Analisa Rugi Aliran (Head Losses) pada Belokan Pipa PVC

Transkripsi

1 Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD-4) Institut Teknologi Padang (ITP), Padang, 27 Juli 2017 ISBN: Analisa Rugi Aliran (Head Losses) pada Belokan Pipa PVC Ismet Eka Putra 1,*, Sulaiman 1 dan Ari Galsha 2 1 Teknik Mesin, Institut Teknologi Padang 2 Alumni Teknik Mesin, Institut Teknologi Padang Jalan Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia *Correspondence should be addressed to ismetekaputra@ymail.com Abstrak Pipa sebagai alat transportasi fluida dari tempat penampungan ke tempat pemakaian memerlukan instalasi perpipaan dengan berbagai ukuran diameter pipa. Dalam pembuatan instalasi pipa akan selalu ditemukan belokan yang akan mengakibatkan rugi aliran. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui rugi aliran pada belokan 45 dan 90.Variabel yang tidak diteliti tapi dapat berpengaruh terhadap hasil penelitian (variable kontrol) antara lain : ukuran diameter pipa (m), luas pipa (m 2 ), dan debit air (m 3 /dt). Pengambilan data untuk mengukur rugi aliran pada penelitian ini adalah dengan cara mengukur selisih tinggi air dalam manometer. Data penelitian yang diperoleh adalah selisih manometer, debit air, kecepatan aliran, besar rugi aliran. Hasil pengukuran tersebut dianalisa dengan menggunakan rumus teoritis. Hasil penelitian ini adalah adanya belokan akan mengakibatkan rugi aliran. Rugi aliran rata-rata pada belokan 45 dan 90 masing-masing sebesar meter dan meter dengan nilai koefisien kehilangan energy masing-masing adalah 0,24 dan 1,13. Besar sudut belokan akan mempengaruhi rugi aliran, semakin besar sudutnya semakin besar pula rugi alirannya. Kata kunci: rugi aliran, belokan pipa, pipa PVC. 1. Latar Belakang Pipa sebagai alat transportasi fluida dari tempat penampungan ke tempat pemakaian memerlukan instalasi perpipaan dengan berbagai ukuran diameter pipa. Berkaitan dengan instalasi perpipaan ada kalanya menggunakan pipa besi atau galvanis, dimana pipa galvanis lebih kuat, tahan terhadap temperatur tinggi, tidak mudah pecah, relatif mudah dipasang serta tahan lama, dan pipa tersedia di pasaran dengan berbagai merek dan diproduksi oleh industri dalam negeri maupun produk impor. Akan tetapi pemakaian instalasi perpipaan untuk air ini sering kita menemukan pipa berkarat akibat dari pengelupasan lapisan dalam pipa galvanis yang dipengaruhi oleh lama pemakain pipa. Oleh karena itu, pemakaian pipa PVC juga tidak kalah penting, dimana pipa PVC ini memiliki banyak keunggulan yaitu ringan, tahan karat, permukaan dalamnya licin, elastisitasnya tinggi, tidak mudah terbakar, tahan terhadap zat kimia, mudah dibentuk, dan lain sebagainya. Rugi-rugi aliran (Head Losses) adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Satuan head losses adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang bersesuaian. Head losses terbagi menjadi dua bagian yaitu rugi mayor (major losses) dan rugi minor (minor losses), rugi mayor (major losses) adalah rugi aliran yang diakibatkan gesekan antara fluida dengan dinding pipa lurus yang mempunyai luas penampang yang tetap, rugi minor (minor losses) adalah rugi aliran fluida di dalam pipa yang disebabkan oleh luas penampang aliran, entrance, fitting, dan lain sebagainya [1]. Rugi aliran akibat perubahan arah (minor losses) pada pipa dibedakan menjadi dua yaitu belokan karena adanya sambungan yang terkesan tiba-tiba/tajam, belokan ini disebut Elbow dan pembengkokan secara berangsurangsur disebut Bends. Elbow adalah belokan yang terjadi diakibatkan adanya sambungan pipa, sambungan yang dipakai adalah fitting/keni. Fitting yang biasa dijual dipasaran adalah 45º dan 90º [2]. 2. Material A. Fluida Fluida adalah zat cair yang bisa mengalir menempati ruangan, mempunyai partikel yang mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa [3-4]. Secara khusus, fluida 2017 ITP Press. All rights reserved. DOI /PIMIMD

