analisis kekasaran permukaan rata-rata...

SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 137

ANALISIS KEKASARAN PERMUKAAN RATA-RATA DINDING BAGIAN DALAM PIPA

GALVANIZED IRON PIPE (GIP) DIAMETER NOMINAL 1 INCHI

DENGAN FLUIDA KERJA AIR BERSIH

Yohanes Agus Jayatun

Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Nasional (STTNAS)

Jl. Babarsari, Catur Tunggal, Depok, Sleman, Yogyakarta

Email : [email protected], [email protected]

ABSTRAK

Salah satu hal yang mempengaruhi besarnya rugi tekanan aliran air di dalam pipa adalah kekasaran permukaan

dinding pipa bagian dalam. Rumus yang digunakan untuk menghitung nilai itu diberikan oleh Hagen-Poiseuille untuk aliran

laminar. Untuk sembarang jenis aliran, baik laminar maupun turbulen, rumus yang digunakan diberikan oleh Darcy-

Weisbach dan Hazen-William. Aliran air di dalam pipa, yang banyak digunakan pada keperluan sehari-hari, hampir

seluruhnya berupa aliran turbulen. Dengan demikian di dalam praktek sehari-hari, rumus Darcy-Weisbach dan Hazen-

William digunakan secara luas.

Penelitian ini bertujuan untuk mevalidasi kembali nilai kekasaran permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa

Galvanized Iron Pipe (GIP) sehingga penghitungan rugi tekanan yang dikenakan pada instalasi air bersih yang menggunakan

rumus Darcy-Weisbach dapat semakin dipertanggungjawabkan. Benda uji yang digunakan adalah pipa Galvanized Iron Pipe

(GIP) kelas medium diameter nominal 1 inchi. Fluida kerja yang digunakan adalah air bersih. Data yang digunakan untuk

menganalisis kekasaran rata-rata permukaan dinding pipa bagian dalam, adalah debit aliran dan penurunan tekanan aliran.

Pengambilan data dilakukan pada aliran air bersih didalam pipa yang digunakan sebagai Benda Uji, yang berupa debit dan

beda tekanan antara upstream dan downstream. Kekasaran permukaan rata-rata dicari melalui Diagram Moody setelah factor

gesekan dihitung berdasarkan rumusan Darcy-Wiesbach

Hasil penelitian menunjukan nilai kekasaran permukaan rata-rata Benda Uji jauh menyimpang dari yang tertera di

Diagram Moody, dan nilai itu berkorelasi dengan reynold number, sehingga hasil penelitian ini tidak layak digunakan

sebagai acuan perhitungan rugi tekanan aliran air di dalam pipa GIP berdasarkan rumus Darcy-Weisbach karena nilainya

tidak menunjukan nilai kekasaran permukaan rata-rata yang konstan.

Kata kunci : rugi tekanan, aliran dalam pipa, aliran laminar, aliran turbulen, kekasaran permukaan rata-rata, Galvanized Iron

Pipe (GIP).

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kekasaran permukaan rata-rata dinding pipa

bagian dalam sangat mempengaruhi besarnya ta-

hanan aliran (rugi tekanan) pada aliran fluida di

dalam pipa. Pada diagram Moody besarnya keka-

saran permukaan rata-rata itu, untuk pipa

galvanized iron adalah 0,15 mm. Besarnya rugi

tekanan dapat dihitung dengan rumus yang

diberikan oleh Darcy Weisbach atau dengan

diagram yang diberikan oleh Hanzen William.

Kekasaran permukaan rata-rata sangat dipe-

ngaruhi oleh teknologi pembuatan pipa. Dewasa ini

teknologi pemuatan pipa sudah sangat maju se-

hingga terbuka kemungkinan besarnya nilai keka-

saran permukaan rata-rata berbeda dengan yang

disajikan pada diagram Moody. Oleh karena itu

perlu dilakukan penelitian besarnya kekasaran

permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa

pada produk pipa yang dibuat pada saat ini, agar

perhi-tungan rugi tekanan aliran di dalam pipa

dapat dilakukan sesuai dengan nilai kekasaran

permukaan rata-rata yang riil, tidak hanya

berdasarkan informasi yang termaktub pada

diagram Moody.

