. Koefisi Koefisien en geseka gesekann pipa f dapat dapat dihitung dengan rumus Blasius. 2.4.3.2 Sub daerah daerah transisi Di daerah sub transisi transisi ini koefisien gesekan gesekan tergantung pada angka angka Reynolds dan kekasaran pipa. pipa. Daerah ini terletak antara garis paling bawah bawah dan garis terputus dari gambar gambar 3, kekasaran kekasaran relatif relatif k/D sangat sangat berpengaruh berpengaruh terhadap terhadap nilai f . 2.4.3.3 Sub daerah daerah pipa kasar Sub daerah ini terletak di atas garis terputus. terputus. Apabila angka Reynolds Reynolds di atas suatu nilai tertentu, koefisien koefisien gesekan tidak lagi tergantung pada pada angka Reynolds, tetapi hanya hanya tergantung tergantung pada kekasaran relatif. Untuk suatu nilai nilai k/D tertentu nilai f adalah konstan dan sejajar sejajar dengan sumbu sumbu harisontal. Di daerah ini pengaliran adalah turbulen sempurna. Rumus empiris untuk pipa kasar hasil percobaan Nikuradse adalah: adalah:
Untuk aliran di daerah transisi, Colebrook menggabungkan persamaan untuk pipa halus dan pipa kasar sebagai berikut:
Persamaan – persamaan di atas memberikan nilai f dalam suatu persamaan implisit. implisit. Moody (1944) (1944) (dalam Triatmojo Triatmojo 1996 :40) menyederha menyederhanaka nakann prosedur prosedur hitungan tersebut dengan dengan membuat suatu grafik berdasarkan berdasarkan persamaaan persamaaan Colebrook. Grafik tersebut dikenal sebagai sebagai grafik Moody seperti terlihat pada gambar 2.10. 2.10.
Grafik tersebut mempunyai empat daerah yaitu daerah pengaliran laminar, daerah kritis dimana nilainya tidak tetap karena pengaliran mungkin laminar atau turbulen, turbulen, daera daerahh transisi transisi di mana mana f merupaka merupakann fungsi fungsi dari angka angka Reyno Reynolds lds dan dan kekas kekasara arann dinding dinding pipa, pipa, dan dan daerah daerah turbu turbulen len sempu sempurna rna di mana mana nilai nilai tergan tergantun tungg pada pada angka angka Reynol Reynolds ds tetapi tetapi
f
tidak tidak
hanya hanya pada kekasara kekasarann relati relatif. f. Untuk Untuk
menggunakan menggunakan grafik tersebut, nilai k diperoleh dari dari table 2.2. Untuk pipa tua nilai f dapat jauh lebih besar besar dari pipa baru, yang yang tergantung pada pada umur pipa dan sifat zat cair cair yang yang dialirk dialirkan. an. Untuk Untuk pipa pipa kecil kecil,, endapa endapann atau atau kerak kerak yang yang terja terjadi di dapat dapat mengurangi diameter pipa. Oleh Karena itu diperlukan kecermatan di dalam mengestimasi nilai k dan juga f .
Untuk pengaliran pengaliran turbulen sempurna, sempurna, dimana gesekan gesekan berbanding langsung dengan dengan 2V dan tidak tidak tergantun tergantungg pada angka angka Reyno Reynolds, lds, nilai nilai f dapat dapat ditentukan ditentukan berda berdasar sarka kann kekas kekasara arann relati relatif. f. Pada Pada umumny umumnyaa masal masalahah-mas masala alahh yang yang ada pada pada pengaliran di di dalam pipa berada pada daerah daerah transisi dimana nilai f ditentukan juga oleh angka Reynolds. Sehingga apabila pipa mempunyai ukuran dan kecepatan aliran tertentu, maka kehilangan tenaga akibat gesekan dapat langsung dihitung.tetapi jika diameter atau kecepatan tidak diketahui maka angka Reynolds juga tidak diketahui. Dengan perubahan nilai angka angka Reynolds Reynolds yang yang besar, besar, perubahan perubahan nilai nilai f sangat kecil. Sehingga perhitungan dapat diselesaikan dengan menentukan secara sembarang nilai angka Reynolds Reynolds atau f pada awal awal hitungan hitungan dan dengan cara cara coba coba banding banding (trial and error) akhirnya dapat dapat dihitung nilai f yang terakhir (yang (yang benar). Oleh karena karena nilai f berkisar berkisar antara antara 0.01 dan 0.07, 0.07, maka maka yang paling paling baik baik adalah adalah mengangga menganggapp nilai nilai f , dan bias biasany anyaa denga dengann dua (2) atau atau tiga (3) kali kali percob percobaa aann akan dapat dapat diperoleh nilai f yang benar.
