SEMINAR NASIONAL ke8tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi

Transkripsi

1 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 jayatun2003@yahoo.com, jayatun2008@gmail.com 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 tahanan aliran (rugi tekanan) pada aliran fluida di dalam pipa. Pada diagram Moody besarnya kekasaran 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 dipengaruhi oleh teknologi pembuatan pipa. Dewasa ini teknologi pemuatan pipa sudah sangat maju sehingga terbuka kemungkinan besarnya nilai kekasaran 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 dengan 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 hasilnya digunakan untuk membuat diagram sebagaimana 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 SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 137

2 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 masingmasing mempunyai panjang seksi uji 215 cm. 3. Fluida kerja adalah air bersih yang mempunyai massa jenis 1000 kg/m 3 dan viskositas kinematik 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 Apabila nilai Re diantara disebut daerah kritis. Besarnya Re dapat dihitung dengan rumus : : bilangan reynold (tanpa dimensi) : kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s) : diameter dinding bagian dalam pipa (m) : massa jenis fluida alir (kg/m 3 ) : 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 menghitung rugi tekanan aliran fluida di dalam pipa, untuk semua jenis aliran, yakni : : 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 (1) Gambar 2. Permukaan dinding pipa bagian dalam ( 2.1 ) 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 (2) jarak puncak-puncak bukit dan lembah terhadap ( 2.2 ) 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 : SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 138

3 (4) ( 2.4 ) : kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s) : laju aliran atau debit ( m 3 /s ) : luas penampang aliran atau pipa bagian dalam (m 2 ) 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 (m 3 /s) = tinggi muka air terhadap puncak segitiga (m) Gambar 4. Benda Uji Fluida kerja yang digunakan adalah air bersih yang mempunyai massa jenis 1000 kg/m 3 H dan viskositas kinematik 1 cst ( = 10-6 m 2 /s ). Gambar 3. Weir V-Notch, dengan sudut = 90 o Analisis Kekasaran Permukaan Rata-rata Dinding Bagian Dalam Pipa GIP Bila jenis aliran di dalam pipa turbulen, dengan menggunakan rumus 2.2 dapat dihitung nilai faktor gesekan pipa ( ), atau dengan menggunakan rumus 2.2 yang diubah menjadi : Berdasarkan nilai dan serta dengan menggunakan 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 : sehingga, 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. 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 (6) berjumlah 2 buah dan masing-masing dipasang ( 2.6 ) di titik pengukuran upstream dan downstream. b. Weir V-Notch dengan sudut puncak 90 o ; alat ukur ini digunakan untuk mengukur debit aliran air bersih yang mengalir di dalam pipa. Besarnya debit dapat dihitung berdasarkan rumus 2.5. (7) Alat Bantu ( 2.7 ) Alat bantu yang digunakan untuk peneitian ini (8) adalah : pompa air bersih, katup-katup pengarah aliran, fitting-fitting sambungan pipa, bak penampung 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, SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 139

4 Manometer air SEMINAR NASIONAL ke8tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi sebaliknya bila bukaan katub pada pipa itu diperbesar maka debit pada seksi uji mengecil. Seksi uji berjumlah 10 buah dan panjangnya 215 cm. Beda tekanan antara upstream dan downstream diukur dengan menggunakan manometer kolom air. Debit aliran diukur dengan weir V- notch. Aliran air sesuai dengan penunjukan anak panah PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian Seluruh data hasil penelitian itu dapat disuguhkan dengan diagram sesuai Gambar 6 mm ) Pipa PVC 1½ 1 L = Seksi Uji Pipa galvanis Reynold number Gambar 5 : Rangkaian alat uji Metode Pengambilan Data Pengambilan data untuk masing-masing seksi uji dilaksanakan sesuai dengan diagram alir seperti di bawah : m T Pompa 1 Pompa 2 Tutup semua katub Buka penuh katub a Tutup katub b dengan 8 langkah s/d tertutup penuh. Setiap langkah penutupan menghasilkan debit aliran pada seksi uji Q = Qi, i = h1, h2, Hi, Hitung Qi, hi, Vi, Ri, Tetapkan nilai r i dan dari Diagram seles Hidupkan pompa Air mengalir dari pompa kemudian Buka penuh Gambar 5 Diagram alir Pengambilan Data 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 Diagram 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 dengan 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 menunjukan 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. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 140

5 mm) Reynold Number, R 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 sebagaimana pada butir c, maka perlu dilihat hasil DAFTAR PUSTAKA Ranald V. Giles, 1977, Theory and Problems of Fluid Mechanics and Hydraulics, Schaum s Outline Series, McGraw-Hill Book Company, New York, 2 nd 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. penelitian nilai pada aliran yang mempunyai nilai yang lebih besar dari 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 ratarata 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 s/d 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. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 141