Perumusan Masalah

Permasalah utama pada penilitian ini adalah

informasi nilai kekasaran permukaan rata-rata

dinding dalam pipa selalu mengacu pada informasi

yang termaktub di diagram Moody. Sementara

teknologi pembuatan pipa semakin maju sehingga

terbuka kemungkinan nilai itu berbeda dan

cenderung lebih kecil.

Besarnya nilai kekasaran itu dapat didekati

dengan mengukur rugi tekanan pada aliran di dalam

pipa serta mengukur kekasaran denga roughness

meter. Pengukuran rugi tekanan dilakukan dengan

mengalirkan sir bersih pada pipa GIP NPS 1” de-

ngan berbagai debit. Dari data yang didapat ,

dengan rumus yang diberikan Darcy Weisbach

maka dapat dihitung nilai kekasaran permukaan

rata-rata itu.

Hasil perhitungan berdasarkan rugi tekanan

dan pengukuran langsung dibandingkan dan ha-

silnya digunakan untuk membuat diagram seba-

gaimana diagram Hanzen William.

Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian adalah

a. Mengetahui nilai kekasaran permukaan rata-rata

dinding dalam pipa GIP

b. Membandingkan nilai itu dengan yang

termaktub di diagram Moody

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan lingkup pipa-pipa

GIP NPS 1” yang dijual di pertokoan di kota

Yogyakarta.

Batasan penelitian adalah :

1. Benda uji adalah pipa Galvanized Iron Pipe

(GIP) kelas medium dengan diamater nominal 1

inchi.

2. Jumlah benda uji 10 batang yang masing-

masing mempunyai panjang seksi uji 215 cm.

3. Fluida kerja adalah air bersih yang mempunyai

massa jenis 1000 kg/m3 dan viskositas kine-

matik 1 cSt.

Aliran Laminar,Turbulen& Reynold Number

Jenis aliran fluida ( cair ) yang mengalir di

dalam pipa, karena sifat fisisnya dapat berupa aliran

laminar atau turbulen. Aliran laminar terbentuk

apabila lintasan alir partikel-partikel fluida yang

mengalir tidak saling berpotongan. Aliran turbulen

terbentuk apabila lintasan alir partikel-partikel

fluida yang mengalir saling berpotongan. Secara

numerik aliran disebut laminar apabila nilai reynold

number (Re) lebih kecil dari 2000, dan disebut

turbulen apabila nilai Re lebih besar dari 4000.

Apabila nilai Re diantara 2000 – 4000 disebut

daerah kritis.

Besarnya Re dapat dihitung dengan rumus :

(1) ( 2.1 )

dengan :

: bilangan reynold (tanpa dimensi)

: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)

: diameter dinding bagian dalam pipa (m)

: massa jenis fluida alir (kg/m3)

: viskositas absolut (Pa.s)

Rugi Tekanan Aliran Fluida Cair Di Dlm Pipa

Gesekan yang terjadi antar partikel fluida dan

antara dinding dalam pipa dengan fluida alir disebut

rugi tekanan. Besarnya rugi tekanan pada aliran

fluida di dalam pipa tergantung dari jenis aliran itu.

Darcy-Weisbach memberikan rumus untuk meng-

hitung rugi tekanan aliran fluida di dalam pipa,

untuk semua jenis aliran, yakni :

(2) ( 2.2 )

dengan :

: rugi tekanan aliran fluida di dalam pipa (m)

: faktor gesekan Darcy-Weisbach

Bila aliran turbulen, factor gesekan Darcy-

Weisbach dapat dibaca pada Gambar 1

yang berupa gambar diagram Moody,

Bila aliran laminar, factor gesekan Darcy-Weisbach

(3)

Gambar 1. Diagram Moody

Nilai factor gesekan pada aliran turbulen

merupakan besaran tanpa dimensi yang niainya

tergantung dari reynold number dan kekasaran

relative permukaan dinding pipa bagian dalam.

