4 BAB II KERANGKA TEORITIS 2.1 Perpipaan Distibusi fluida dalam hal ini adalah fluida cair tidak pernah lepas dari sistem perpipaan. Jenis pipa yang digunakan disesuaikan dengan fluida yang akan dialirkan. Pada sistem distribusi air bersih yang digunakan oleh perusahaan-perusahaan air minum pipa yang biasa digunakan adalah Galvanized Iron Pipe (GIP). Seperti namanya Pipa ini adalah pipa yang terbuat dari besi yang telah di galvanisasi. Proses Galvanisasi pada pipa besi dilakukan dengan dua cara, pertama elektolisa dan kedua dengan mencelupkan pipa besi kedalam logam cair Seng (Zn) yang mendidih (hot deep galvanizing). Tujuan dari proses Galvanisasi ini adalah agar permukaan pipa besi menjadi lebih tahan terhadap korosi, juga dapat mengurangi nilai kekasaran pada permukaan bagian dalam pipa sehingga faktor gesekan pada saat fluida mengalir menjadi lebih kecil. Pipa yang digunakan dalam sistem perpipaan juga harus tahan terhadap tekanan dari fluida yang mengalir didalamnya. Pada tabel 2.2 Maximum Allowable Working Pressure menunjukan bahwa setiap ukuran dan jenis pipa mempunyai batas terhadap tekanan dari dalam pipa. Pemilihan jenis pipa disesuaikan dengan kapasitas aliran dan tekanan fluida yang mengalir didalamnya. Setiap pipa juga mempunyai kekasaran yang berbeda-beda, hal ini akan berpengaruh pada faktor gesekan yang juga akan menentukan headloss atau kerugian aliran dalam pipa. Pada diagram reynolds number juga dilampirkan nilai kekasaran beberapa jenis bahan termasuk Galvanized Iron. (Tabel 2.1) Tabel 2.1 Kekasaran Permukaan material Material Ɛ, kekasaran (mm) Filveted Steel 0.9 – 9 Concrete 0.3 – 3 Wood Stave 0.18 – 0.9
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
4
BAB II
KERANGKA TEORITIS
2.1 Perpipaan
Distibusi fluida dalam hal ini adalah fluida cair tidak pernah lepas dari
sistem perpipaan. Jenis pipa yang digunakan disesuaikan dengan fluida yang
akan dialirkan. Pada sistem distribusi air bersih yang digunakan oleh
perusahaan-perusahaan air minum pipa yang biasa digunakan adalah
Galvanized Iron Pipe (GIP). Seperti namanya Pipa ini adalah pipa yang
terbuat dari besi yang telah di galvanisasi. Proses Galvanisasi pada pipa besi
dilakukan dengan dua cara, pertama elektolisa dan kedua dengan mencelupkan
pipa besi kedalam logam cair Seng (Zn) yang mendidih (hot deep
galvanizing). Tujuan dari proses Galvanisasi ini adalah agar permukaan pipa
besi menjadi lebih tahan terhadap korosi, juga dapat mengurangi nilai
kekasaran pada permukaan bagian dalam pipa sehingga faktor gesekan pada
saat fluida mengalir menjadi lebih kecil.
Pipa yang digunakan dalam sistem perpipaan juga harus tahan terhadap
tekanan dari fluida yang mengalir didalamnya. Pada tabel 2.2 Maximum
Allowable Working Pressure menunjukan bahwa setiap ukuran dan jenis pipa
mempunyai batas terhadap tekanan dari dalam pipa. Pemilihan jenis pipa
disesuaikan dengan kapasitas aliran dan tekanan fluida yang mengalir
didalamnya.
Setiap pipa juga mempunyai kekasaran yang berbeda-beda, hal ini
akan berpengaruh pada faktor gesekan yang juga akan menentukan headloss
atau kerugian aliran dalam pipa. Pada diagram reynolds number juga
dilampirkan nilai kekasaran beberapa jenis bahan termasuk Galvanized Iron.