2.5 Perubahan penampang pipa
Disamping adanya kehilangan kehilangan energi akibat gesekan, gesekan, terjadi pula kehilangan energ energii yang yang diseba disebabka bkann oleh oleh peruba perubaha hann penamp penampan angg pipa. pipa. Pada pipa pipa
panja panjang ng
kehilangan energi akibat gesekan biasanya jauh lebih besar dari pada kehilangan energi energi akibat akibat perubahan perubahan penampan penampang, g, sehingga sehingga pada keadaan keadaan tersebut tersebut kehilanga kehilangann energi akibat perubahan perubahan penampang penampang dapat diabaikan. diabaikan. Pada pipa pendek kehilangan kehilangan energi akibat perubahan penampang harus diperhitungkan. Untuk memperkecil kehilangan energi akibat perubahan penampang, perubahan penampang dibuat secara beransur-ansur. 2.5.1. Pembesaran Penampang Perbesaran penampang mendadak dari dari aliran seperti seperti yang ditunjukan ditunjukan pada gamba gambarr 10 mengak mengakiba ibatka tkann kenaik kenaikan an tekana tekanann dari dari P1 menjad menjadii P2 dan kecep kecepata atann turun dari V1 menjadi V2. Pada tempat disekitar perbesaran penampang (1) akan terjadi olakan dan aliran akan normal kembali mulai dari tampang (2). Di darah antara tampang 1 dan 2 terjadi pemisahan aliran (Triatmojo 1996 :59).
Karena V1 lebih besar besar dari V2 maka akan terjadi terjadi tumbukan di daerah daerah antara tampang satu dan tampang dua. Tekanan Tekanan ditampang dua dua sebesar P2. tekanan rerata ditampang satu pada pada bagian yang yang tidak efektif (bentuk cincin) adalah P’, dan gaya gaya tekanan adalah adalah (A2 – A1)P’. Persamaan Persamaan momentum untuk gaya-gaya yang yang bekerja pada zat cair antara tampang satu dan dua adalah :
Kedua ruas dari persamaan tersebut dibagi dengan A2y, sehingga :
Persamaan Bernoulli untuk kedua tampang diperoleh :
Persamaan kontinuitas kontinuitas A1 V1 = A2 V2, atau :
Apabila dianggap bahwa P1 = P’ dan berdasarkan persamaan kontinuitas maka persamaan menjadi :
Kehilangan energi pada perbesaran penampang akan berkurang apabila perbesaran dibuat dibuat secara secara berangsurberangsur-angs angsur ur seperti seperti gambar gambar 2.12 2.12.. Kehilanga Kehilangann energi energi diberikan diberikan oleh persamaan berikut :
Dengan K’ tergantung tergantung pada pada sudut sudut dan diberikan oleh table 2.3. 2.3.
