BAB III HIDROLIKA PERPIPAAN
3.1.
DASAR HIDROLIKA PERPIPAAN
Hidrolika adalah ilmu yang mepelajari perilaku air secara fisik dalam arti perilaku perilaku yang ditelaah harus terukur secara fisik. Perilaku yang dipelajari meliputi hubungan antara debit air yang mengalir dalam pipa dikaitkan dengan diameter pipanya sehingga dapat diketahui gejala gejala yang timbul seperti tekanan, kehilangan energi dan gaya-gaya lainnya. Hubungan gejala gejala akan dijelaskan dalam formulasi empiris yang lazim dipakai dalam praktek. Pada dasarnya dalam menelaah aspek hidrolika dalam pipa kita selalu beranggapan atau berasumsi bahwa air adalah fluida yang mempunyai sifat “incompresible” atau diasumsikan tidak mengalami perubahan volume / isi apabila terjadi tekanan. Fluida yang bergerak di dalam pipa dianggap dalam kondisi “steady state” atau air dianggap mempunyai kecepatan yang konstan dari waktu ke waktu apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama. Fluida yang bergerak di dalam pipa juga dianggap dalam kondisi “uniform flow” atau air dianggap mempunyai kecepatan yang seragam sepanjang pipa apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama .
2 Pada kenyataannya dilapangan kondisi yang dijelaskan dalam asumsi ini tidak selalu tercapai terutama kondisi steady flow dan uniform flow. Penyimpangan keadaan tersebut disebut keadaan transient yang umum terjadi pada saat awal pembukaan dan penutupan valve. Efek yang timbul disebut
sebagai
water
hammer
yang
terefleksi
dengan
kejadian
pengempisan pipa, pecahnya pipa atau a tau dalam dal am keadaan yang ringan adalah terdengarnya suara ketukan ketukan palu dipipa besi. Setiap aliran air dalam pipa juga harus memenuhi azas kontinuitas dimana Q1 = Q2 Dimana : 3
Q1= Debit masuk di sisi 1 (m /dt) 3
Q2 = Debit keluar di sisi 2 (m /dt) debit aliran yang masuk dalam sisi 1 akan keluar pada sisi 2 dengan debit yang sama. Debit air adalah volume air per satuan waktu. Debit air adalah luas penampang pipa dikalikan dikali kan dengan kecepatannya. Debit air yang masuk ke dalam pipa mempunyai kecepatan aliran yang berbeda beda tergantung dari diameter pipanya.
3 Kalau luas penampang pipa adalah sebanding kuadrat dengan diamaternya, maka ; Q
= A.v
A
=
π
4
2
d
Maka, Q
=
π
4
2
d .v
dimana : v
= kecepatan aliran air pipa
(m/dt)
A
= Luas penampang pipa
m
d
= diameter pipa di sisi
(m)
π
= konstanta phi atau 22/7=3.14
π
=
4
3.14 4
2
= 0,785 atau bila dibulatkan 0.8
Lihat pada gambar 3.1.