(Tabel 2.1)
Tabel 2.1 Kekasaran Permukaan material
Material Ɛ, kekasaran (mm)
Filveted Steel 0.9 – 9
Concrete 0.3 – 3
Wood Stave 0.18 – 0.9
5
Cast Iron 0.25
Galvanized Iron 0.12
Asphalted cast iron 0.12
Commersial Steel 0.045
Drawn tubing 0.0015
Tabel 2.2 Maximum Allowable Working Pressure
2.2 Sistem sambungan pipa
Dalam menghubungkan pipa satu dengan pipa yang lainnya,
digunakan sistem sambungan pipa sebagai berikut :
a. Sambungan las (Welding)
Jenis pengelasan yang dilakukan adalah tergantung pada jenis pipa
dan penggunaannya, misalnya pengelasan untuk bahan stainless steel
6
menggunakan las busur gas wolfram, dan untuk pipa baja karbon
digunakan las metal.
Gambar 2.1 : Pengelasan pipa
b. Sambungan ulir (Threaded)
Penyambungan ini dilakukan pada pipa yang mengalirkan fluida
bertekanan tidak telalu tinggi. Kebocoran pada sambungan ini dapat
dicegah dengan menggunakan gasket (tape pipe). Umumnya pipa dengan
sambungan ulir digunakan pada pipa dengan ukuran kurang dari dua inchi.
Gambar 2.2 : Sambungan Ulir
c. Sambungan flens (Flange)
Kedua ujung pipa yang akan disambung dipasang flens kemudian
diikat dengan baut. Pada sambungan flens dipasang gasket untuk
menghindari kebocoran. Sambungan flens ini digunakan pada bagian
tertentu, yaitu pada peralatan-peralatan yang memerlukan peralatan
bongkar pasang.
7
Gambar 2.3 : Sambungan Flens
2.3 Aliran Dalam Pipa
Fluida yang mengalir dalam pipa mengalir dari tempat yang
bertekanan tinggi ke tempat yang bertekanan lebih rendah. Pada saat mengalir
dalam pipa fluida mengalami kerugian aliran (headloss) yang disebabkan
beberapa hal antara lain gesekan pada dinding dalam pipa, panjang pipa,
belokan (elbow), dan juga percepatan grafitasi. Kerugian aliran juga
dipengaruhi oleh viskositas fluida dan kapasitas yang dialirkan. Kerugian
aliran tersebut adalah penurunan tekanan, kerugian kecepatan, dan kerugian
akibat perbedaan tinggi antara sumber aliran dengan tempat tujuan aliran.
Kerugian aliran tersebut tidak bisa dihindarkan, namun pada suatu
proses atau sistem yang mengalirkan fluida dengan kapasitas yang ditentukan
maka kapasitas tersebut harus terpenuhi sehingga besarnya kerugian aliran
yang terjadi selama fluida mengalir dalam pipa harus dibarengi dengan
besarnya daya yang digunakan.
Dalam sebuah perancangan sistem perpipaan ada beberapa metode
yang digunakan untuk menghitung headloss atau kerugian aliran yang terjadi
saat fluida mengalir dalam pipa. Beberapa metode didekati menggunakan
persamaan matematis yang mengacu kepada teori dan ada juga yang
menggunakan pendeketan dengan menggukanan diagram-diagram agar
penggunaannya lebih praktis seperti metode Hazen William.
Salah satu contoh pendekatan secara matematis adalah metode Darcy
Weisbach. Dalam metode ini ada beberapa hal yang harus dipenuhi yaitu
faktor gesekan, panjang pipa, diameter pipa, dan kecepatan aliran. Dimensi
pipa dapat dicari dengan menghitung kebutuhan pipa dan aksesorisnya.
