BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Pipa Sistem perpipaan dapat ditemukan pada hampir semua jenis industri, dari sistem pipa tunggal yang sederhana sampai sistem pipa bercabang yang sangat kompleks. 1. Sistem Pipa Tunggal Sistem pipa tunggal merupakan sistem perpipaan yang hanya menggunakan satu buah pipa tanpa menggunakan sambungan. Penurunan tekanan pada sistem pipa tunggal adalah merupakan fungsi dari laju aliran, perubahan ketinggian dan total head loss merupakan fungsi dari faktor gesekan, perubahan penampang. Untuk aliran tak mampu mampat, sifat fluida diasumsikan tetap. Pada saat sistem telah di tentukan maka konfigurasi sistem, kekasaran permukaan pipa, perubahan elevasi, dan kekentalan fluida bukan lagi variable bebas. 2. Sistem Pipa Majemuk Pada kenyataan kebanyakan sistem perpipaan adalah sistem pipa majemuk, yaitu rangkaian pipa seri, parallel maupun berupa jaringan perpipaan. Untuk rangkaian pipa seri maupun parallel, penyelesaiannya adalah serupa dengan perhitungan tegangan dan tahanan pada hukum ohm. Penurunan tekanan dan laju aliran identik dengan tegangan dan arus pada listrik. Namun persamaannya tidak identik dengan hukum ohm, karena penurunan tekanan sebanding dengan kuadrat dari laju aliran. Semua sistem pipa majemuk lebih mudah diselesaikan dengan persamaan empiris. Ada beberapa contoh sistem pipa majemuk, dengan memenuhi kaidah kaidah tertentu sebagai berikut : a. Sistem pipa yang disusun secara seri Jika dua buah pipa atau lebih dipasang secara seri, semua pipa akan dilewati oleh aliran yang sama dan total rugi head pada seluruh sistem adalah jumlah kerugian pada setiap pipa dan perlengkapan pipa. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 1
Gambar 2.1. Sistem pipa yang disusun secara seri Sumber :http://volume08.wordpress.com/2009/09/04/sistem-dan-jaringan-pipa/ Q 0 = Q 1 = Q 2 = Q 3 = = Q n Atau Q n = V 1. A 1 = V 2. A 2 = V 3. A 3 = = V n. A n Dan jika hl adalah rugi head untuk perlengkapan pipa dan katup, maka : hl = h L1 + h L2 + h L3 + + h Ln b. Sistem pipa yang disusun secara parallel Jika dua buah pipa atau lebih dipasang secara parallel, total laju aliran sama dengan jumlah laju aliran yang melalui setiap cabang dan kerugian head. Pada sebuah cabang sama dengan kerugian head pada cabang yang lain. Ini diekspresikan ( Olson R., 1993 ) sebagai : BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 2
Gambar 2.2. Sistem pipa yang disusun secara paralel Sumber :http://volume08.wordpress.com/2009/09/04/sistem-dan-jaringan-pipa/ Q 0 = Q 1 = Q 2 = Q 3 = = Q n Atau Q n = V 1. A 1 = V 2. A 2 = V 3. A 3 = = V n. A n Dan hl = h L1 + h L2 + h L3 + + h Ln Kerugian head pada setiap cabang boleh di anggap sepenuhnya terjadi akibat gesekan, atau rugi akibat katup dan perlengkapan pipa. Kalau kerugian head totalnya ( total head losses ) di ketahui, relatif cukup mudah untuk mencari masing2 Q1 dan menjumlahkannya. Soal sebaliknya, jika laju aliran totalnya Q yang di ketahui, diperlukan pengulangan yang lumayan jumlahnya untuk menentukan bagaimana aliran total ini terbagi kedalam ketiga cabang pipa itu. Prosedur yang biasa ialah dengan menebak Q1 = Q/3 misalnya, lalu menghitung kerugian headnya dan dari nilainya itu kita peroleh Q1 dan Q3 dan dengan menggunakan persamaan h n = h L1 = h L2.. = h Ln. Kemudian, kalau jumlahnya tidak betul, turunkan tebakan yang pertama tadi Q1 dengan membagi Q1 dengan debit sisa dan hitung lagi Q2 dan Q3, jika diperlukan dinaikan atau diturunkan lagi Q1. Proses ini sifatnya konvergen. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 3
2.2 Kekuatan Pipa PVC Tabel 2.1 Kekuatan Pipa PVC 2.3 Hukum Kontinuitas 2.3.1 Definisi Fluida Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 4
