jurnal studi eksperimental kehilangan tinggi tekan (head losses) terhadap variasi diameter pipa pvc

VOLUME XX NO. XX, MARET 2015

STUDI EKSPERIMENTAL KEHILANGAN TINGGI TEKAN (HEAD LOSSES) TERHADAP VARIASI DIAMETER PIPA POLYVYNIL CHLORIDE (PVC)

Oleh :

Ir. Darwizal Daoed, MS1¿¿Deki Yasnova2¿¿

1) Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas2) Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas

ABSTRAK

Aliran fluida didalam pipa pada kenyataannya mengalami penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam mekanika fluida, hal ini disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki viskositas. Viskositas ini menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya menghambat, sehingga mengakibatkan adanya energi yang hilang sepanjang aliran fluida. Energi yang hilang ini disebut juga kehilangan tinggi tekan (head losses) (Triadmodjo). Kehilangan tinggi tekan sangat dipengaruhi oleh kekasaran, diameter dan panjang pipa.

Penelitian dilakukan untuk diameter pipa Polyvinyl Chloride (PVC) ¾” 1”, 1,5” dan 2” dengan panjang 200 cm yang disusun secara paralel. Kehilangan tinggi tekan di ukur melalui piezometer yang dihubungkan dengan pittube yang terbuat dari pipa tembaga diameter 3mm. Pada peneltian ini dilakukan simulasi variasi debit aliran, dimana bertujuan untuk mendapatkan besarnya kehilangan tinggi tekan dan nilai kekasaran (ε) yang dibandingkan dengan nilai faktor gesekan, koefisien kekasaran Hazen – William dan Manning. Nilai koefisien kekasaran Hazen – William (C) dan Manning (n) juga dibandingkan dengan nilai yang telah dikeluarkan menurut Hazen – William dan Manning untuk pipa PVC.

Hasil penelitian menunjukkan untuk diameter pipa membesar kehilangan tinggi tekan menurun. Kemudian, semakin besar diameter pipa, maka nilai C semakin besar, sedangkan nilai n semakin kecil. Nilai rata – rata C dan n dan kekasaran (ε) yang diperoleh mendekati nilai standar yang dikeluarkan oleh www.engineeringtoolbox.com, dengan nilai C = 150, n = 0,009 – 0,011, dan ε = 0,0015 – 0,007 mm.

Kata Kunci : Kehilangan tinggi tekan, Nilai Kekasaran (ε), Polyvinyl Chloride (PVC), Hazen – William (C), Manning (n)

1

http://www.engineeringtoolbox.com/


BAB IPENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Fluida adalah suatu yang tidak bisa lepas dari kehidupan sehari-hari kita, dimanapun dan

kapanpun kita berada, fluida selalu mempengaruhi berbagai kegiatan kita dalam kehidupan

sehari-hari kita baik itu dalam bentuk liguid ataupun gas.

Aliran fluida didalam pipa pada kenyataannya mengalami penurunan tekanan seiring

dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam mekanika fluida,

hal ini disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki viskositas. Viskositas ini

menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya menghambat. Untuk melawan gaya geser

tersebut diperlukan energy sehingga mengakibatkan adanya energi yang hilang pada aliran

fluida. Energi yang hilang ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga

kerugian tekanan (headlosses) (Triadmojo).

Berdasarkan teori di atas, penelitian ini dilakukan untuk mengkaji kehilangan tinggi

tekan pada pipa Polyvinyl Chloride (PVC) karena jenis pipa ini digunakan oleh masyarakat

banyak. Pada penggunaannya di masyarakat, pemasangan pipa di gedung – gedung seperti hotel,

gedung kantor, gedung kuliah, dan gedung – gedung lainnya banyak yang tidak teratur, dengan

kata lain tidak memperhitungkan kehilangan yang terjadi.

I.2 Tujuan dan Manfaat

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Untuk melihat pengaruh diameter pipa terhadap perubahan tinggi tekan (headloss).

2. Untuk menganalisa pengaruh diameter pipa terhadap perubahan nilai faktor gesekan.

3. Untuk menganalisa pengaruh diameter pipa terhadap nilai koefisien kekasaran dan nilai

kekasaran pipa.

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah untuk pengembangan ilmu fluida saluran

tertutup, khususnya yang berkaitan dengan pemipaaan. Diharapkan akan ditemukan nilai

kekasaran dan koefisien kekasaran yang dapat dibandingkan dengan yang sebenarnya.

BAB IIDASAR TEORI

II.1 Tinjauan Penelitian

Yanuar, melakukan penelitian untuk mengetahui nilai koefisien gesek pada rangkaian

pipa dengan fluida air. Hasil penelitian menunjukan nilai koefisien gesek semakin menurun

2


dengan bertambahnya nilai bilangan Reynolds. Nilai koefisien gesek yang paling kecil

berdasarkan hasil penelitian terjadi pada pipa berdiameter ¼.