Diameter dan kecepatan rata-rata aliran dapat dihitung jika kita mengetahui
8
seberapa besar kapasitas yang akan kita butuhkan. Sedangkan untuk
menghitung faktor gesekan hal yang harus kita ketahui adalah kekasaran
relative bahan pipa dan Reynolds Number.
Bilangan Reynolds merupakan suatu besaran yang sangat bergantung
pada ukuran pipa, kecepatan aliran, kerapatan massa, dan viskositas. Akibat
perubahan bilangan Reynolds dapat menentukan sifat pokok aliran, yaitu
apakah laminar atau turbulen. Secara sistematis dinyatakan sebagai berikut :
Re = D V p/ u (1)
Dimana Re = Bilangan Reynolds
D = Diameter dalam pipa, (m)
V = Kecepatan aliran rata-rata, (m/s)
P = Kerapatan fluida, (Kg/m3)
u = Viskositas Absolut, (N.s/m2)
Dari percobaannya Reynolds menemukan, bahwa akan terjadi aliran
laminar apabila R ≤ 2000, aliran transisi 2000 ≤ R ≤ 4000, dan aliran turbulen
≤ 4000.
Pada persamaan Darcy-Weisbach, untuk menghitung kerugian tekanan
karena aliran digunakan persamaan sebagai berikut,:
hf = fL
D
v2
2 g (2)
dimana : hf = Kerugian tekanan karena aliran, (m)
f = faktor gesekan
L = Panjang pipa, (m)
D = Diamater dalam pipa (m)
v = velocity average (m/s)
g = Percepatan grafitasi, (m/s2)
1. Victor L. Streeter,1985, Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1, halaman 176
9
Faktor gesekan (f) adalah suatu faktor tanpa dimensi yang diperlukan
untuk membuat persamaan tersebut memberikan harga kerugian yang benar.
Oleh karena itu faktor kekasaran (f) harus tergantung pada bilangan Reynolds.
Pada persamaan Darcy Weisbach, aliran fluida yang melalui pipa
untuk daerah aliran laminar. Kerugian tekanan tidak bergantung pada
kekasaran pemukaan dalam pipa, hal tersebut terjadi karena turbulensi yang
diredam habis oleh gaya-gaya geser viskositas yang memberikan tahanan
terhadap gerakan-gerakan relatif lapisan-lapisan fluida yang bersentuhan
dengan permukaan dalam pipa. Sehingga faktor gesekan untuk aliran laminar
dalam pipa dapat ditentukan dari persamaan Hagen Poiseuille, sebagai berikut
:
hf =32 µ L v
D2 p g (3)
Dengan subtitusi persamaan (2) ke persamaan (3) , akan diperoleh :
𝑓 = 32 µ
𝐷 𝑝
2
𝑉
𝐿𝑣2
2 𝐷 𝑔
𝑓 = 64
[ 𝐷 𝑝 𝑉
µ] 𝐿
𝐷 𝑣2
2 𝑔
𝑓 = 64
𝑅 𝐿
𝐷
𝑣2
2 𝑔
(4)
Dengan membandingkan persamaan (4) dengan persamaan Darcy-
Weisbach (2) maka akan diperoleh aliran laminar :
𝑓 = 64
𝑅
(5)
2. Ibid, Victor L. Streeter, halaman 202
3. Ibid, Victor L. Streeter, halaman 204
10
Pada aliran turbulen, faktor gesekan pada aliran yang melalui pipa
disebabkan karena meningkatnya bilangan Reynolds yang mengakibatkan
tonjolan-tonjolan (kekasaran dinding pipa) menembus selaput laminar, dan
setia tonjolan mengakibatkan turbulensi yang besar sehingga memperbesar
kerugian tekanan. Untuk menyelesaikan faktor gesekan pada aliran turbulen
harus menentukan besarnya bilangan Reynolds dan menentukan faktor
kekasaran relatif (E/D) pada pipa-pipa yang dipasarkan, kemudian
menggrafikan kedua persamaan tersebut kedalam diagram moody. Untuk
harga-harga kekasaran relatif pipa dapat dilihar pada tebel kekasaran rata-rata
pipa pada tabel-tabel bahan, seperti contoh juga terdapat pada diagram moody.