2.5.2. Penyempitan Penampang Pada penyempitan penyempitan penampang yang yang mendadak garis aliran pada pada bagian hulu dari sambun sambungan gan akan akan mengecil mengecil pada vena kontrak kontrakta. ta. Percobaa Percobaan-per n-percoba cobaan an yang telah dilakukan menunjukan menunjukan bahwa luas tampang pada pada vena kontrakta sekitar 0.6 A2 (Triatmodj (Triatmodjo, o, 1996 : 62). Berdasark Berdasarkan an nilai ini maka kehilangan kehilangan energi energi dihitung dengan cara seperti pada pembesaran pembesaran penampang penampang mendadak, yaitu di vena kontrakta ke pipa kecil (tampang dua) dan hasilnya adalah :
deng dengan an Ac dan dan Vc adal adalah ah luas luas tamp tampan angg dan dan kece kecepa pata tann pada pada vena vena kont kontra rakt kta. a. Menginga Mengingatt Ac = 0.6 A2 dan berdasarkan berdasarkan persamaan persamaan kontinuit kontinuitas as di daerah vena kontrakta, AcVc = A2V2 atau
Maka :
Atau :
Dengan :
atau
c h = kehilangan enegi akibat penyempitan 2 V = kecepatan kecepatan aliran pada pada pipa pipa 2 c K = koefisien kehilangan energi akibat penyempitan g
= percepatan grafitasi
Dengan nilai Kc untuk untuk berbagai nilai nilai D2 / D1 tercantum pada pada tebel berikut :
SALURAN
TERTUTUP
BERPENAMPANG
LINGKARAN
DENGAN
ALIRAN PENUH PENUH (ALIRAN SALURAN TERTUTUP) TERTUTUP)
Geometri saluran tertutup tertutup berpenampang lingkaran lingkaran yang dialiri penuh seperti tampak pada Gambar 4.1(a) adalah :
SALURAN TERTUTUP YANG TIDAK DIALIRI
PENUH (ALIRAN
SALURAN TERBUKA)
Aliran Aliran di dalam dalam saluran saluran tertutup tertutup yang tidak penuh penuh dikatego dikategorikan rikan sebagai sebagai aliran saluran terbuka seperti tampak pada Gambar 4.1(b) apabila kedalaman aliran adalah sebesar setengah dari diameter penampang maka :
Pada percoba percobaan an Reynold Reynold ditunjukkan ditunjukkan suatu suatu aliran air dari suatu suatu bak air ke suatu pipa gelas yang diatur debitnya oleh sebuah keran. Untuk melihat jenis aliran didalam pipa gelas digunakan digunakan zat pewarna yang mempunyai berat jenis sama sama dengan berat berat jenis air (S=1).
Di dalam percobaan percobaan-perc -percobaa obaannya nnya Reynold Reynold menemuka menemukann
bahwa apabila kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa gelas lebih rendah daripada suatu harga kritis tertentu, zat pewarna akan mengalir mengalir di dalam pipa bersama-sama dengan aliran air dalam bentuk garis arus lurus seperti tampak pada Gambar 4.4.b. Tetapi, Tetapi, apabila apabila kecepata kecepatann aliran aliran di dalam dalam pipa diperbesar diperbesar melebihi melebihi suatu suatu harga kritis tertentu, aliran zat pewarna mengikuti aliran air yang menjadi tidak teratur garis- garis arusnya. Karena bertambahnya kecepatan maka terjadi pusaranpusaran yang membawa partikel cairan dari satu lapisan pindah ke lapisan lain. Dalam kondisi ini zat pewarna tercampur dengan air di seluruh penampang pipa seperti tampak pada pada Gambar 4.4.c. Kondisi aliran dimana dimana garis-garis arusnya lurus lurus tersebut dinamakan “ aliran laminer “, sedang aliran dimana garis- garis arusnya tidak teratur dan partikel-partikel cairannya tercampur dinamakan “ aliran turbulen “. Diantara aliran laminer dan aliran turbulen terjadi aliran transisi seperti tampak pada Gambar 4.4.c. Reynold menerapkan analisa dimensi pada hasil-hasil percobaannya yang kemudian disimpulkan bahwa perubahan aliran laminer ke aliran turbulen terjadi pada suatu harga harga tertentu tak berdimensi berdimensi yang dikenal sebagai sebagai “ angka Reynold, Reynold, Re
“. Angka Reynold menunjukkan perbandingan dari gaya-gaya kelembaman ( inertial forces ) dan gaya-gaya viskos viskos ( viscous forces ), yaitu :