v1
hL v2 H2
H1
z2
z1
muka laut
1
2
gambar 3.1. Model hidrolika pipa
4 Air masuk pipa bergerak dari sisi 1 dan keluar di sisi 2 sesuai dengan azas kontiuitas energi yang ada di sisi 1 juga harus sama di sisi 2 . Maka Energi total 1 sama dengan Energi total 2 atau Etot1=Etot2. Energi yang ada di sisi 1 apabila diuraikan lagi terdiri dari : 1. Energi Potensial 2. Energi Kinetik 3. Kehilangan Energi Energi secara formal mempunyai satuan joule tetapi untuk sederhananya kajian dinyatakan dengan tinggi kolom air. Energi Potensial disini terdiri dari : z
= muka tanah terhadap muka laut
(m)
h
= beda tinggi dari muka air ke muka tanah
(m)
Energi V =
kinetik air v2
2. g
yang
mengalir
dipipa
dinyatakan
dengan
dimana v adalah kecepatan aliran air (m/dt) dan g adalah 2
gravitasi (m/dt ). 2
2
z1+H1+ v1 /2g =z2+H2+ v2 /2g+hL , Etot1 = Etot2 ,
Sehingga persamaan ini lazim disebut sebagai persamaan Bernaulli. Di sini dapat disimpulkan untuk menghitung sisa tekanan dalam realita, faktor faktor penting untuk diketahui adalah:
•
Elevasi tanah dimana pipa diletakkan
(z)
5
•
Tenaga pendorong awal seperti menara air atau pompa (h 1)
•
Kehilangan Energi atau Kehilangan Tekanan (hL)
Elevasi tanah didapat hari hasil pengukuran tanah yang baik. Tenaga pendorong adalah kondisi menara atau per pompaan yang diperkirakan ketinggian tekannya dengan baik sedangkan headloss dihitung berdasarkan rumusan rumusan empiris.
3.2.
KEHILANGAN TEKANAN
Salah satu faktor yang penting dalam perhitungan hidrolis perpipaan adalah perhitungan kehilangan tekanan. Ada beberapa rumusan yang dapat dipakai dalam menghitung kehilangan tekanan yaitu :
•
Hazen William
•
Darcy Weisbach
•
De Chezy Manning
3.2.1. Persamaan Hazen William
Persamaan Hazen william adalah yang paling umum dipakai, persamaan ini lebih cocok untuk menghitung kehilangan tekanan untuk pipa dengan diameter besar yaitu diatas 100 mm. Selain itu rumus ini sering dipakai karena mudah dipakai.
6 Persamaan Hazen William secara empiris menyatakan bahwa debit yang mengalir didalam pipa adalah sebanding dengan diameter pipa dan kemiringan hidrolis (S) yang di nyatakan sebagai Kehilangan tekanan (hL) dibagi dengan panjang pipa (L) atau S =
hl L
.
Disamping itu ada faktor C yang menggambarkan kodisi fisik dari pipa seperti kehalusan dinding dalam pipa yang menggambarkan jenis pipa dan umur. Secara umum rumus Hazen William adalah sebagai berikut: Q = 0.2785.C .d 2.63.S 0.54
Dimana ; S =
hl L
.
Dimana L = adalah panjang pipa dari node 1 ke node 2 Apabila kehilangan tekanan atau h L yang akan dihitung maka : 1.85
Q ⎛ ⎞ hl = ⎜ 2.63 ⎟ ⎝ 0.2785.C .d ⎠
. L
C adalah (koefisien Hazen William) berbeda untuk berbagai jenis pipa sedangkan untuk jenis pipa High Density Poly Ethylene (HDPE) nilai C (koefisien Hazen William) adalah 130.
7 3.2.2. Persamaan Darcy Weisbach
Persamaan Darcy dapat di ditulis secara matematis : 2 v1 ⎞ ⎛ L ⎞ ⎛ ⎜ ⎟ . Kemudian secara empiris di tentukan suatu hl = f .⎜ ⎟. ⎜ d g 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎟
faktor f. f =
ε
D
Dimana : HL
= headloss
(m)
f
= faktor gesekan
L
= panjang pipa
(m)
D
= diameter pipa
(m)
v
= kecepatan aliran
(m/s)
g
= percepatan gravitasi
(m/s2)
Perumusan koefisien f yang paling lazim dipakai adalah dengan metoda Colebrook , nilai
ε
untuk koefisien Colebrook pada pipa
jenis HDPE adalah 0,007. Perumusan ini dipakai untuk aliran yang lebih laminer sehingga lebih cocok untuk pipa dengan diameter kecil (<50mm). Tetapi untuk diamater yang lebih besar biasa dipakai perumusan Hazen William.