Kekasaran relatif merupakan perbandingan

kekasaran permukaan rata-rata terhadap diameter

dalam pipa.

Kekasaran Permukaan Rata-rata Dinding

Bagian Dalam Pipa

Gambar 2. Permukaan dinding pipa bagian dalam

Permukaan bagian dalam dinding pipa, secara

mikro, tidak benar-benar rata. Apabila permukaan

itu dilihat dengan mikroskop yang sesuai, pada

permukaan terlihat puncak-puncak bukit dan

lembah-lembah. Tinggi puncak bukit-bukit dan

dalamnya lembah-lembah itu tidak seragam. Tinggi

puncak bukit dan dalamnya lembah meru-pakan

nilai kekasaran pada tempat dimana bukit atau

lembah itu berada – lihat Gambar 2.

Tinggi bukit dan dalamnya lembah tidak

seragam di seluruh titik permukaan pipa. Oleh

karena itu untuk menggambarkan kekasaran

permukaan dikenalkan istilah kekasaran permukaan

rata-rata – yang dilambangkan dengan huruf -

yang merupakan nilai akar kwadrat rata-rata dari

jarak puncak-puncak bukit dan lembah terhadap

garis dasar ketebalan pipa bagian dalam. Nilai dari

kekasaran permukaan rata-rata tergantung dari

bahan pipa. Pipa yang terbuat dari besi nilai

kekasaran permukaan rata-rata 0,25 mm, sementara

bila pipa dibuat dari galvanized iron (pipa GIP)

nilainya 0,15 mm.

Kecepatan Rata-rata Aliran Fluida Cair Di

Dalam Pipa dan Pengukuran Debit Aliran

Kecepatan rata-rata aliran fluida cair di dalam

pipa dapat dihitung dengan menggunakan rumus :



(4) ( 2.4 )

dengan :

: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)

: laju aliran atau debit ( m3/s )

: luas penampang aliran atau pipa bagian dalam

(m2)

Pengukuran debit dengan weirs.

Weir yang digunakan untuk mengukur debit

pada pada peelitian ini adalah sebagaimana terlihat

pada Gambar 2.3 (Victor L. Streeter dan

E.Benjamin Wylie – FLUID MECHANICS –

McGraw-Hili International Book Company,

Inc.,International Student Edition, 1979, Seventh

Edition, hal.358). Bila nilai = 90 derajat maka

debil aliran air yang mealui Weirs yang berbentuk

V-notch adalah :

(5) ( 2.5 )

Dengan

= debit (m3/s)

= tinggi muka air terhadap puncak

segitiga (m)

Gambar 3. Weir V-Notch, dengan sudut = 90o

Analisis Kekasaran Permukaan Rata-rata

Dinding Bagian Dalam Pipa GIP

Bila jenis aliran di dalam pipa turbulen, de-

ngan menggunakan rumus 2.2 dapat dihitung nilai

faktor gesekan pipa ( ), atau dengan menggunakan

rumus 2.2 yang diubah menjadi :

(6) ( 2.6 )

Berdasarkan nilai dan serta dengan menggu-

nakan Diagram Moody, dapat dicari nilai kekasaran

relative ( ) dan selanjutnya dapat dihitung nilai

kekasaran permukaan rata-rata ( ). Hubungan

antara kekasaran relative dengan kekasaran

permukaan rata-rata adalah :

(7) ( 2.7 )

sehingga,

(8)

METODE PENELITIAN

Benda Uji dan Fluida Kerja

Penelitian ini menggunakan benda uji berupa

pipa GIP kelas medium, diameter nominal 1 inchi.

Jumlah benda uji 10 batang dengan seksi uji

mempunyai panjang 215 cm, sebagaimana terlihat

pada Gambar 4.

Gambar 4. Benda Uji

Fluida kerja yang digunakan adalah air

bersih yang mempunyai massa jenis 1000 kg/m3

dan viskositas kinematik 1 cSt ( = 10-6

m2/s ).