2 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 35 didefinisikan sebagai zat yang berdeformasi terus-menerus selama dipengaruhi suatu tegangan geser [5-6]. Fluida dibagi menjadi 2 (dua) macam yaitu zat cair dan gas. Zat cair terlihat memiliki volume tertentu, dan dapat berubah bentuk mengikuti ruangan yang ditempatinya. B. RugiAliran(Head Losses) Zat cair/fluida yang ada di alam mempunyai kekentalan, meskipun demikian dalam berbagai perhitungan mekanika fluida ada yang dikenal atau dianggap sebagai fluida ideal. Menurut Triadmojo (1996:1). Rugi aliran (Head Losses) merupakan pengurangan energi per satuan berat fluida pada aliran cairan pada sistem perpipaan. Head loss terdiri dari major head loss (hf), minor head loss (hm), dan total head loss (htot) (Fauzi Susanto, 2006:18). C. Pesamaan Bernouli Hukum Bernouli menjelaskan tentang konsep dasar aliran fluida (zat cair dan gas) bahwa peningkatan kecepatan pada suatu aliran zat cair atau gas, akan mengakibatkan penurunan tekanan pada zat cair atau gas tersebut. Artinya, akan terdapat penurunan energi potensial pada aliran fluida tersebut (Zainudin, 2012:15). Konsep dasar ini berlaku pada fluida aliran termampatkan (compressible flow), juga pada fluida dengan aliran tak termampatkan (incompressible flow). Hukum Bernouli sebetulnya dapat dikatakan sebagai bentuk khusus dari konsep dalam mekanika fluida secara umum, yang dikenal dengan persamaan Bernouli. Secara matematis persamaan Bernouli sebagai berikut: (1) p 1.2 = tekanan di penampang 1 dan 2 (N/m²) v 1.2 = kecepatan di penampang 1 dan 2 (m/s) z 1.2 = tinggipada permukaan 1 dan 2 (m) ɣ 1.2 = berat jenis 1 dan 2 (N/m³) g = gravitasi bumi (9,81 m/s²) D. Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas menyatakan hubungan antara kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatakan dengan: Q = A 1v 1 = A 2v 2 (2) A 1 = luas penampang 1 (m²) A 2 = luas penampang 2 (m²) v 1 = keceptan fluida pada pipa 1 (m/s) v 2 = kecepatan fluida pada pipa 2 (m/s) E. RugiAliran akibat Gesekan (Major Loss) RugiAliran akibat gesekan disebut juga kehilangan energi Major Loss (Kodoatie, 2002:245). Mayor lose tejadi karena adanya kekentalan zat cair dan turbulensi karena adanya kekerasan dinding batas pipa yang akan menimbulkan gaya gesek yang akan menyebabkan rugi aliran di sepajang pipa dengan kecepatan konstan pada aliran seragam. Rugi aliran sepanjang satu satuan panjang akan konstan selama kekerasan dan diameter tidak berubah.rumus untuk major loss adalah: (3) hf = major loss (m) f = faktor gesek L = panjang pipa (m) V = kecepatan fluida dalam pipa (m/s) d = diameter dalam pipa (m) g = gravitasi (m/s 2 ) Nilai faktor gesek (f) dapat digambarkan dalam diagram Moody. Diagram tersebut merupakan fungsi dari Bilangan Raynold (Raynold s number) dan kekasaran relatif (relative roughness-ɛ/d).kekerasan relatif pipa yang merupakan fungsi dari nominal diameter pipa dan kekerasan permukaan dalam pipa (ɛ), yang tergantung jenis material pada pipa. F. RugiAliran Akibat Perubahan Penampang (Minor Loss) Rugialiran akibat perubahan penampang disebut juga kehilangan energi Minor loss (Kodoatie, 2002:245). Minor loss terjadi pada perubahan arah seperti pembelokan (elbow), bengkokan (bends), pembesaran penampang (expansion), dan pengecilan penampang (contracsion). Rugialiranminor lossakan mengakibatkan adanya tumbukan antara partikel zat cair dan meningkatnya gesekan karena turbulensi, tidak seragamnya distribusi kecepatan pada suatu penampang pipa. Adanya lapisan batas terpisah dari dinding pipa maka akan terjadi pusaran air. Adanya pusaran air akan menggangu pola aliran laminer sehingga akan menaikkan tingkat turbulensi. Unttuk minor loss dapat dihitung denga menggunakan rumus: hm = kv 2 /g (4)