Dimana : Ū = kecepatan rata-rata ( m/det m/det ) L = panjang karakteristik ( m ) ν = viskositas kinematis kinematis ( m2/det ) Re= angka Reynold Reynold tak berdimensi Pengaliran air melalui pipa banyak digunakan dalam mendistribusikan air dari sumber air ke keran-keran pengeluaran untuk berbagai keperluan. Sepanjang pendistribusian tersebut, air melalui berbagai hambatan seperti perubahan kecepatan, perubahan penampang dan perubahan kekasaran permukaan. Karena itu dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh perubahan-perubahan tersebut terhadap kehilangan tenaga pada pipa lurus sepanjang 1 m. Hasil yang diperoleh adalah kecepatan dan kekasaran pipa sebanding dengan kehilangan tenaga yang menunjukkan hubungan polynomial orde 2 ( hf = a + bu + 2), dimana dimana bertambah bertambahnya nya kecepata kecepatann dan kekasara kekasarann cu2 dan hf = a + bk + ck 2), menyeb menyebabk abkan an makin makin besar besarnya nya kehil kehilan angan gan tenaga tenaga yang yang terja terjadi. di. Sedan Sedangka gkann luas luas penampang pipa berbanding terbalik dengan kehilangan tenaga yang menunjukkan hubungan eksponensial ( hf = a e -bA ), dimana bertambahnya luas penampang pipa menyebabkan menyebabkan kehilangan tenaga akan semakin kecil. Konsep Aliran Melalui Pipa
Ada tiga tiga persam persamaa aann dasar dasar dalam dalam Mekani Mekanika ka Fluida Fluida dan dan Hidrol Hidrolika ika yang yang berkaitan dengan pengaliran air dalam pipa yaitu persamaan Kontinuitas, Momentum dan pers. Energi. Untuk aliran mantap dan satu dimensi persamaan energi dapat disederha disederhanaka nakann menjadi menjadi persamaan persamaan Bernoulli. Bernoulli. Ketiga Ketiga bentuk bentuk persamaan persamaan tersebut tersebut adalah sebagai berikut : 1. Pers. Konstinuitas Q
Dengan :
=
A1 .V 1
=
A2 .V 2
=
konstn
Q : debit aliran A : luas tampang aliran V : kecepatan rerata aliran pada tampang tersebut. Indeks 1 dan 2 menunjukan nomor tampang aliran yang ditinjau 2. Pers. Momentum F
=
ρ .Q (V 2
V 1 )
−
Dengan : F : gaya yang ditimbulkan oleh aliran zat cair ρ
3.
: rapat massa aliran
Pers. Bernoulli
Z 1 +
p1 γ
+
V 12 2 g
= Z 2 +
p2 γ
+
V 22 2 g
+ ∑h f +∑he
BAB III PEMBAHASAN
Kehilangan Energi pada Pipa Lurus Diameter ½“
Dari hasil penelitian ini didapat rata-rata kecapatan aliran sebesar 2.0912 m/dt. yang yang mengalami mengalami kehilangan kehilangan energi energi
rata-rata rata-rata dari pengamata pengamatann manometer manometer
sebesar 0.17220 meter, dan rata-rata kehilangan energi dari analisis teori sebesar 0.3499 meter ( Tabel 4.5 ). Adapun Adapun hubu hubungan ngan antara kecepata kecepatann aliran aliran dengan dengan kehilang kehilangan an energi energi dari analisis data di atas (Tabel 4.5) dapat dilihat pada gambar 4.1:
Dari sepuluh kali pengujian pengujian didapatkan didapatkan besarnya kecepatan kecepatan dan kehilangan energi yang berbeda, berbeda, pada pengujian pengujian pertama (1); ke lima (5); ke enam enam (6); ke tujuh (7); ke sembilan (9) dan ke sepuluh sepuluh (10) besarnya besarnya kecepatan aliran aliran 2.1252 m/dt yang mengalami mengalami kehilang kehilangan an energi 0.36064 0.36064 m. Dan pada pengujian pengujian ke dua (2); ke tiga (3); ke empat (4); dan ke delapan delapan (8) besarnya besarnya kecepatan kecepatan aliran 2.04 2.0402 02 m/dt yang mengalami kehilangan kehilangan energi 0.33379 0.33379 m. Adanya perbedaan perbedaan kecepatan aliran aliran dan kehilangan energi energi ini di pengaruhi pengaruhi oleh keterbatasan keterbatasan pengamatan, pengamatan, dimana jalanya jalanya penelitian ini diperlukan diperlukan empat empat (4) orang pengamat pengamat sekaligus dengan keterbatasan pengamat yang berbeda-beda.