mempunyai hambatan yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena gesekan. Zat padat mempertahankan suatu bentuk dan ukuran yang tetap, sekalipun suatu gaya yang besar diberikan pada zat padat tersebut, zat padat tidak mudah berubah bentuk maupun volumenya, sedangkan zat cair dan gas, zat cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika diberikan padanya gaya yang sangat besar dan gas tidak mempunyai bentuk dan maupun volume yang tetap,gas akan berkembang mengisi seluruh wadah. Karena fase cair dan gas tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, keduanya mempunyai kemampuan untuk mengalir. Dengan demikian kedua duanya sering secara kolektif disebut sebagai fluida. 2.3.2 Macam Macam Aliran Fluida Aliran steady ( tunak ) : aliran yang sangat teratur, garis alirnya lurus, parallel, dan mempunyai kecepatan yang sama pada setiap penampang lintang. Aliran Viscous ( kental ) : aliran fluida yang mempunyai kekentalan. Kecepatan fluida tidak sama pada setiap penampang lintang. Aliran turbulen : aliran fluida yang tidak teratur. 2.3.3 Bilangan Reynolds Kombinasi faktor yang menentukan jenis aliran fluida: N R = pvd ῃ D = Diameter pipa N R = 0 2000 : aliran laminer > 3000 : aliran turbulen = 2000 3000 : aliran transisi BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 5
2.3.4 Persamaan kontinuitas Persamaan kontinuitas berlaku untuk : Untuk semua fluida ( Gas atau Cairan ). Untuk semua jenis aliran (laminer atau turbulen ). Untuk semua keadaan ( steady dan unsteady ). Dengan atau adanya reaksi kimia di dalam aliran tersebut. 2.3.5 Persamaan kontinuitas untuk fluida tak termampatkan ( incompressible ) Pada fluida tak termampatkan ( incompressible ), kerapatan alias massa jenis fluida tersebut selalu sama di setiap titik yang di laluinya. Massa fluida yang mengalir dalam pipa memiliki penampang ( diameter pipa yang besar ) selama selang waktu tertentu adalah : m 1 = pv 1 (ingat p = m ) v m 1 = pav 1 t Demikian juga, massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang A2 ( diameter pipa yang kecil ) selama waktu tertentu adalah : m 2 = pv 2 (ingat p = m ) v m 2 = pav 2 t Mengingat bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan masa fluida yang keluar, maka : m 1 = m 2 pa1v 1 t = pa2v 2 t A 1 V 1 = A 2 V 2 Catatan : massa jenis fluida dan selang waktu sama sehingga di lenyapkan. Jadi, pada fluida tak ternampatkan, berlaku persamaan kontinuitas: A1v1 = A2v2 Persamaan 1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 6
Dimana A1 = luas penampang 1, A2 = ;uas penampang 2, V1 = laju aliran fluida pada penampang 1, V2 = laju aliran fluida pada penampang 2, Av adalah laju aliran V/t alias debit 2.3.6 Persamaan kontinuitas untuk fluida termampatkan ( compressible ) Untuk kasus fluida yang termampatkan ( compressible ), massa jenis fluida tidak selalu sama. Dengan kata lain, massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan. Kalau pada fluida tak termampatkan massa jenis fluida tersebut kita lenyapkan dari persamaan yang telah di turunkan sebelumnya. Mengingat bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan massa fluida yang keluar, maka : m 1 = m 2 pa1v 1 t = pa2v 2 t Selang waktu (t) aliran fluida sama sehingga bias kita lenyapkan. Persamaan berubah menjadi : pa 1 V 1 = pa 2 V 2 Persamaan 2 Ini adalah persamaan untuk kasus fluida termampatkan. Bedanya hanya terletak pada massa jenis fluida. Apabila fluida termampatkan, maka massa jenisnya berubah. Sebaliknya, apabila fluida tek termampatkan, massa jenisnya selalu sama sehingga bias kita lenyapkan. Untuk lebih memahami hubungan antara massa jenis dan fluida termampatkan / tak termampatkan. 2.4 Hukum Kekekalan energy Semua energi yang berada di dalam ala mini meupakan bentuk perubahan dari energy yang lain. Manusia memperoleh energi dengan memakan makanan yang berasal dari hewan atau tumbuhan. Namun, tumbuhan bukanlah sumber energi. Tumbuhan mengubah energi dari cahaya matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam makanan melalui proses fotosintesis. 1. Energy kinetik Energy mekanik adalah energi yang dimiliki benda karena sifat geraknya. Energi mekanik terdiri dari energi potensial dan energi kinetik. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 7
2. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang di miliki benda karena posisinya terhadap suatu acuan. Contohnya adalah sebutir kelapamyang ada di atas pohon. Jika di beri gaya, maka buah kelapa itu akan jatuh. Kelapa yang jatuh memiliki energi. Dengan kata lain, kelapa dapat melakukan kerja. Apabila kita berdiri di bawah pohon kelapa, kepala kita akan terasa sakit ketika tertimpa kelapa yang jatuh, sedangkan kelapa yang tergeletak di tanah tidak dapat melakukan kerja. Energi potensial akan bertambah besar ketika letak benda terhadap titik acuan semakin besar. Kelapa yang ada di cabang rendah energy potensialnya lebih rendah dari pada kelapa yag tergeletak di cabang yang tinggi. Kelapa memiliki energy potensial karena adanya pengaruh gaya gravitasi bumi. Oleh karena itu, energy ini disebut energy potensial gravitasi. Jadi, energy potensial gravitasi adalah energy yang dimiliki benda karena ketinggiannya terhadap suatu bidang datar sebagai acuan, misalnya lantai atau tanah. Makin tinggi letak benda terhadap titik acuan, maka energy potensialnya semakin besar. Persamaanya : Karet ketapel yang kita regangkan juga memiliki energy potensial. Karet ketapel dapat melontarkan batu karena energy potensial pada karet yang di regangkan. Demikian juga busur yang di tarik oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energy potensial pada busur yang di regangkan. Contoh lain adalah pegas yang di tekan atau di regangkan. Energy potensial pada tiga contoh ini disebut energy potensial elastik. Enegi kinetik Energy kinetik adalah energy yang di miliki benda karena geraknya. Makin besar kecepatan benda bergerak, maka energy kinetiknya juga akan semakin besar. Kembali pada contoh di atas, kelapa yang terletak di atas pohon memiliki energy potensial yang besar. Namun, saat kelapa tersebut jatuh ke tanah, energy potensialnya semakin berkurang dan energy kinetiknya bertambah. Energy dari BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 8
gerakan itulah yang membuat seseorang merasa sakit apabila tertimpa hantaman kelapa yang jatuh dari pohonnya. Energy kinetik dirumuskan sebagai : Hukum Kekekalan Energi Mekanik Hukum kekekalan energy mengatakan bahwa energy tidak dapat di ciptakan dan tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan. Energy dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Berdasarkan hukum tersebut, dapat disimpulkan bahwa pada peristiwa jatuhnya buah kelapa, energy berubah bentuk dari energy potensial menjadi energy kinetik. Energy potensial tidak hilang begitu saja. Namun, berubah sedikit demi sedikit sampai akhirnya menjadi energy kinetik semua. Pada perubahan tersebut, jumlah energy potensial dan kinetik pada kelapa akan sama setiap saat. Dengan kata lain, energy mekanik pada batu akan selalu tetap. Inilah yang disebut dengan hukum kekekalan energy mekanik. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 9
2.5 Definisi Air Bersih Air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari hari dan akan menjadi air minum setelah di masak terlebih dahulu. Sebagai batasannya, air bersih adalah air yang memenuhi persyaratan bagi sistem penyediaan air minum. Adapun persyaratan yang di maksud adalah persyaratan dari segi kualitas air yang meliputi kualitas fisik, kimia, biologi dan radiologis, sehingga apabila dikonsumsi tidak menimbulkan efek samping. 2.6 Persyaratan Kualitas Persyaratan kualitas menggambarkan mutu dari air baku air bersih. Dalam modul gambaran umum penyediaan dan pengolahan air minum edisi maret 2003 hal. 4-5 dinyatakan bahwa persyaratan kualitas air bersih adalah sebagai berikut : 1. Persyaratan fisik Secara fisik air bersih harus jernih, tidak berbau dan tidak berasa. Selain itu juga suhu air bersih sebaiknya sama dengan suhu udara atau kurang lebih 25 o C, dan apabila terjadi perbedaan maka batas yang di perolehkan adalah 25 o C ± 3 o C. 2. Persyaratan kimiawi Air bersih tidak boleh mengandung bahan bahan kimia dalam jumlah yang melampaui batas. Beberapa persyaratan kimia antara lain adalah : ph, total solid, zat organic, CO 2, kalsium (Ca), besi (Fe), mangan (Mn), tembaga (Cu), seng (Zn), chloride (Cl), nitrit, flourida (F), serta logam berat. 