Alat Ukur

Alat ukur yang digunakan adalah :

a. Alat ukur tekanan; alat ukur tekanan digunakan

untuk mengukur selisih tekanan bagian

upstream dengan bagian downstream. Alat ukur

tekanan berupa pipa plastik fleksibel dan

transparan. Ujung yang satu dihubungkan

dengan titik atau lubang pengukuran pada pipa

sedangkan ujung yang lain terbuka terhadap

tekanan udara luar dan terpasang secara vertical

serta tegak lurus terhadap pipa. Alat ukur ini

berjumlah 2 buah dan masing-masing dipasang

di titik pengukuran upstream dan downstream.

b. Weir V-Notch dengan sudut puncak 90o; alat

ukur ini digunakan untuk mengukur debit aliran

air bersih yang mengalir di dalam pipa.

Besarnya debit dapat dihitung berdasarkan

rumus 2.5.

Alat Bantu

Alat bantu yang digunakan untuk peneitian ini

adalah : pompa air bersih, katup-katup pengarah

aliran, fitting-fitting sambungan pipa, bak penam-

pung air bersih, dan beberapa peralatan bantu

lainnya yang diperlukan.

Rangkaian Peralatan Uji Rangkain peralatan untuk pengujian seperti

terlihat pada Gambar 5. Air bersih dialirkan ke pipa

seksi uji dengan pompa. Debit aliran pada seksi uji

diatur dengan cara mengatur bukaan katub pada

pipa by pass. Bila katub pada pipa itu ditutup penuh

debit aliran air yang melalui seksi uji besar,

H



sebaliknya bila bukaan katub pada pipa itu diper-

besar maka debit pada seksi uji mengecil. Seksi uji

berjumlah 10 buah dan panjangnya 215 cm.

Beda tekanan antara upstream dan down-

stream diukur dengan menggunakan manometer

kolom air. Debit aliran diukur dengan weir V-

notch. Aliran air sesuai dengan penunjukan anak

panah

Gambar 5 : Rangkaian alat uji

Metode Pengambilan Data

Pengambilan data untuk masing-masing seksi

uji dilaksanakan sesuai dengan diagram alir seperti

di bawah :

Gambar 5 Diagram alir Pengambilan Data

PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Hasil Penelitian

Seluruh data hasil penelitian itu dapat disuguhkan

dengan diagram sesuai Gambar 6

Gambar 6 : Hasil Penelitian;

Pembahasan

a. Hasil penelitian menunjukan cacah nilai yang

didapatkan berjumlah 69 buah. Hal itu karena

terdapat 10 nilai debit aliran air pada seksi uji

yang menghasilkan nilai faktor gesekan ( f )

yang lebih dari 0,1 sehinga nilai kekasaran

permukaan relatif ( r ) tidak tergambar di Dia-

gram Moody yang mengakibatkan nilai

kekasaran permukaan rata-rata ( ) tidak

terbaca. Selain itu ada 1 buah nilai debit yang

menghasilkan aliran laminar sehingga tidak

memenuhi persamaan Darcy-Wiesbach untuk

aliran turbuken. Oleh karena itu kesebelas data

hasil pengujian itu disingkirkan.

b. Nilai kekasaran permukaan rata-rata dinding

bagian dalam pipa GIP, berdasarkan hasil

penelitian tidak menunjukan nilai yang konstan.

Apabila nilai hasil pengujian itu dianalisis

dengan menghitung nilai reratanya, maka

dihasilkan :

= ( 0,96 0,45 ) mm atau

= ( 0,96 mm 47 % )

Hasil di atas menunjukan perbedaan nilai de-

ngan nilai kekasaran permukaan rata-rata

sebagaimana yang tercantum pada Diagram

Moody. Pada Diagram Moody nilai kekasaran

permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa

GIP adalah 0,15 mm. Selain itu analisis me-

nunjukan deviasi yang sangat mencolok ( 47% ),

sehingga penetapan nilai kekasaran permukaan

rata-rata dinding bagian dalam pipa GIP yang

sama dengan hasil penelitian ini tidak layak.