Dari hasil analisis diatas dianggap bahwa besarnya kehilangan energi pada pipa lurus sangat dipengaruhi oleh kecepatan aliran, semakin besar kecepatan aliran yang melalui pipa tersebut kehilangan kehilangan energi energi semakin besar juga. juga. Hal ini sesuai dengan pendapat Bambang Bambang Triatmodjo (1996:58) (1996:58) bahwa kehilangan kehilangan energi energi pada pipa lurus berdiameter konstan sangat dipengaruhi oleh gesekan. Gesekan terjadi karena adanya kecepatan aliran yang menyebabkan kehilang kehilangan an energi energi disepanj disepanjang ang pipa dengan diameter diameter konstan. konstan. Koefisien Koefisien gesekan pipa tergantung pada parameter parameter aliran, aliran, apabila pipa adalah adalah hidrolis hidrolis halus parameter tersebut adalah kecepatan kecepatan aliran, diameter pipa dan dan kekentalan zat cair dalam dalam bentuk angka reynolds. Kelemaha Kelemahann terjadi terjadi pada pada perbed perbedaan aan kehilang kehilangan an energi energi yang yang cukup cukup besar besar yaitu antara antara kehilang kehilangan an energi energi hasil hasil pengamat pengamatan an manomete manometerr dengan dengan perhitung perhitungan an secara secara teori teori sebesa sebesarr 0.1 0.1777 777 meter meter atau atau terja terjadi di perbed perbedaa aann sebesa sebesarr 50, 50,78 78 % dari dari kehilangan energi secara teori (Tabel 4.5), hal ini dimungkinkan karena rekayasa alat yang dikerjakan masih manual manual dengan alat alat dan bahan bahan yang ada di laboratorium, terutama pada : 4.2.1.1. Pemasangan kran manometer yang kurang memperhatikan memperhatikan standart pemasangan. 4.2.1. 4.2 .1.2. 2. Limpas Limpasan an air yang yang tidak tidak berfun berfungsi gsi pada pada bejan bejanaa penam penampun pungg air, air, sehingga harus ada pengamat pada saat penelitian berjalan. 4.2.1.3. Ketelitian kesetabilan air dalam manometer, terutama disebabkan oleh keterbatasan pengamatan. 4.2.1.4. Batasan tinggi air pada Aquaifer, karena tidak tersedianya tabung pengamatan. Grafik perbedaan kehilangan energi dari kedua pengukuran tersebut dapat dilihat pada gambar 4.2:
4.2.2 Kehilangan Energi pada Pipa Pipa Lurus Diameter ¾“
Dari hasil analisis diketahui rata-rata kecapatan aliran sebesar 1.1032 m/dt. rata-ra rata-rata ta kehila kehilanga ngann energi energi dari dari penga pengama matan tan manome manometer ter adala adalahh 0.0 0.0353 35300 meter, meter, sedang sedangkan kan rata-r rata-rata ata kehil kehilang angan an energi energi dari dari analis analisis is teori teori adalah adalah 0.0 0.0785 78577 meter meter (Tabel 4.6). Hubungan antara kecepatan aliran dengan kehilangan energi dapat dilihat pada gambar 4.3:
Dari grafik diatas diketahui pada pengujian pertama (1); ke dua (2); ke tiga (3); ke empat (4); ke luma (5) dan dan ke sepuluh (10) besarnya kecepatan kecepatan aliran 1.0579
m/dt yang mengalami mengalami kehilangan energi 0.07352 0.07352 m. Dan pada pengujian pengujian ke enam (6); ke tujuh (7); ke delapan delapan (8) dan ke sembilan sembilan (9) besarny besarnyaa kecepatan kecepatan aliran aliran 1.1334 m/dt m/dt dan kehilangan kehilangan energi 0.07857 0.07857 m. Adanya perbedaan perbedaan kecepatan aliran dan kehilanga kehilangan n energi ini di pengaruhi pengaruhi oleh keterbatas keterbatasan an
pengamat pengamatan, an, dimana dimana
jalanya jalanya peneli penelitian tian ini diperlu diperlukan kan empat empat (4) (4) orang orang pengama pengamatt
sekaligus sekaligus denga dengann