8
3.2.3. Persamaan De Chezy dengan koefisien Manning
Persamaan ini umum dipakai di saluran terbuka, tetapi dapat pula dipakai di jaringan perpipaan. V = S =
1
. R
n H l L
2/3
.S .1 / 2
, R =
A P
Dimana : v
= kecepatan aliran
(m/s)
n
= koefisien Manning
R
= jari-jari hidrolis
(m)
S
= slope/kemiringan
(m/km)
HL
= headloss
(m)
L
= panjang saluran
(m)
A
= luas penampang basah saluran
(m )
P
= keliling penampang basah saluran
(m)
2
Persamaan ini biasa digunakan untuk saluran terbuka (irigasi / drainase).
3.3.
TEKANAN PENGGERAK AIR
Tekanan penggerak air yang ada di alam adalah gaya gravitasi sehingga air yang diletakkan didalam suatu penampung atau reservoir pada suatu ketinggian tertentu, tentunya akan mengalir ke bawah searah dengan gaya gravitasi. Pada kasus ini tekanan awal penggerak yang biasa disebut
9 sebagai head awal (initial head) atau tekanan awal akan selalu sama walaupun debit yang dialirkan berubah - ubah. Selain mengunakan gaya gravitasi air dalam pipa juga dapat digerakkan oleh mesin penggerak air atau pompa. Karakteristik pengaliran air oleh pompa sangat berbeda dengan pengaliran dengan gravitasi. Tekanan pompa akan tidak sama dengan debit air yang dihasilkan. Misalnya kita tinjau suatu sistem perpipaan yang pada sisi 1 di pasang pompa dan disisi 2 dipasang valve. Pada suatu Debit rencana (Qr) tekanan
pompa akan tertentu (h1r). E to t1 v1
E to t2 hL v2
H1 pompa
z1
H2 valve Q r z2 muka laut
Gambar 3.2. Model hidrolika pipa dengan tekanan pompa
Pada saat valve di putar kecil atau di cek, tekanan pompa akan naik terus sampai bila valve tertutup dan pompa tetap hidup, maka tekanan pompa akan berhenti pada tekanan h10. Tetapi sebaliknya pada saat pompa diputar lebih besar dari debit rencana (Q>Qr) maka tekanan pompa akan turun ( h1< h10).
10 Pada gambar 3.3. ditunjukkan grafik tekanan pompa vs Debit yang dihasilkan.
H 10
valve diputar kecil
h10 valve diputar besar
pompa Q
gambar 3.3. Kurva Debit Air (Q) dengan tekanan pompa (h)
Bandingkan kondisi ini dengan apabila menggunakan menara air, yang menggunakan beda tinggi sebagai pendorong aliran air dalam pipa (lihat gambar 3.4.). Dari gambar ini dapat dilihat bahwa walaupun valve dibuka
lebih besar hingga debit air yang keluar besar maupun diperkecil hingga debit yang keluar kecil, tekanan awal akan tetap sama.
reservoir
H10
valve diputar kecil valve diputar besar
Q
gambar 3.4. Kurva Debit Air(Q) dengan Tekanan air (h) di Menara Air
11
Dalam praktek kedua sistem penggerak aliran ini mempunyai kelebihan dan kekurangan. Untuk dapat memahami perbedaan ini maka pengertian tentang hidrolika jaringan pipa perlu di telaah.
3.4.
