BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Fluida Fluida dapat didefinisikan sebagai zat yang berubah bentuk secara kontiniu bila terkena tegangan geser. Fluida mempunyai molekul yang terpisah jauh, gaya antar molekul kecil dari pada benda padat dan molekul-molekulnya lebih bebas bergerak, dengan demikian fluida lebih mudah terdeformasi. 2.2 Sifat-Sifat Fluida Prinsip dasar ini menyangkut konsep-konsep penting aliran fluida, karena sifat-sifat fluida inilah yang mempengaruhi statika maupun dinamika dari fluida atau objek yang ada pada fluida tersebut Massa jenis (Density) Massa jenis sebuah fluida, dilambangkan dengan huruf Yunani ρ (rho), didefinisikan sebagai massa fluida per satuan volume. Massa jenis menurut [1] biasanya digunakan untuk mengkarakteristikkan massa sebuah sistem fluida. Keterangan: ρ = m... (2.1) V ρ = massa jenis, kg/m 3 m = massa, kg V = volume, m 3 Harga kerapatan suatu fluida berbeda dengan fluida lainnya, untuk cairan pengaruh tekanan dan temperatur sangat kecil terhadap harga kerapatan. 6

2 Gambar 2.1. Grafik kerapatan air sebagai fungsi Temperatur Volume jenis (Specific volume) Volume jenis menurut [1], Ʋ adalah volume per satuan massa dan oleh karena itu merupakan kebalikan dari massa jenis (kerapatan). V υ = m 1 =...(2.2) ρ Keterangan: υ = volume jenis, m 3 /kg V = volume, m 3 m = massa, kg Sifat ini tidak biasa digunakan dalam mekanika fluida, tetapi digunakan dalam termodinamika Berat jenis (Specific Weight) Berat jenis dari sebuah fluida menurut [1], dilambangkan dengan huruf yunani γ (gamma), didefinisikan sebagai berat fluida per satuan volume. Berat jenis berhubungan dengan kerapatan melalui persamaan: γ = ρg... (2.3) 7

3 Keterangan: γγ = berat jenis, N/m 3 ρρ = massa jenis (kerapatan), kg/m 3 gg = percepatan gravitasi, m/s 2 Seperti halnya kerapatan yang digunakan untuk mengkarakteristikan massa sebuah sistem fluida, berat jenis digunakan untuk mengkarakteristikan berat dari sistem tersebut Gravitasi jenis (Specific Gravity) Gravitasi jenis sebuah fluida, dilambangkan sebagai SG.Didefinisikan sebagai perbandingan kerapatan fluida tersebut dengan kerapatan air pada temperatur tertentu.biasanya temperatur tersebut adalah 4 C, dan pada temperatur ini kerapatan air adalah 1000kg/m 3. Dalam bentuk persamaan, gravitasi jenis menurut [2] dinyatakan sebagai: SG = ρ ρ H o 2... (2.4) Kekentalan (viscosity) Kekentalan atau viskositas adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut.jadi, viskositas disebabkan oleh gesekan secara molekular antar partikel fluida. Menurut hukum Newton untuk aliran dalam plat sejajar adalah: du τ = µ dy... (2.5) Gambar 2.2. Perilaku dari sebuah fluida yang ditempatkan antara dua plat paralel 8

4 Faktor konstanta μ adalah properti dari fluida yang dinamakan dengan viskositas dinamik. Sangat sering dalam persoalan aliran fluida, viskositas muncul dalam bentuk yang dikombinasikan dengan kecepatan sebagai: ν = µ ρ... (2.6) Keterangan: ν = Viskositas kinematik, m 2 /s μ = viskositas dinamik, kg/m.s ρ = massa jenis, kg/m 3 Persamaan diatas disebut sebagai viskositas kinematik dan dilambangkan dengan huruf Yunaniν (nu). 2.3 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampangmemungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliransehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalammenganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukanpengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untukbergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol padadinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatanbiasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang tidak serius dalammasalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah padapenampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnyamenunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yangdisebutkan. 9

5 Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran tertutup Gambar 2.4 Profil kecepatan pada saluran terbuka Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume (m 3 /s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s). Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressiblemenurut [1], yaitu : Q = A. v... (2.7) Dimana : Q = laju aliran fluida (m³/s) A = luas penampang aliran (m²) v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) Laju aliran berat fluida (W), dirumuskan sebagai : W = γ. A. v... (2.8) Dimana : W = laju aliran berat fluida (N/s) γ= berat jenis fluida (N/m³) Laju aliran fluida massa (M) menurut [1], dinyatakan sebagai : 10