keterbatasan pengamat yang berbeda-beda. berbeda-beda. Dari hasil analisis diatas dianggap bahwa besarnya kehilangan energi pada pipa lurus sangat dipengaruhi dipengaruhi oleh kecepatan kecepatan aliran, semakin besar kecepatan kecepatan aliran yang melalui melalui pipa tersebut tersebut kehilangan kehilangan energi energi semakin besar besar juga. Hal ini sesuai sesuai dengan dengan pendapat pendapat Bambang Triatmodj Triatmodjoo (1996 (1996:58) :58) bahwa kehilanga kehilangann energi energi pada pipa lurus berdiamete berdiameterr konstan konstan sangat dipengaruh dipengaruhii oleh gesekan. gesekan. Gesekan Gesekan terjadi terjadi karena ada kecepatan kecepatan aliran dan menyebabka menyebabkan n kehilangan energi disepanjang pipa. Koefisien Koefisien gesekan gesekan pipa tergantun tergantungg pada parameter parameter aliran,
apabila apabila pipa adalah adalah
hidrol hidrolis is halus halus parame parameter ter tersebut tersebut adalah adalah kecepa kecepatan tan aliran, aliran,
diamet diameter er pipa pipa dan
kekentalan zat cair dalam bentuk angka reynolds. Kelemaha Kelemahann terjadi terjadi pada pada perbed perbedaan aan kehilang kehilangan an energi energi yang yang cukup cukup besar besar antara kehilangan kehilangan energi hasil pengamatan pengamatan manometer dan perhitungan perhitungan secara teori sebesar sebesar 0.04327 0.04327 meter atau terjadi terjadi perbedaa perbedaann sebesar 55,07 55,07 % dari kehilang kehilangan an energi teori ( tabel 4.6 ), hal ini dimungkinkan karena rekayasa alat yang dikerjakan secara manual dengan dengan alat dan bahan yang ada ada di laboratorium terutama pada : 4.2.2.1.Pemasangan kran manometer yang kurang memperhatikan standart pemasangan. 4.2.2. 4.2 .2.2.L 2.Limp impasa asann air yang yang tidak tidak berfu berfungs ngsii pada pada bejana bejana penam penampun pungg air, air, sehingga harus ada pengamat pada saat jalanya penelitian. 4.2.2.3.K 4.2. 2.3.Ketel etelitian itian kesetabi kesetabilan lan air dalam dalam manomete manometer, r, terutama terutama disebabk disebabkan an oleh keterbatasan pengamatan. 4.2.2.4.B 4.2. 2.4.Batas atasan an tinggi tinggi air pada Aquaifer, karena tidak tersedianya tersedianya tabung tabung pengamatan. Grafik perbedaan kehilangan energi dari kedua pengukuran tersebut dapat dilihat pada gambar 4.4:
4.2.3 Kehilangan Energi pada Pipa Lurus Lurus dengan Perubahan Perubahan Penampang
Ekspansi Ekspansi (Pembes (Pembesaran aran Penampa Penampang ng dari Diameter Diameter ½ “ ke ¾ “) Dari hasil hasil analisis diketahui rata-rata kecapatan aliran sebesar 3.0515 m/dt. rata- rata kehilangan energi energi dari pengamatan manometer manometer adalah 0.126 meter, sedangkan rataratarata kehilangan kehilangan energi dari analisis teori adalah adalah 0.14464 meter (Tabel (Tabel 4.7). Hubungan antara antara kecepatan kecepatan aliran dengan kehilangan energi energi dapat dilihat pada gambar 4.5 :
Dari grafik pengujian pipa ekspansi di atas diketahui ada perbedaan kecepatan dan kehilangan energi dari masing-masing pengujian yang membentuk
garis linier sehingga dapat disimpulkan bahwa kehilangan energi pada pipa lurus mengalami mengalami perubaha perubahann penampan penampangg ekspansi ekspansi sangat sangat dipengaruh dipengaruhii oleh kecepata kecepatann aliran, semakin besar besar kecepatan aliran aliran yang melalui pipa tersebut tersebut kehilangan kehilangan energi semakin besar juga. Hal ini sesuai dengan pendapat Bambang Triatmodjo (1996:58) bahwa kehilangan energi pada pipa lurus yang mengalami perubahan penampang sangat dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan koefisien ekspansi. Perubahan penampang mengakibatkan adanya tumbukan antara partikel zat cair dan meningkatnya meningkatnya gesekan karena turbulensi turbulensi serta tidak seragamnya distribusi distribusi kecepatan pada pada suatu penampang penampang pipa. Adanya lapisan lapisan batas terpisah dari dinding pipa maka akan terjadi terjadi olakan atau pusaran air. Adanya olakan ini akan mengganggu mengganggu pola aliran laminer sehingga sehingga akan menaikan menaikan tingkat turbulensi. Kelemaha Kelemahann