Susanto (2003), menganalisis sebuah jaringan pipa yang mengacu pada jaringan pipa

PDAM di Kota Padalarang Kabupaten Bandung. Kesimpulan yang diperoleh adalah penggunaan

diameter pipa yang sama pada jaringan pipa akan menghasilkan debit tetap (tidak berubah),

karena diameter pipa dapat saling meniadakan dalam perhitungan dan pada kasus yang debitnya

besar ( >10 lt/det ) akan menghasilkan persentasi perbedaan debit ( % ) yang tidak jauh baik

dengan rumus Hazen-Williams dan rumus Manning karena persentasi perbedaan debitnya kecil

sehingga untuk debit yang besar (>10 lt/det ) hasil lebih akurat, begitu pula sebaliknya.

Yanti (2005), melakukan penelitian terhadap rancangan sistem jaringan pipa pemadam

kebakaran (sprinkler) pada Gedung Kantor Pemasaran PT. Suka Fajar Ltd yang sedang dibangun

di jalan Khatib Sulaiman Padang menggunakan program WaterNet versi 1.6. Analisanya

berkaitan dengan elevasi node, panjang pipa, perubahan diameter pipa, dan efektifitas jaringan

pipa sprinkler. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem jaringan pipa sprinkler yang ada

dapat diandalkan apabila terjadi kebakaran tiap lantai, dua lantai, dan tiga lantai secara

bersamaan. Analisa yang diperoleh ternyata kehilangan energi sekunder lebih besar dari

kehilangan energi primer.

II.2 Aliran Fluida

Tiga konsep penting dalam aliran fluida adalah :

1. Prinsip kekalan massa, dari prinsip ini nantinya akan dikembangkan persamaan kontinuitas.

2. Prinsip energi kinetik, dengan prinsip ini dikembangkan persamaan – persamaan untuk aliran tertentu.

3. Prinsip momentum, dari prinsip ini dikembangkan persamaan untuk menghitung gaya dinamik yang dikerjakan fluida yang mengalir.

Aliran fluida bisa satu dimensi, dua dimensi, tiga dimensi, mantap atau tak mantap, merata atau tak merata, laminer atau turbulen, rotasional atau irotasional.

II.2.1 Persamaan Kontiniutas

Persamaan kontiniutas dihasilkan dari prinsip ketetapan massa. Untuk aliran mantap,

massa fluida yang melalui semua bagian dalam arus fluida per satuan waktu adalah sama, dengan

persamaan (Bambang Triadmojo, 1993) :

ρ1 A1V 1= ρ2 A2V 2

Untuk fluida yang tak kompresibel dan ρ1= ρ2, maka persamaan menjadi :

Q=A1V 1=A2V 2

3


Dimana A adalah luas irisan penampang dalam m² dan V adalah kecepatanaliran fluida

dalam m/dtk.

II.2.2 Persamaan Energi

Persamaan untuk fluida aliran mantap tak kompresibel yang perubahan energy dalamnya

diabaikan, disederhanakan menjadi :

P1

ρg+

V 12

2 g+z1=

P2

ρg+

V 22

2 g+ z2+h f

v = Kecepatan aliran (m/dtk)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m³)

g = Percepatan gravitasi (m/s²)

P = Tekanan (kg/m²)

Z = Elevasi (m)

h f = Kehilangan Tinggi Tekan (m)

Persamaan ini dikenal sebagai teorema Bernaulli.

II.3 Kehilangan Tinggi Tekan Aliran Melalui Pipa

h f=fV 2 Lg D

v = Kecepatan aliran (m/dtk)

f = Faktor gesekan

g = Percepatan gravitasi (m/s²)

D = Diameter (m)

L = Panjang saluran (m)

h f = Kehilangan Tinggi Tekan (m)

Persamaan diatas disebut persamaan Darcy – Weisbach untuk aliran pada pipa lingkaran.

Pada penilitian ini pipa yang digunakan adalah pipa lingkaran tipe PVC (polyvinyl chloride)

yang umumnya dipakai di masyarakat banyak.

Tabel II.1 Nilai kekasaran berdasarkan jenis pipa

Material e (mm) e (inches)

Concrete 0.3 - 3.0 0.012 - 0.12

Cast Iron 0.26 0.01

Galvanized Iron 0.15 0.006

Asphalted Cast Iron 0.12 0.0048

Commercial or Welded Steel 0.045 0.0018

PVC, Glass, Other Drawn Tubing 0.0015 0.00006

4


II.4 Koefisien C Hazen – Williams dan Koefisien Manning

Berdasarkan persamaan Bernoulli (2.3) dan Darcy Weisbach beserta diagram Moody,

bisa didapatkan hasil dengan trial – error. Terdapa banyak rumus empiris untuk memcahkan

permasalahan aliran pada saluran tertutup. Termasuk persamaan berikut :

v=C Rx s y

v = Kecepatan aliran

C = Koefisien kekasaran

R = Jari – jari hidolik

s = Kemiringan garis energi

x dan y= nilai pangkat dari beberapa percobaan.