Gambar 2.4 : Diagram Moody
2.4 Karakteristik Pipa
Langkah-langkah yang diperlukan untuk menggambar karakteritik pipa adalah
:
1. Menghitung kecepatan rata-rata (v), dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut
11
Q = v. A (6)
Dimana : Q = Kapasitas aliran (m3/s)
v = kecepatan rata-rata aliran (m/s)
A = Luas penampang dalam pipa (m2)
2. Menghitung kerugian aliran akibat kecepatan aliran (Hv), dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut :
Hv = v2/2.g
(7)
Dimana , Hv = velocity Headloss (m)
v = kecepatan rata-rata (m/s)
g = percepatan grafitasi (m/s2)
3. Menghitung Friction Loss dengan menggunakan persamaan Darcy
Weisbach,
𝑓 = 𝑓𝐿
𝐷
𝑣2
2 𝑔
dimana : hf = Kerugian tekanan karena aliran, (m)
f = faktor gesekan
L = Panjang pipa, (m)
D = Diamater dalam pipa (m)
v = velocity average (m/s)
g = Percepatan grafitasi, (m/s2)
4. Ibid, Victor L. Streeter, halaman 204
5. Ibid, Victor L. Streeter, halaman 204
6. Robert P. Benedict, Fundamentals of pipe flow, halaman 184
12
4. Menghitung Headloss (HL) pada aliran Discharge dengan cara
menjumlahkan friction loss (Hf) dengan Velocity loss (Hv). Headloss
dihitung berdasarkan empat besaran kapasitas dan salah satunya adalah
kapasitas 0 (pada kapasitas 0, tentu akan menghasilkan HL = 0)
5. Mengukur Geodetik head (Hg)
Geodetic Head adalah beda ketinggian dalam satuan meter, m) antara
centerline pompa dengan titik tertinggi pipa (Discharge)
6. Menjumlahkan geodetic head (Hg) dan headloss (HL) untuk setiap
besaran kapasitas, sehingga didapatkan discharge head (HD) untuk setiap
besaran dan kapasitas
7. Menggambarkan kurva HD – Q yang merupakan karakteristik pipa
Gambar 2.5 : Karakteristik perpipaan
2.5 Daya Poros dan Efisiensi Pompa
2.5.1 Daya Air
Daya air adalah energi yang secara efektif diterima oleh air dari
pompa persatuan waktu. Daya air dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
7. Ibid, Victor L. Streeter, halaman 197
13
Pw = 0.163 γ Q H (7)
Dimana, γ = Berat air persatuan Volume (kgf/liter)
Q = kapasitas aliran (m3/min)
H = head total pompa (m)
Daya air juga dinyatakan dengan persamaan :
Pw = γ Q H (8)
Dimana γ diinyatakan dalam kN/m3 dan Q dalam m
3/s.
2.5.2 Daya Poros
Daya pompa adalah besarnya daya poros yang diperlukan untuk
menggerakan pompa. Daya poros sama dengan daya air ditambah
kerugian didalam pompa. Daya poros dinyatakan dengan persamaan
sebagai berikut :
𝑃 =𝑃𝑤Ƞ
p
(9)
Dimana P = Daya poros sebuah pompa (kW)
Pw = Daya air
Ƞp = Efisiensi pompa (persen)
Harga efisiensi pompa diperoleh dari pabrik pembuatnya.
2.6 Pemilihan Penggerak Pompa
Meskipun daya poros pompa ditentukan dengan menggukanan
persamaan (9). Daya nominal dari penggerak yang dipakai untuk
menggerakan pompa harus ditetapkan dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut :
7. Sularso & Haruo Tahara,1983, Pompa dan Kompresor, halaman 53