terjadi terjadi pada pada perbed perbedaan aan kehilang kehilangan an energi energi yang yang cukup cukup beasr beasr antara kehilangan kehilangan energi hasil pengamatan pengamatan manometer dan perhitungan perhitungan secara teori sebesar sebesar 0.01864 0.01864 meter atau terjadi terjadi perbedaa perbedaann sebesar 12,88 12,88 % dari kehilang kehilangan an energi energi secara teori teori (Tabel 4.7), hal ini dimungkink dimungkinkan an karena rekayasa rekayasa alat yang dikerjakan secara manual manual dengan alat alat dan bahan bahan yang ada di laboratorium terutama pada : 4.2.3.1.Pemasangan kran manometer yang kurang memperhatikan standart pemasangan. 4.2.3. 4.2 .3.2.L 2.Limp impasa asann air yang yang tidak tidak berfu berfungs ngsii pada pada bejana bejana penam penampun pungg air, air, sehingga harus ada pengamatan pada saat penelitian berjalan. 4.2.3.3.K 4.2. 3.3.Ketel etelitian itian kesetabi kesetabilan lan air dalam dalam manomete manometer, r, terutama terutama disebabk disebabkan an oleh keterbatasan pengamat 4.2.3.4.B 4.2. 3.4.Batas atasan an tinggi tinggi air pada Aquaifer, karena tidak tersedianya tersedianya tabung tabung pengamatan. Grafik perbedaan kehilangan energi dari kedua pengukuran tersebut dapat dilihat pada gambar 4.6 :
4.2.4 Kehilangan Energi pada Pipa Lurus Lurus dengan Perubahan Perubahan Penampang
Kontraksi (Pengecilan (Pengecilan Penampang dari dari Diameter ¾ “ ke ½ “) Dari analisis di atas diketahui diketahui rata-rata kecapatan kecapatan aliran sebesar sebesar 2.4322 m/dt. Rata-rata kehilangan kehilangan energ energii dari dari pengam pengamata atann manom manomete eterr adala adalahh 0.1 0.1407 407
meter meter,, sedang sedangkan kan rata-ra rata-rata ta
kehilang kehilangan an energi energi dari analisis analisis teori adalah adalah 0.1327 0.132766 meter meter (tabel 4.8). 4.8). Hubungan Hubungan antara kecepatan kecepatan aliran dengan kehilangan kehilangan energi dapat dilihat pada gambar gambar 4.7 :
Dari grafik di atas diketahui diketahui ada perbedaan kecepatan dan kehilangan kehilangan energi dari masing-masing pengujian yang membentuk garis linier sehingga dapat disimpulkan bahwa kehilangan energi pada pipa lurus mengalami perubahan penampang kontraksi kontraksi juga sangat dipengaruhi dipengaruhi oleh kecepatan aliran, aliran, semakin besar kecepatan aliran aliran yang melalui pipa tersebut tersebut kehilangan energi energi semakin besar besar juga. Hal ini sesuai dengan dengan pendapat pendapat Bambang Triatmodjo Triatmodjo (1996:58) bahwa kehilangan energi pada pipa lurus lurus yang mengalami mengalami perubahan penampang penampang sangat sangat dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan koefisien kontraksi. Perubahan penampang mengakibatkan adanya tumbukan antara partikel zat cair dan meningkatnya meningkatnya gesekan karena turbulensi turbulensi serta tidak seragamnya seragamnya distribusi kecepatan pada pada suatu penampang penampang pipa. Adanya lapisan lapisan batas terpisah dari dinding pipa maka akan terjadi terjadi olakan atau pusaran air. Adanya olakan olakan ini akan mengganggu mengganggu pola aliran laminer sehingga akan menaikan tingkat turbulensi. Perbedaa Perbedaann kehilangan kehilangan energi antara kehilang kehilangan an energi hasil pengamata pengamatann manometer dan perhitungan secara teori sebesar 0.00794 meter atau terjadi perbedaan sebesar 5,98 % dari kehilangan energi secara teori dan dimungkinkan karena karena rekayasa rekayasa alat alat dan pemas pemasanga angann kran manom manometer eter yang yang dikerja dikerjakan kan secara secara manual dengan alat alat dan bahan yang ada ada di laboratorium hidrolika. Untuk lebih jelas perbedaan hasil dari kedua kedua pengukuran tersebut tersebut dapat dilihat pada gambar berikut:
BAB IV PENUTUP 1.