HIDROLIKA JARINGAN PERPIPAAN
Jaringan perpipaan merupakan suatu rangkaian pipa yang saling terhubung satu sama lain secara hidrolis, sehingga apabila di satu pipa mengalami perubahan debit aliran maka akan terjadi penyebaran pengaruh ke pipa pipa yang lain. Pengaruh ini dapat di deteksi dari segi perubahan tekanan yang ada di pipa. Pipa yang tergabung dalam suatu jaringan pipa dapat dibedakan satu dengan yang lain dari segi :
•
Panjang Pipa
•
Diamater Pipa
•
Jenis Pipa
•
Kedudukan pipa dalam jaringan Kedudukan pipa dalam suatu jaringan dapat dinyatakan dengan :
• Nomor pipa •
Simpul atau node yang dihubungkan oleh pipa ters ebut
Dalam suatu sistem jaringan air yang keluar dari node dikendalikan oleh sebuah valve yang menghubungkan antara satu bagian jaringan dengan
12 bagian lainnya. Sedangkan secara kolektif air yang keluar dari satu node jaringan tergantung dari perilaku konsumen atau pemakai air memakai air. Pemakaian air sendiri secara hidrolis tergantung dari sisa tekanan pada node tersebut sedangkan faktor lain yang mempengaruhi adalah tingkat kebutuhan konsumen akan air. Sebagai asumsi misalnya 1 orang per hari memakai air 200 L/org/hari, bila sebuah node melayani 500 orang maka satu node itu mengeluarkan air sebanyak 200 L/org/hari x 500 org = 100.000 L/hari atau 100 m 3/hari atau atau rata rata dalam 1 detik adalah 100.000/3600/24=1,1574 L atau Q = 1,1574 L/dt. Hal ini berarti debit air yang keluar dari node tersebut adalah 1,1574 L/dt.
3.5.
SOFTWARE EPANET 3.5.1. Tampilan Epanet
Tampilan dasar epanet dapat dilihat pada gambar berikut yang terdiri dari elemen - elemen : 1.
Menu bar
2.
2 buah tool bar
3.
Status bar
4.
Network map windows
5.
Browser window, dan Property Editor window.
13 Penjelasan masing-masing elemen dapat dilihat pada gambar berikut ini :
Gambar 3.5 Tampilan pada Software Epanet 2.0
Epanet memodelkan sistem distibusi air sebagai kumpulan garis yang menghubungkan node node. Garis menggambarkan pipa, pompa dan katub kontrol. Sedangkan node menggambarkan sambungan (Junction), tangki, dan reservoir. Gambar di bawah mengilustrasikan bagaimana node - node dan garis dapat dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk sebuah jaringan.
14
Gambar 3.6 Komponen fisik pada sistem distribusi air Epanet mengandung dua buah objek fisik yang dapat muncul pada peta jaringan, dan objek non–fisik yang mencakup design dan informasi operasional.
3.5.2. Objek Fisik
Objek fisik yang muncul pada epanet adalah node dan link , node tersebut terdiri dari Junction ( Sambungan ), Reservoir, Tanki dan Link terdiri dari Pipa, Pompa, Valve.
a.
Sambungan (junction)
Sambungan (junction) adalah titik pada jaringan dimana garis-garis bertemu dan dimana air masuk atau meninggalkan jaringan.
informasi
(junction) adalah:
yang
dibutuhkan
bagi
sambungan
15
•
Junction ID ( Nomor sambungan )
•
Coordinate (X,Y)
•
Description
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Elevation
•
Base Demand ( Kebutuhan dasar nominal )
•
Demand Pattern ( Kebutuhan dengan Pola Waktu )
•
Demand Categories
•
Emitter Coefficient
•
Initial Quality ( Level kualitas air )
•
Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) untuk sambungan (junction) pada seluruh periode waktu simulasi adalah :
•
Demand Actual ( total demand )
•
Head Hidrolis ( Penjumlahan elevasi dengan head pressure )
b.
•
Tekanan (pressure)
•
Kualitas Air
Reservoir
Reservoir
adalah
eksternal
yang
node terus
yang menerus
menggambarkan mengalir
ke
sumber jaringan.
Diasumsikan untuk menggambarkan seperti danau, sungai, akuifer air tanah, dan koneksi dari sistem lain. Reservoir juga dijadikan titik sumber kualitas air. Informasi yang dibutuhkan Reservoir adalah:
16
•
Reservoir ID ( Nomor reservoir )
•
Coordinate (X,Y)
•
Description
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Total Head
•
Head Pattern
•
Initial Quality ( Level kualitas air )
•
Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode waktu simulasi adalah Net Inflow , Pressure dan Kualitas Air.
c.