Nilai R (jari – jari hidrolik) didapat dari luas (A) penampang saluran dibagi dengan keliling

basah (Pw) (Jack B. Evett, 1987). Untuk saluran lingkaran, maka didapat persamaan :

R= APw

=( π D 2

4)

πD= D

4

Dan

s=h f

L

Berdasarkan persamaan Hazen – Williams dan persamaan Manning, persamaan diatas

dapat dipakai. Untuk persamaan Hazen – Williams dalam Satuan Internasional adalah sebagai

berikut :

v=0.8492 C R0.63 s0.54

Persamaan Manning dalam Satuan Internasional adalah :

v=1n

R23 s

12

Dengan n adalah koefisien manning dari jenis saluran.

BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN

III.1 Tahapan Penelitian

Tahapan penelitian skripsi ini ditunjukkan oleh flowchart pada gambar 3.1 dibawah ini:

5


Gambar 3.1 Bagan Alir PenelitianBAB IVPROSEDUR DAN HASIL PENELITIAN

IV.1 Prosedur Penelitian

IV.1.1 Persiapan Material dan alat

Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa tembaga ø 4 mm, lem Dextone,

piezometer, air. Alat uji menggunakan Pipa PVC merek WAVIN dengan ukuran diameter 2”, 1

½ ”, 1”, dan ¾”. Panjang yang ditinjau dari masing pipa adalah 2 meter.

Beberapa tahapan yang harus dilaksanakan dalam pembuatan alat, antara lain :

1. Menyiapkan pipa dengan diameter yang tersebut di atas.

2. Memasang papan multiplek.

3. Mengatur posisi bak air.

4. Mengatur posisi pompa air.

5. Menghubungkan pompa dengan bak air.

6. Membuat pittube dan disesuaikan dengan ukuran pipa. Diamaeter pipa diukur terlebih

dahulu menggunakan jangka sorong.

Adapun bentuk pittube yang telah dibuat terlihat seperti gambar berikut :

Peralatan yang digunakan untuk membuat pittube cukup sederhana, yaitu gergaji besi dan

tembaga.

7. Memasang pittube ke pipa, dengan cara melubangi pipa menggunakan solder dan

direkatkan menggunakan lem Dextone.

6


8. Memasang pipa dan menghubungkannya dengan katup untuk setiap diameter. Seperti

dapat dilihat pada gambar 4.7

9. Pemasangan kertas milimeter dan piezometer.

IV.1.2 Prosedur Penelitian

1. Persiapan alat.

2. Mengukur suhu air pada bak menggunakan termometer raksa.

3. Mengalirkan air kedalam pipadengan menggunakan pompa.

4. Mengatur bukaan katup pada pipa.

5. Mengukur debit aliran dengan cara mengukur volume dan waktu pengaliran.

6. Mengamati tinggi air di dalam piezometer A dan B.

7. Mencatat tinggi air di piezometer.

8. Ulangi prosedur no.4 – no.7untuk tiap variasi debit yang direncanakan.

IV.2 Hasil Penelitian

IV.2.1 Kehilangan Tinggi Tekan dan Faktor Gesekan

Tabel IV.1 Kehilangan tinggi tekan dan faktor gesekan pada pipa

IV.2.2 Nilai epsilon pipa

Tabel IV.1 Nilai epsilon rata – rata keseluruhan pipa.

7


IV.2.3 Nilai koefisien kekasaran Hazen – Williams

Tabel IV.1 Nila koefisien Hazen - Williams

IV.2.4 Nilai koefisien kekasaran Mannings

Tabel IV.1 Nilai koefisien Mannings

BAB VANALISIS DAN PEMBAHASAN

Debit aliran merupakan faktor yang paling berpengaruh terhadap kehilangan tinggi tekan,

yang nantinya akan berpengaruh pada nilai faktor gesekan. Pada penilitian ini analisa dan

pembahasan yang akan dilakukan mencakup 5 pokok bahasan, yaitu : analisis kehilangan tinggi

tekan, analisis faktor gesekan, analisis koefisien kekasaran Hazen – Williams, analisis koefisien

kekasaran Manning, dan analisis perbandingan nilai Epsilon.