6 M = ρ. A. v... (2.9) Dimana : M = laju aliran massa fluida (kg/s) ρ= massa jenis fluida (kg/m³) 2.4 Energi dan Head Energi pada umumnya didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan dari sebuah gaya yang melewati suatu jarak dan umumnya didefenisikan secara matematika sebagai hasil perkalian dari gaya dan jarak yang dilewati pada arah gaya yang diterapkan tersebut. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule). Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan. head : Berikut persamaan yang digunakan menurut [1] untuk mencari energi dan H= zz + vv2 + pp [m]...(2.10) 2gg γγ Dimana : z = Head ketinggian vv 2 2gg pp γγ = Head Kecepatan = Head tekanan 2.5 Persamaan Kontinuitas Prinsip dasar persamaan-persamaan kontinuitas adalah massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Jadimassa dalam suatu sistem yang konstan menurut [4] dapat dinyatakan dalam rumus: ρ = ρ 1V 1dA1 2V2dA2... (2.11) 11

7 Merupakan persamaan kontinuitas aliran dalam kondisi steady. Jika aliran tersebut mempunyai sifat incompressible dan steady flow, maka persamaan menjadi: Q = A 1 vv 1 = A 2 vv 2... (2.12) Keterangan: Q = debit per satuan waktu, m 3 /s A 1 = luas penampang masuk batas sistem, m 2 vv 1 = kecepatan aliran masuk batas sistem, m/s A 2 = luas penampang keluar batas sistem, m 2 vv 2 = kecepatan aliran keluar batas sistem, m/s 2.6 Aliran Laminar atau Turbulen Aliran fluida dalam pipa dapat bersifat laminar, transisi, dan turbulen.parameter yang digunakan untuk mengetahui jenis aliran tersebut adalah bilangan Reynolds (Re). Dari hasil analisa dimensional diperoleh persamaan (R.K RAJPUT, 2000) Keterangan: VD Re =...(2.13) v V D v = kecepatan aliran = diameter, m =viskositas aliran 1. Aliran laminar Aliran yang bergerak dengan teratur dalam lapisan-lapisan, dan meluncur secara lancer dengan kecepatan yang sama.dalam aliran laminar ini, viskositas berfungsi untuk merendam kecenderungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton yaitu: ττ= μμ dddd...(2.14) dddd 12

8 2. Aliran turbulen Aliran dimana penggerak dari partikel-partikel fluida yang sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang benar. Dalam keadaan aliran turbulen, maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran. 3. Aliran transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.konsep dasar bilangan Reynolds, merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu aliran itu dinamakan laminar, transisi atau turbulen. Bilangan Reynolds adalah bilangan yang tidak berdimensi. Titik kritis aliran inkompresibel di dalam saluran adalah Re=2100. Jika suatu aliran memiliki Re<2100 maka disebut aliran laminar, dan jika Re>4000 disebut aliran turbulen. Gambar 2.5. (a) Percobaan untuk mengetahui jenis aliran, (b) Jenis-jenis aliran dilihat pada guratan warna 13

9 2.7 Head loss Head loss terbagi menjadi dua macam, yaitu head loss mayor dan head loss minor.head loss sendiri (H t ) merupakan penjumlahan dari head loss mayor dan head loss minor, seperti dituliskan dalam rumus sebagai berikut: H t = H lf + H lm... (2.15) Keterangan: H t H lf H lm = head loss total = head loss mayor =head loss minor Head loss mayor (HH llll ) Head loss mayor dapat terjadi karena adanya gesekan antara aliran fluida yang mengalir dengan suatu dinding pipa.pada umumnya losses ini dipengaruhi oleh panjang pipa.untuk dapat menghitung head loss mayor, perlu diketahui lebih jelas awal jenis aliran fluida yang mengalir. Jenis aliran tersebut dapat diketahui melalui Reynold number sebagai berikut. Keterangan: RRRR = ρρρρρρρρρρ μμ vv = kecepatan fluida, m/s ρρ = massa jenis fluida, kg/m 3... (2.16) DD = diameter pipa, m μμ = viskositas fluida, kg/m.s atau N.s/mm 2 Kecepatan fluida (V) pada Reynold number dapat diketahui dengan rumus: Keterangan: V = ṁ...(2.17) ρρ.aa ṁ = laju aliran massa fluida, kg/s ρρ = massa jenis fluida, kg/m 3 14