Tanki
Tanki membutuhkan node dengan
data kapasitas, dimana
volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasar waktu selama semulasi berlangsung. Informasi yang dibutuhkan Tanki adalah:
•
Tank ID ( Nomor tangki )
•
Coordinate (X,Y)
•
Description
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Elevation
•
Initial Level
•
Minimum Level
•
Maximum Level
•
Diameter
•
Minimum Volume
17
•
Volume Curve
•
Mixing Model ( Model Pengadukan )
•
Mixing Fraction
•
Reaction Coefficient
•
Initial Quality ( Level kualitas air )
•
Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode waktu simulasi adalah Tekanan Hidrolis (elevasi permukaan air), Kualitas air.
d.
Pipa
Pipa adalah penghubung yang membawa air dari satu poin ke poin lainnya dalam jaringan. epanet mengasumsikan bahwa semua pipa adalah penuh berisi air setiap waktunya. Arah aliran adalah dari titik dengan tekanan hidrolik tertinggi menuju titik dengan tekanan rendah. Informasi yang dibutuhkan pipa adalah :
•
Pipe ID ( Nomor pipa )
•
Start Node
•
End Node
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Length ( Panjang pipa )
•
Diameter
•
Roughness ( Koefesien kekasaran pipa )
•
Loss Coefficient ( Minor Losses )
•
Initial Status
18
•
Bulk Coefficient
•
Wall Coefficient
Hasil komputasi ( analisa ) Pipa pada periode waktu simulasi adalah :
e.
•
Flow ( Laju aliran )
•
Velocity ( Kecepatan )
•
Unit Headloss ( Kehilangan Tekanan )
•
Faktor friksi Darcy-Weisbach
•
Rata-rata Laju reaksi (sepanjang pipa)
•
Rata-rata Kualitas air (sepanjang pipa)
•
Quality
•
Status pipa ( terbuka / tertutup )
Pompa
Pompa adalah link yang memberi tenaga ke fluida untuk menaikkan head hidrolisnya. Informasi yang dibutuhkan pump ( pompa ) adalah :
•
Pump ID ( Nomor pompa )
•
Start Node
•
End Node
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Pump Curve ( Label ID dari Curve pompa )
•
Power ( Tenaga yang disupplay pompa )
•
Speed ( Pengaturan kecepatan relatif dari pompa )
•
Pattern ( pola waktu )
•
Initial Status
•
Efficiency Curve ( Label ID dari kurva effiseinsi pompa )
19
•
Energy Price
•
Price Pattern
Hasil komputasi ( analisa ) Pompa pada periode waktu simulasi adalah :
f.
•
Flow ( Laju aliran )
•
Headloss
•
Quality
•
Status.
Valves
Valve adalah sebuah link yang membatasi tekanan atau flow , pada suatu node sebuah jaringan. Informasi yang dibutuhkan Valve adalah :
•
Valve ID ( Nomor Valve )
•
Start Node
•
End Node
•
Description
•
Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
•
Diameter
•
Type Valve ( PRV, PSV, PBV, FCT, TCV )
•
Setting Valve
•
Loss Coefficinct
•
Fixed Status
20 Hasil komputasi ( analisa ) Valve pada periode waktu simulasi adalah :
•
Flow
•
Velocity
•
Headloss
•
Quality
•
Status
3.5.3. Objek Non Fisik.
Objek non–fisik yang mencakup design dan informasi operasional, yang terdiri dari Time Pattern ( Pola Waktu ), Curve ( Kurva ).
a.
Time pattern ( Pola Waktu )
Pola Waktu (time pattern) berupa kumpulan faktor pengali yang dapat diaplikasikan sebagai kuantitas yang bervariasi terhadap waktu. Kebutuhan di tiap node, Head Reservoar, pompa, dan input sumber kualitas air dapat terikat pada pola waktu. Interval waktu yang digunakan dalam seluruh pola merukapan nilai yang tetap, diatur dalam Time Options. Dengan Interval tersebut kuantitas berlangsung secara konstan, sebanding dengan hasil dari nilai nominal dan faktor pengali dalam periode waktu. Meskipun pola waktu harus dilakukan dalam interval waktu yang sama, setiap periode dapat berupa angka yang berbeda. Ketika periode simulasi
21 melebihi dari jumlah periode dalam pola, maka pola akan kembali ke periode awal lagi.