8


Gambar V.1 Grafik Faktor Gesekan terhadap Debit

Gambar V.2 Grafik Hf terhadap Debit

Gambar V.3 Grafik C (Hazen – Williams) terhadap Debit

Gambar V.4 Grafik n (manning) terhadap Debit

Dari hasil penelitian dapat di analisa bahwa nilai kehilangan tinggi tekan dipengaruhi

oleh diameter pipa jenis polyvinyl chloride. Pada grafik perbandingan nilai Hf terhadap debit,

dapat disimpulkan bahwa semakin besar diameter, nilai Hf semakin kecil, sehingga jika

digunakan dalam jarak lebih dari 2 meter pipa diameter 2” lebih baik, karena nilai kehilangannya

lebih kecil dibandingkan dengan pipa diameter ¾”, 1”, dan 1½”.

Pada grafik perbandingan nilai faktor gesekan terhadap debit dapat dilihat bahwa nilai

faktor gesekan tidak berpengaruh terhadap diameter pipa, karena factor gesekan dilihat

berdasarkan jenis pipa.

Dari penelitian ini didapatkan nilai rata – rata nilai C Hazen – Williams dan n Manning

dari masing – masing pipa. Nilai rata – rata ini kemudian dibandingkan dengan nilai koefisien C

Hazen – Williams dan n Manning yang sudah ada. Seperti terlihat pada tabel.

9


KESIMPULAN DAN SARAN

V.2 Kesimpulan

Setelah mengamati dan menganalisa data yang ada, dapat disimpulkan beberapa poin

berikut :

1. Terdapat kecenderungan bahwa semakin kecil diameter pipa, semakin tinggi nilai kehilangan

tinggi tekan (Hf).

2. Nilai faktor gesekan pada masing – masing diameter pipa hampir sama dan faktor gesekan

berbanding lurus dengan debit aliran.

3. Semakin besar diameter pipa, maka nilai koefisien kekasaran Hazen – Williams semakin

besar, sedangkan nilai koefisien kekasaran Manning semakin kecil.

4. Dari penelitian yang dilakukan, nilai rata - rata koefisien kekasaran Hazen – Williams dan

Manning mendekati nilai yang dikeluarkan Hazen – William dan Manning. Nilai kekasaran

yang didapat juga mendekati standar nilai kekasaran.

V.3 Saran

Adapun saran yang dapat penulis berikan jika dilakukan penelitian lebih lanjut dengan

variasi bentuk geometrik berbeda agar adalah sebagai berikut :

1. Menggunakan pittube dari pipa tembaga dengan diameter lebih kecil karena lebih lentur dan

mudah dibengkokkan.

2. Untuk lebih teliti saat mengamati air pada piezometer.

3. Berhati – hati ketika mengamati air pada piezometer yang tinggi, karena bisa saja terjadi

kecelakaan.

4. Sebaiknya gunakan pompa dengan debit yang lebih besar, agar proses membaca tinggi pada

piezometer lebih mudah.

DAFTAR PUSTAKA

Bambang Triadmojo, 1993, Hidraulika I, Betta Offset, Yogyakarta.

Bambang Triadmojo, 1993, Hidraulika II, Betta Offset, Yogyakarta.

Evett, J.B., Liu, C., 1987, Fundamental of Fluid Mechanics, McGraw Hill International Editions, Singapore.

Giles, Ronald V, 1992, Fluid Mechanics and Hydraulics, McGraw Hill Company Inc, New York.

Streeter, V.L., 1962, Fluid Mechanics, McGraw Hill Company Inc, New York.

10


Khurmi, R.S., 1999, Hydraulics and Fluid Mechanics, S. Chand & Company LTD., New Delhi.

Yanti, D., Hadie, S.N., Junaidi, 2005, Kajian Sistem Jaringan Pipa Pemadam Kebakaran (Sprinkler) Kantor Pemasaran Jalan Khatib Sulaiman Padang, Universitas Andalas, Padang.

Susanto, A., Rusli, K., 2003, Perhitungan Debit Pada Sistem Jaringan Pipa Dengan Metoda Hardy-Cross Menggunakan Rumus Hazen-Williams Dan Rumus Manning, Universitas Kristen Maranatha, Bandung.

Yanuar, Didit, Koefisien Gesek Pada Rangkaian Pipa Dengan Variasi Diameter Dan Kekasaran Pipa, Universitas Gunadarma, Depok.

Halomoan, I.M., 2005, Menentukan Nilai Koefisien Gesek Pada Pipa Dengan Menggunakan Aplikasi Microsoft Visual Basic, Universitas Gunadarma, Depok.

Nurcholis, Lutfi, 2008, Perhitungan Laju Aliran Fluida Pada Jaringan Pipa,Universitas Muhammadiyah Semarang, Semarang.

11

jurnal studi eksperimental kehilangan tinggi tekan (head losses) terhadap variasi diameter pipa pvc

Documents