3. Persyaratan Bakterlogis Air bersih tidak boleh mengandung kuman pathogen dan parasitic yang menggangu kesehatan. Persyaratan bakterlogis ini ditandai dengan tidak adanya bakteri E. Coli atau fecal Coli dalam air 4. Persyaratan Radioaktifitas Persyaratan radiokatifitas mensyaratkan bahwa air bersih tidak boleh mengandung zat yang menghasilkan bahan bahan yang mengandung radioaktif, seperti sinar alfa, beta dan gamma 2.7 Persyaratan Kuantitas (Debit) Persyaratan kuantitas dalam penyediaan air bersih adalah ditinjau dari banyaknya air baku yang tersedia. Artinya air baku tersebut dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan daerah dan jumlah penduduk yang akan dilayani. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 10
Persyaratan kuantitas juga dapat ditinjau dari standar debit air bersih yang dialirkan ke konsumen sesuai dengan jumlah kebutuhan air bersih yang dialirkan ke konsumen sesuai dengan jumlah kebutuhan air bersih. Kebutuhan air bersih masyarakat bervariasi, tergantung pada letak geografis, kebudayaan, tingkat ekonomi, dan skala perkotaan tempat tinggalnya. Besarnya konsumsi air berdasarkan kategori kota dapat dilihat pada table 2.1 Tabel 2.2 Konsumsi Air Berdasarkan Kategori Kota Kategori Kota Jumlah Penduduk ( orang) Konsumsi Air ( lt/org/hari ) Metropolitan > 1.000.000 210 Besar 500.000-1.000.000 170 Sedang 100.000-500.000 150 Kecil 20.000-100.000 90 Sumber : kimpraswil, 2003 2.8 Persyaratan Kontinuitas Air baku untuk air bersih harus dapat diambil terus menerus dengan fluktuasi debit yang relative tetap, baik pada saat musim kemarau maupun musim hujan. Kontinuitas juga dapat diartikan bahwa air bersih harus tersedia 24 jam per hari, atau setiap saat diperlukan, kebutuhan air tersedia. Akan tetapi kondisi ideal tersebut hamper tidak dapat dipenuhi pada setiap wilayah di Indonesia, sehingga untuk menentukan tingkat kontinuitas pemakaian air dapat dilakukan dengan cara pendekatan aktifitas konsumen terhadap prioritas pemakaian air. Prioritas pemakaian air yaitu minimal selama 12 jam per hari, yaitu pada jam jam aktifitas kehidupan, yaitu pada pukul 06.00 18.00. Kontinuitas aliran sangat penting ditinjau dari dua aspek. Pertama adalah kebutuhan konsumen. Sebagian besar konsumen memerlukan air untuk kehidupan dan pekerjaannya, dalam jumlah yang tidak ditentukan. Karena itu, diperlukan reservoir pelayanan dan fasilitas energy yang siap setiap saat. 2.9 Persyaratan Tekanan Air Konsumen memerlukan sambungan air dengan tekanan yang cukup, dalam arti dapat dilayani dengan jumlah air yang di inginkan setiap saat. Untuk menjaga tekanan akhir pipa diseluruh daerah layanan. Pada titik awal distribusi diperlukan tekanan yang lebih BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 11
tinggi untuk mengatasi kehilangan tekanan karena gesekan, yang tergantung kecepatan aliran, jenis pipa, diameter pipa, dan jarak jalur pipa tersebut. Dalam pendistribusian air, untuk dapat menjangkau seluruh area pelayanan dan untuk memaksimalkan tingkat pelayanan maka hal wajib untuk diperhatikan adalah sisa tekanan air. Sisa tekanan air tersebut paling rendah adalah 5mka ( meter kolam air ) atau 0.5 atm ( 1 atm = 10m ), dan paling tinggi adalah 22mka ( setara dengan gedung 6 lantai ). Menurut standart DPU ( Departemen Pekerjaan Umum ), air yang dialirkan ke konsumen melalui pipa transmisi dan pipa dsitribusi, di rancang untuk dapat melayani konsumen hingga yang terjauh, dengan tekanan air minum sebesar 10mka atau 1atm. Angka tekanan ini harus dijaga, idealnya merata pada setiap pipa distribusi. Jika tekanan terlalu tinggi akan menyebabkan pecahnya pipa, serta merusak alat- alat plambing. Tekanan juga dijaga agar tidak terlalu rendah, karena jika tekanan terlalu rendah maka akan menyebabkan terjadinya kontaminasi air selama aliran dalam pipa distribusi. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II - 12