Kesimpulan
1. Pada penguji pengujian an pipa ½ ” diketahui diketahui rata – rata kecepat kecepatan an aliran sebesar sebesar 2.1252 2.1 252 m/dt m/dt yang yang menga mengalam lamii kehila kehilanga ngann energ energii 0.3 0.3606 60644 meter. meter. dan dan kecepa kecepatan tan aliran aliran 2.0 2.0402 402 m/dt dengan dengan
menga mengalam lamii kehil kehilang angan an energ energii
0.33379 meter. 2. Pada pengujian pipa ¾ ” diketahui rata – rata kecepatan aliran sebesar 1.0579 1.0 579 m/dt m/dt yang yang menga mengalam lamii kehila kehilanga ngann energi energi 0.0 0.0735 73522 meter meter.. dan kecepatan aliran 1.1334 1.1334 m/dt dengan kehilangan energi energi 0.07857 meter. 3. Pada pengujian pengujian pipa ekspansi ½ “ ke ¾ “ diketahui diketahui rata – rata kecepatan aliran sebesar 3.0535 m/dt yang mengalami kehilangan energi 0.1446 m. 4. Pada pengujian pengujian pipa kontraksi ¾ “ ke ½ ” diketahui rata – rata kecepatan kecepatan aliran sebesar 2.4322 m/dt yang mengalami kehilangan energi 0.1327 m. 5. Pada Pada penguj pengujian ian pipa pipa lurus lurus mengal mengalami ami peruba perubahan han penam penampan pangg terja terjadi di perbedaan kecepatan aliran dan kehilangan energi yang membentuk persam persamaan aan garis garis linier linier yang berarti berarti
bahwa bahwa kehilan kehilangan gan energi energi sangat sangat
dipengaruhi oleh kecepatan aliran air dan perubahan penampang (koefisien perubahan penampang). 6. Ada perbedaan perbedaan kehilangan kehilangan energi energi hasil pengamat pengamatan an manometer manometer dengan kehilangan energi analisis teori, pada pipa ½” kehilangan energi manome manometer ter 0,1 0,172 72 m dan teori teori 0,3 0,3499 499 m sehing sehingga ga besarn besarnya ya perbed perbedaa aann 0.1777 m atau 50,78 % dari kehilangan energi secara teori, pada pipa ¾” kehilangan energi manometer 0,0343 m dan teori 0,07655 m sehingga besarnya perbedaan 0.04327 m atau 55,07 % dari kehilangan energi teori, pada pipa ekspansi ekspansi ½” ke ¾” kehilang kehilangan an energi energi manomete manometerr 0,12 0,1266 m dan teori 0,1446 m sehingga besarnya perbedaan 0.01864 m atau 12,88 % dari kehilang kehilangan an energi energi secara secara teori, pada pipa kontraksi kontraksi ¾” ke ½” kehilanga kehilangann energi manometer 0,139 m dan teori 0,1327 m sehingga besarnya perbedaan 0.00794 m atau 5,98 % dari kehilangan energi secara teori. Hal ini dimungkink dimungkinkan an karena karena faktor faktor sesitifita sesitifitass alat dan proses proses pengamat pengamatan an selama pengukuran.
DAFTAR PUSTAKA
Arikunto, Suharsimi. 1998 . Prosedur Penelitian Suatu pendekatan Praktek . Jakarta: Rineka Cipta. Kodoatie, Robert. 2002. Hidrolika Terapan, Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa. Yogyakarta : Andi Offset.
Krist, Thomas. 1991. Hidraulika (Terjemahan Dines Ginting). Jakarta: Erlangga Stree Streeter ter,, Victor Victor L dan dan
Wylie, Wylie, Benja Benjamin min E. 1999. 1999.
Terjemahan Arko Prijono . Jakarta: Erlangga Sudjana. 1992. Metoda Statistik . Bandung : T Tarsito. arsito.
Mekani Mekanika ka Fluida Fluida Jilid Jilid 1 .