3 36 hm =minor loss k = koefisien rugialiran v = kecepatanaliran (m/s) g = gravitasi (9,81 m/s 2 ) Total head loss merupakan jumlah dari major loss dan minor loss. Bilangan Raynold merupakan: Re =Vd/ v (5) Re = bilangan Reynold V = kecepatan aliran (m/s) d = diameter dalam pipa (m) v = viskositas kinematik (m²/s) Untuk aliran laminer bilangan Reynold adalah Re < 2100 G. Pipa Halus Koefisien gesekan pipa tergantung pada para meter aliran, apabila pipa adalah hidrolis halus parameter tersebut ialah kecepatan aliran diameter pipa dan kekentalan zat cair dalam bentuk angka Reynolds. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Blasius, mengemukan bahwa rumus gesekan f untuk pipa halus adalah: f = 0.316/Re 025 berlaku untuk 4000<Re<10 5 Dari persamaan empiris koefisien gesek tersebut diatas dapat dihitung kehilangan energi disepanjang pipa berdasarkan persamaan Darcy-Weibach. Sedangkan percobaan Nikuradse memberikan persamaan yang agak berbeda dengan persamaan Blasius, yaitu: = 2 log... (6) H. Pipa Kasar Tahanan pada pipa kasar lebih besar pada pipa halus, untuk pipa halus nilai f hanya bergantung pada angka reynolds. Untuk pipa kasar nulai f tidak hanya tergantung angka reynolds, tetapi pada sifat-sifat dinding pipa yaitu kekasaran relatif k/d, atau f = (Re.k/D) dengan k = kekasaran dinding pipa, dan D = diameter pipa. I. Pipa Berubah Arah Perubahan arah pada pipa (belokan dan bengkokan) dapat menimbulkanrugialiran dari perubahan tersebut, besarnya rugialiran tergantung sudut perubahan arah pipa. Rugialiran yang diakibatkan adanya perubahan arah adalah diakibatkan benturan air pada dinding. Kecepatan air awal (V1) berubah Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang menjadi kecepatan aliran air setelah mengalami belokan (V2), dimana (V1) lebih besar dibandingkan (V2). Ada perbedaan rugialiran akibat gesekan dan akibat perubahan arah. Pengaruh dari gesekan ataupun benturan air dinding pada keseluruhan hambatan dinyatakan sama dengan pipa-pipa lurus dengan nilai f dan dengan arah pangjang l dari belokan, dimana diukur dari sumbu garis bengkokan. J. Pipa bengkok (Bends) Sudut dengan perubahan arah yang terkesan berangsur-angsur (Bends), rugialiran tergantung pada perbandingan antara jari-jari belokan dan diameter pipa. Perubahan arah secara berangsur-angsur (bends) pada pipa dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Pipa bengkok (Bends). (Fauzi Susanto, 2006:26) K. Pipa berbelok (Elbow) dan Siku. Persamaan pada pipa untuk perubahan arah yang terjadi secara tiba-tiba (elbow) dan siku hampir sama dengan persamaan pada pipa bengkok (bends). Gambar pipa berbelok (elbow) dan siku dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Pipa Belok (Elbow) 45 Persamaan untuk rugialiran akibat belokan (elbow)padapipa lebih sederhana, yaitu: h m = k. (7) atau h b = K b. a. (8) h b = rugialiran (m) K b = koefisien rugialiran pada belokan (elbow) dapat dilihat pada tabel 2.5 a = sudut elbow (m) V = kecepatan aliran fluida (m/s) Pada pipa licin dan pipa kasar koefisien K b dapat digunakan angka-angka pada pada Tabel 1.

4 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 37 Tabel 1. Angka Hambatan Pipa Licin dan Kasar (Fauzi Susanto, 2006:30) (m²), luas bak penampung(m²), kemudian setelah dilakukan penelitian maka didapatkan data hasil pengamatan selisih tinggi manometer. Data Penelitian Elbow 45 Data penelitian pada pipa elbow 45 dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data hasil penelitian elbow Metode A. Deskripsi Alat Alat instalasi pengujian rugi aliran terdiri dari beberapa komponen utama seperti pada gambar dibawah: No h1(m) h2(m) Δh(m) A (m²) Q (m³/s) Data Penelitian Elbow 90 Data penelitian pada pipa elbow 90 dapat dilihat pada Tabel 3. Gambar 3. Alat pengujian B. Prosedur Penelitian Prosedur penelitian yang dilakukan dalam rangka mengumpulkan data hingga penyelesaian masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Menyiapkan alat dan bahan. 2. Merencanakan instalasi pengujian. 3. Memasang instalasi alat pengujian. 4. Menghidupkan pompa air dan memeriksa instalasi pemipaan. 5. Mengukur debit menggunakan flow meter. 6. Mencatat perbedaan tekanan sebelum dan setelah sambungan belokan yang terbaca pada manometer. 7. Mencatat ulang debit dan perbedaan tekanan setiap perubahan sudut sambungan belokan. 8. Analisa dan pembahasan data hasil pengujian. 4. Hasil dan Pembahasan A. Data Hasil Penelitian Penelitian mengenai analisa rugi aliran pipa pada belokan (elbow) pipa PVC yang dilaksanakan di laboratorium konversi energi Institut Teknologi Padang, didapatkan hasil penelitian yang kemudian dianalisis untuk pembahasan. Dalam penelitian ini diperoleh data hasil pengukuran antara lain luas penampang pipa Tabel 3. Data hasil penelitian elbow 90 No h1(m) h2(m) Δh(m) A (m²) Q(m³/s) B. Analisa Data Untuk keperluan analisa, maka data hasil pengukuran dan pengamatan dihitung dan dibuat tabel. Hasil analisis data didapatkan antara lain debit air (Q) dalam gallon per menit (Gpm), kecepatan aliran (V) dalam meter per perdetik (m/s), serta nilai rugi aliran (hm) dalam meter (m). Hasil analisa data rugi aliran pada pipa elbow dapat dilihat pada Tabel 4 dan Tabel 5. Tabel 4. Analisa data elbow 45 No Δh(m) V(m/s) Q (m³/s) hm(m)