10 vv = kecepatan fluida, m/s AA = luas penampang, m 2 Perhitungan head loses dapat menggunakan salah satu dari rumus berikut : Keterangan: HH ll f L D vv 1. Perhitungan head loss mayordarcy Weisbachmenurut [4] dapat dilakukan dengan menggunakan rumus: HH ll = ff LL DD = head loss mayor, m vv 2...(2.18) 2gg = faktor gesekan (dapat diketahui melalui diagram Moody) = panjang pipa, m = diameter pipa, m = kecepatan aliran, m/s 2. Persamaan Hazen Williams menurut [4] yaitu : hff = Dimana : hf = kerugian gesekan dalam pipa (m) Q = laju aliran pipa 10,666 QQ1,85 CC 1,85 dd 4,85 LL...(2.19) C = koefisien kekasaran pipa Hazen Williams d = Diameter pipa L = Panjang Pipa Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa hazen- Williams Material Pipa Koefisien C Brass, Copper, Aluminium 140 PVC 150 Cast Iron new and old 130 Galvanized Iron 100 Asphalted Iron 120 Commercial and Welded Steel 120 Riveted Steel 110 Concrete 130 Wood stave

11 Sumber : Ram Gupta. S, Hydrology & Hydraulic Engineering Systems. Pearson. New Jersey Hal Head loss minor (HH llll ) Head loss minor dapat terjadi karena adanya sambungan pipa (fitting) seperti katup (valve), belokan (elbow), saringan (strainer), percabangan (tee), losses pada bagian entrance, losses pada bagian exit, pembesaran pipa (expansion), pengecilan pipa (contraction), dan sebagainya, dibawah ini contoh gambar sambungan pipa: a. Elbow Elbow atau belokan merupakan suatu piranti yang sering digunakan pada suatu sistem perpipaan. Gambar 2.6. Flanged elbow 90 o Sesuai standar yang ada di pasaran,elbow tersedia dalam ukuran sudut 45 o dan 90 o dengan flanged serta ulir sesuai dengan kebutuhan yang akan digunakan. b. Percabangan (Tee) Penggunaan Tee dilakukan untuk mengalirkan aliran fluida menuju dua arah yang berbeda dalam satu siklus tertentu yang dipasang secara parallel. 16

12 Gambar 2.7. Threaded tee c. Entrance dan Exit Entrance seringkali timbul pada saat perpindahan dari pipa menuju suatu reservoir. Berdasarkan jenisnya, entrance dapat dibedakan menjadi 3 macam yaitu reestrant, square-edge, dan well rounded. Gambar 2.8. Macam-macam entrance Dari ketiga entrance tersebut, dihasilkan nilai koefisein minor yang berbeda-beda, seperti terlihat dalam tabel berikut ini: Tabel 2.2. Nilai K entrance 17

13 Jenis Entrance Nilai K Reentrant 0,8 Sguare edge 0,5 Well rounded (r/d > 0,12) 0,1 Sumber : John K. Vennard, Robert L. Street Elementary Fluid Mechanics, Sixth Edition. California. Exit merupakan kebalikan dari entrance. Exit timbul karena adanya perpindahan dari reservoir menuju ke suatu pipa, sama halnya denganentrance, exit dibedakan menjadi 3 macam, diantaranya projecting, Sharp edge, dan rounded. Projecting Sharp edge Gambar 2.9. Macam-macam exit Nilai koefisien minor dari ketiga exit adalah sama besar yaitu sebesar 1,0. Tabel 2.3. Nilai K exit 18

14 Jenis Exit Nilai K Projecting 1,0 Sharp edge 1,0 Rounded 1,0 Sumber : John K. Vennard, Robert L. Street Elementary Fluid Mechanics, Sixth Edition. California. d. Pembesaran (Expansion) Pembesaran dalam suatu perpipaan dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu pembesaran mendadak atau terjadi secara tibatiba yang seringkali disebut dengan sudden ekspansion ataupun gradual ekspansion. Gambar Sudden ekspansion Gambar Gradual ekspansion e. Pengecilan (Contraction) Sama halnya dengan ekspansion, contraction juga dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu sudden contraction (pengecilan secara tiba-tiba), dan gradual contraction (pengecilan secara bertahap). 19

15 Gambar Sudden contraction Gambar Gradual contraction Head loss minor menurut [3] dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: H lm = kk vv²...(2.20) 2gg Dimana : h lm = head loses minor K = koefisien kerugian (dari koefisien komponen pipa yang digunakan ) v = kecepatan aliran fluida (m/detik) Faktor gesekan Moody λ (atau f) digunakan dalam persamaan Darcy Weisbach. Koefisien ini dapat diperkirakan dengan diagram dibawah ini : 20