Gambar 3.7 Pattren Editor
b.
Kurva
Kurva adalah obyek yang mengandung rangkaian data yang menjelaskan tentang hubungan antara dua besaran, model dalam epanet dapat menyediakan tipe kurva sebagai berikut : a)
Kurva Pompa
b)
Kurva Effisiensi
c)
Kurva Volume
d)
Kurva Head Loss
22 a) Kurva Pompa
Kurva Pompa mejelaskan hubungan antara head dan laju aliran yang dapat dialirkan oleh pompa pada pengaturan kecepatan nominal. Head yang diperoleh air dari pompa digambarkan pada sumbu vertikal (Y) dengan satuan feet (meter). Laju Aliran digambarkan pada sumbu Horizontal (X) dalam unit debit.
Gambar 3.8 Kurva Pompa
b) Kurva Efisiensi
Sebuah kurva Efisiensi menjelaskan efisiensi pompa (Y dalam persen) sebagai fungsi dari laju aliran pompa (X dalam satuan debit), kurva ini hanya digunakan untuk perhitungan energi.
23 c) Kurva Volume
Kurva Volume menjelaskan bagaimana volume tangki penyimpan ( Y dalam kubik feet atau meter kubik) bervariasi sebagai fungsi dari tinggi air (X dalam feet atau meters). Digunakan ketika diperlukan gambaran yang akurat alam potongan memanjang terhadap tinggi tangki.
d) Kurva Headloss
Kurva Headloss digunakan untuk menjelaskan headloss (Y dalam feet atau meter) yang melalui General Purpose Valve (GPV) sebagai fungsi dari Laju aliran (X dalam unit Debit). Menjelaskan tentang kapabilitas dari pemodelan alat dan situasi, dengan keunikan hubungan headloss-aliran, seperti pengurangan aliran – katub pencegahan aliran balik, turbin dan pemompaan sumur dalam.
3.5.4. Analisis Running
Jika data sudah valid, langkah selanjutnya adalah me-running jaringan dan apabila proses running berlangsung dengan sukses, maka tidak akan muncul beberapa pesan error atau perhatian, dan apabila proses running tidak berlangsung dengan sukses, maka akan muncul beberapa pesan error atau perhatian pada jendela
24 status report, yang mengindikasikan bahwa masih ada yang bermasalah pada pemasukan data.
3.5.5. Hasil Trouble Shooting.
Epanet akan mengeluarkan pesan Error dan Perhatian ketika masalah terlihat pada analisis hidrolik. Hal yang sering muncul adalah Pompa tidak dapat menyalurkan Aliran atau Head (Pump Cannot Deliver Flow or Head). Sebagai contoh misalnya epanet akan mengeluarkan pesan error dan peringatan ketika pompa bekerja diluar kisaran kurva pompa.
Kemunculan Presure Negative (Negative Pressure Exist) Epanet akan memunculkan pesan peringatan ketika menghasilkan hitungan tekanan negatif pada junction dengan demand positif. Biasanya mengindikasikan bahwa terdapat masalah pada jaringan yang dibuat atau dioperasikan. Tekanan negatif dapat muncul ketika bagian dari jaringan hanya dapat menerima sebagian air atau karena jaringan tertutup.
3.5.6. Model Simulasi hidrolis.
Untuk membuat jaringan menjadi lebih realistis, aanalisa dapat dibuat simulasi hidrolisnya, dengan cara membuat pola waktu
25 ( Time Pattern ) yang menggunakan demand bervariasi pada node dalam satu hari atau lebih.