c. Hasil penelitian menunjukkan nilai mengikuti

nilai . Dari penyebaran nilai terhadap

maka dapat dibuat garis pendekatan yang

merupakan garis ekponensial, sebagaimana

Gambar 7.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 10000 20000 30000

mm )

m

ul

ai

Tutup semua katub

Buka penuh katub a dan b

Hidupkan pompa

Air mengalir dari pompa kemudian langsung kembali ke tanki melalui pipa by pass

Buka penuh

katub c, d, e

Tutup katub b dengan 8 langkah s/d tertutup penuh. Setiap langkah

penutupan menghasilkan debit aliran pada seksi uji

Q = Qi, i =

1,8,1

h1, h2, Hi,

di

Hitung Qi, hi, Vi, Ri ,

fi

Tetapkan nilai r

i dan dari Diagram

Moody

seles

ai

Reynold number

(mm)

Pipa PVC

1½

)apip nruter(

Tank

L =

215

cm

Pipa

galvanis 1”

(pipa uji)

Pompa 1 Pompa 2

Man

om

eter

air

Seksi Uji



Gambar 7 : Garis pendekatan hasil penelitian

Dari garis pendekatan itu terlihat kecenderungan

konversgensi nilai terhadap nilai , semakin

tinggi nilai nilai cenderung menuju ke nilai

yang konstan.

d. Melihat kecenderungan konvergensi sebagai-

mana pada butir c, maka perlu dilihat hasil

penelitian nilai pada aliran yang mempunyai nilai

yang lebih besar dari 20000.

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Kekasaran permukaan rata-rata dinding bagian

dalam pipa GIP merupakan sifat fisis pipa yang

muncul ketika pipa itu dibuat. Sifat fisis itu,

sepanjang pipa belum terkena perubahan fisis,

besarnya konstan dan tidak mempunyai

ketergantungan terhadap parameter-parameter

lainnya seperti kecepatan aliran fluida kerja,

viskositas fluida kerja, dan lain sebagainya.

Penelitian ini menunjukan nilai kekasaran

permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa GIP

diameter nominal 1 inchi yang digunakan sebagai

benda uji, mempunyai korelasi dengan reynold

number aliran fluida kerja, yang dapat didekati

dengan sebuah fungsi ekponensial. Nilai kekasaran

permukaan rata-rata itu terlihat semakin konvergen

selaras dengan pertambahan nilai reynold number.

Oleh karena itu dapat disimpulkan :

a. Hasil penelitian tidak sesuai dengan sifat fisis

pipa GIP mengenai kekasaran permukaan rata-

rata dinding bagian dalam.

b. Hasil penelitian tidak layak digunakan sebagai

acuan nilai kekasaran permukaan rata-rata

dinding bagian dalam pipa GIP diameter

nominal 1 inchi.

Saran 1. Penelitian ini harus dilanjutkan dengan

menggunakan aliran media kerja yang

mempunyai reynold number yang lebih tinggi,

misalnya dimulai dari 100.000 s/d 2.000.000.

2. Perlu kalibrasi ulang alat ukur debit yang

menggunakan Weir V-Notch, dengan meneliti

faktor koreksi C pada pengukuran debit aliran

yang menggunakan Weir V-Notch.

DAFTAR PUSTAKA

Ranald V. Giles, 1977, Theory and Problems of

Fluid Mechanics and Hydraulics,

Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill

Book Company, New York, 2nd

edition.

Soufyan Moh.Noerbambang & Takeo Morimura,

2005, Perancangan Dan Pemeliharaan

Sistem Plambing, PT. Pradnya Paramita,

Jakarta, cetakan ke Sembilan

Victor L. Streeter dan E. Benjamin Wylie, 1999,

Mekanika Fluida, alih bahasa oleh Arko

Prijono,M.S.E., Penerbit Erlangga,

Jakarta, Edisi Delapan, Jilid 1.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 10000 20000 30000 Reynold Number, R

mm)

analisis kekasaran permukaan rata-rata...

Documents