16 Gambar Faktor gesekan untuk pipa (Diagram Moody) Sistem perpipaan biasanya terdiri dari beberapa komponen seperti katup, belokan, percabangan dan sebagainya yang dapat menambah head loss sistem pipa. Kerugian head melalui komponen sistem pipa tersebut disebut kerugian minor (minor losses). Sedangkan kerugian gesekan di sepanjang pipa disebut kerugian mayor (mayor losses). K adalah koefisien kerugian minor, harga K bergantung pada jenis komponen sistem perpipaan seperti katup, sambungan, belokan, sisi masuk, sisi keluar, dan sebagainya. 2.8 Metode Hardy Cross Analisis untuk kasus jaringan pipa dikembangkan oleh Hardy Cross, metoda ini dapat digunakan untuk menentukan head loss di setiap pipa dalam jaringan (networks). Penyediaan air bersih yang direncanakan dengan sistem jaringan utama, sedangkan sistem jaringan yang digunakan adalah sistem jaringan melingkar (Loop). Pola jaringan ini dimaksudkan agar pipa-pipa distribusinya saling 21

17 berhubungan, air mengalir dalam banyak arah, dan area konsumen disuplai melalui banyak jalur pipa utama. Gambar Jaringan pipa Syarat kondisi untuk metoda Hardy Cross adalah aliran dalam jaringan pipa harus memenuhi hubungan dasar dari prinsip energi dan kontinuitas, yaitu: 1. Aliran yang menuju titik pertemuan harus sama dengan aliran yang keluar. 2. Aliran pada masing-masing pipa harus memenuhi hukum gesekan pipa untuk satu pipa. 3. Jumlah total head loss pada loop tertutup harus sama dengan nol. Langkah-langkah metode Hardy Cross adalah sebagai berikut: 1. Memberikan perkiraan atau asumsi awal aliran yang memenuhi prinsip energi dan kontinuitas pada poin 1 di atas. 2. Menuliskan kondisi 2 pada masing-masing pipa dengan rumus: h = KQ L n... (2.21) 3.Untuk memeriksa kondisi 3, hitung keseluruhan head loss dengan rumus: = h L KQ... (2.22) Asumsi: untuk head loss positif searah jarum jam, dan untuk head loss negative berlawanan arah jarum jam. n 22

18 4. Lalu mencari koreksi debit (ΔQ) dengan rumus: Q = n KQ0 hl = n 1 KnQ0 n hl / Q0...(2.23) 5. Setelah koreksi pertama, iterasi masih belum setimbang, prosedurnya adalah mengulangi iterasi sampai mencapai atau mendekati nol. 2.9 Pipe Flow Expert Software Pipe Flow Expert Software adalah program untuk mendesain pipa dan pemodelan sistem pipa. Menghitung aliran fluida dalam jaringan pipa loop terbuka atau tertutup dengan beberapa tangki atau reservoir, beberapa pompa secara seri atau paralel, dan beberapa ukuran pipa dan fitting, Pipe Flow Expert akan menghitung laju aliran di setiap pipa dan akan menghitung penurunan tekanan pipa di sepanjang jaringan pipa. Pipe Flow ini dirancang untuk membantu insinyur untuk menggambar sistem jaringan pipa kompleks kemudian menganalisa dan memecahkan berbagai masalah didalam sebuah jaringan pipa tersebut. Program ini juga bisa digunakan untuk melakukan simulasi perancangan terhadap sebuah jaringan pipa untuk mendapatkan sejumlah hasil yang nantinya akan menjadi acuan untuk melakukan perancangan yang sebenarnya dilapangan. Sistem penggambaran pipa dengan menggambar titik sambungan dan pipa yang menjadi penghubung antar titik (node). Secara horizontal, vertikal atau diagonal dapat digunakan untuk menghubungkan satu titik ke titik lain. Data-data fisik yang dimasukkan oleh pengguna biasanya meliputi: 1. Diameter pipa, panjang pipa dan material pipa pada setiap pipa penghubung. 2. Ketinggian (elevasi) masing-masing titik (node) 3. Aliran masuk dan aliran keluar pada setiap titik sambungan 4. Ketinggian tangki dan tinggi fluida di dalam tangki serta tekanan setiap tangki 5. Data kinerja untuk setiap pompa 23

19 Kotak input data terletak di sisi kiri panel gambar. Kotak input ini akan menampilkan data untuk node yang sedang dipilih atau pipa dan dapat digunakan untuk mengubah data. Data untuk node, pipa, pompa dan lain-lain dapat diubah pada setiap saat selama proses desain. Adapun hasil analisis sistem jaringan pipa dengan menggunakan Pipe Flow Expert Software ini meliputi: 1. Kapasitas Aliran (Q) Pada setiap pipa 2. Kecepatan Aliran (V) pada setiap pipa 3. Aliran massa pada setiap pipa 4. Reynolds Number (re) 5. Nilai head loss Mayor 6. Nilai head loss Minor 7. Kehilangan tekanan pada setiap pipa 8. Kehilangan tekanan pada setiap node 9. Nilai HGL (Hydraulic Grade Line) 24