5 38 Tabel 5. Analisa data elbow 90 No Δh(m) V(m/s) Q (m³/s) hm(m) C. Pembahasan Dalam penelitian ini pembahasannya berdasarkan hasil analisa data yang terdapat pada tabel kemudian dibuat grafik hubungan antara rugi aliran minor (hm) dengan debit aliran (Q) pada elbow 45 dan grafik hubungan antara rugi aliran minor (hm) dengan debit aliran (Q) pada elbow 90, serta perbandingan rugi aliran (hm) yang terjadi pada elbow 45 dan elbow 90. Penyimpulan hasil penelitian ini dengan cara mendeskripsikan hasil pengamatan terhadap grafik-grafik pada elbow 45 dan 90, sehingga akan didapatkan hasil yang dapat dilihat pada Gambar 4. Grafik 4. Hubungan Rugi Aliran Minor (hm) dengan Debit Aliran (Q) pada Elbow 45 Dari Gambar 4 dapat disimpulkan bahwa debit aliran berbanding lurus dengan rugi aliran pada belokan (elbow), karena semakin tinggi debit aliran maka rugi aliran pada belokan juga akan tinggi. Grafik 5. HubunganRugiAliran Minor (hm) dengan Debit Aliran (Q) pada Elbow 90 Dari Gambar 5 dapat disimpulkan bahwa debit aliran berbanding lurus dengan Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang rugi aliran pada belokan (elbow), karena semakin tinggi debit aliran maka rugi aliran pada belokan juga akan tinggi. Grafik 6. Perbandinganrugialiran minor (hm) elbow 45 dengan elbow 90 Dari Gambar 6 dapat disimpulkan bahwa rugi aliran (head losses) mempengaruhi selisih tinggi pada manometer. Perbedaan selisih tinggi pada manometer tersebut disebabkan pada belokan 90 terjadi tumbukan aliran yang besar, sehingga rugi alirannya juga semakin besar, namun pada belokan 45 tumbukan alirannya lebih kecil, maka rugi aliran yang terjadi pada belokan 45 lebih kecil dari belokan Simpulan 1. Pada sambungan (elbow) 45 rugi aliran minor (hm) terkecil dengan nilai 0, m dengan debit aliran (Q) 2 Gpm dan rugi aliran minor (hm) terbesar dengan nilai 6, m dengan debit aliran (Q) 6 Gpm. 2. Pada sambungan (elbow) 90 rugi aliran minor (hm) terkecil dengan nilai 3, m dengan debit aliran (Q) 2 Gpm dan rugi aliran minor (hm) terbesar dengan nilai 32, m dengan debit aliran (Q) 6 Gpm. 3. Rugi aliran (hm) pada sambungan 90 dengan nilai 32, m yang terjadi lebih besar dibandingkan dengan sambungan 45 dengan nilai 6, m. Hal tersebut terjadi karena pada elbow 45 air yang mengalir pada pipa menemui hambatan yang tidak terlalu besar, berbeda pada elbow 90 yang mengalami hambatan yang diakibatkan belokan yang terlalu tajam. Referensi [1] Helmaizar Studi Ekperimental Pengukuran Head Losses Mayor (Pipa PVC Diameter ¾ ) dan Head Losses Minor (Belokan Knee 90 Diameter ¾ )

6 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 39 Pada Sistem Instalasi Pipa. Dinamika Jurnal Ilmiah Teknik Mesin. [2] Susanto, Fauzi Pengaruh Pembelokan (Elbow) Terhadap Kehilangan Energi Pada Saluran Pipa Galvanis. Skripsi.Universias Negeri Semarang. [3] Bruce R. Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi Mekanika Fluida, Edisi Keempat Jilid I. Jakarta: erlangga. [4] Zainudin Analisa Pengaruh Variasi Sudut Sambungan Belokan Terhadap Head Losses Aliran Pipa. Skripsi. Universitas Mataram. [5] White, Frank. M., Fluid Mechanics; Mc Graw Hill Book Company, New York [6] Victor. L., Streeter, Fluid Mechanic 1, McGraw Hill Book Company, New York, 1985.