4
BAB II DASAR TEORI
2.1
Air Air merupakan salah satu sumber energi yang ada di bumi dengan jumlah yang
cukup banyak. Peran air sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia dengan memperhatikan kuantitas, kualitas dan kontinuitas. Untuk itu diperlukan sistem distribusi dan pengolahan air yang baik sehingga masyarakat mampu mendapatkan air bersih dengan kuantitas yang cukup untuk menunjang aktivitas sehari–hari. Menurut Permenkes RI No 416/Menkes/PER/IX/1990 pengertian air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari – hari dan dapat diminum setelah dimasak.
Sedangkan
pengertian
air
minum
menurut
Permenkes
RI
No
907/MENKES/SK/VII/2002 adalah air yang melalui proses pengolahan atau tanpa proses pengolahan yang memenuhi syarat kesehatan (bakteriologis, kimiawi, radioaktif, dan fisik) dan dapat langsung diminum. Air baku adalah air yang digunakan sebagai sumber atau bahan baku dalam penyediaan air bersih yaitu air hujan, air permukaan (air sungai, air danau/rawa), air tanah (air tanah dangkal, air tanah dalam, mata air) (Hartomo, et.al, 1994). Standar kualitas air yang ada di Indonesia saat ini menggunakan Permenkes RI No. 416/Menkes/Per/IX/1990 tentang Syarat– Syarat dan Pengawasan Kualitas Air dan PP RI No.82 Tahun 2001 tentang Pengelolaan Kualitas Air dan Pengendalian Pencemaran Air, sedangkan standar kualitas air minum menggunakan Kepmenkes RI No. 907/MENKES/SK/VII/2002 tentang Syarat-Syarat dan Pengawasan Kualitas Air Minum.
2.2 Jenis - Jenis Sumber Air Sumber air adalah hal yang sangat penting dalam penyediaan air bersih. Adapun faktor–faktor yang harus diperhatikan, meliputi kuantitas air yang harus mencukupi, dan kualitas air yang nantinya akan dikonsumsi oleh penduduk. Selain
5
hal tersebut letak sumber air juga akan mempengaruhi dalam perencanaan jaringan transmisi, distribusi dan sebagainya. Sumber – sumber air yang ada meliputi : 1.
Air hujan Air hujan mampu dijadikan air baku dalam keperluan rumah tangga
maupun, irigasi pertanian, air hujan berasal dari uap air yang mengalami kondensasi, dan jatuh ke permukaan bumi berbentuk air. Biasanya air hujan yang jatuh di atap rumah dialirkan dan ditampung kedalam bak penampungan, yang nantinya bisa dikonsumsi. 2.
Air Permukaan (Surface Water ) Air permukaan dapat diperoleh melalui air yang mengalir seperti sungai,
waduk, danau dll. Air permukaan yang mengalir seperti air sungai memiliki kualitas fisik yang kurang bagus karena tercampur dengan lumpur, jadi sebelum didistribusikan air permukaan harus diproses terlebih dahulu untuk memperbaiki kualitas kimiawi air. 3.
Air Tanah ( Ground Water ) Sumber air tanah adalah sumber air yang terjadi akibat peresapan air
kedalam tanah dan bergabung didalam pori–pori tanah. Air tanah memiliki kualitas yang cukup baik karena zat–zat pencemar air tertahan dilapisan tanah. Air tanah dapat dibagi dalam beberapa jenis antara lain :
Air Tanah Dangkal Terjadi karena adanya daya proses peresapan air dari permukaan tanah. Lumpur akan tertahan, begitupula dengan sebagian bakteri, sehingga air tanah akan jernih tetapi lebih banyak mengandung zat kimia ( garam – garam yang terlarut ).
Air Tanah Dalam Berada setelah rapat air yang pertama, cara pengambilan air tanah dalam ini dengan mengebor tanah (100 m – 300 m) dan dengan bantuan pipa dan pompa maka air tanah dalam dapat dipakai untuk pendistribusian.
6
Mata Air Mata air adalah air tanah yang keluar dengan sendirinya ke permukaan tanah. Mata air yang berasal dari air tanah dalam hampir tidak terpengaruh oleh musim.
2.3 Kebutuhan Air Bersih Kebutuhan air penduduk disetiap daerah berbeda-beda dilihat dari aktivitas penduduk sehari-hari, fasilitas yang ada, jenis gedung, dll. Tabel 2.1 Kebutuhan Air Per Orang Per Hari
Jenis Fasilitas
Populasi yang diperhitungkan Jumlah penghuni Jumlah orang di dalam gedung Jumlah orang di dalam gedung Jumlah pegawai Jumlah tempat tidur
Jumlah Kebutuhan Air RataRata 100 35
Jenis Gedung
Pemakaian Air RataRata Per Hari
Kantor Rumah sakit
100-120 250-1000
Waktu Pemakaian Air Rata-Rata (liter) 8 10
Perumahan Sekolah Hotel Perkantoran Rumah sait
70
100
50 250
70 400
Gedung bioskop dan sandiwara Toko, department store
10
3
3
8
Rumah makan Kafetaria Perumahan Hotel, losmen Sekolah dasar, sekolah lajutan Laboratorium Pabrik
15 30 160-250 150-300 40-50
7 5 8-10 10 5-6
100-200 60-140
8 8
3
15
Stasiun kereta api
Sumber : Sularso dan Tahara, 2000, hal 21
Jumlah Kebutuhan Air Maksimum 150 50
Jummlah Kebutuhan Air Maksimum (liter) Per karyawan Per tempat tidur (pasien luar : 8 ltr, karyawan : 120 ltr, perawat : 160 ltr) Per pengunjung Per pengunjung (karyawan : 100 ltr, karyawan penghuni : 160 ltr) Perpengunjung Perpengunjung Perpenghuni Per tamu Per murid Per karyawan Per orang per shift (pria : 80, wanita : 100) Per penumpang
7
Tabel 2.2. Kebutuhan Air Berdasarkan Kategori Kota
Kategori
Ukuran Kota Kota Metropolitan Kota Besar Kota Sedang Kota Kecil Kota Kecamatan Pedesaan
I II III IV V VI
Kebutuhan Air (l/orang/hari) 190 130 120 90 75 60
Sumber : DPU Dirjen Cipta Karya, 2001
2.3.1 Angka Pertumbuhan Penduduk Angka pertumbuhan penduduk dihitung dalam prosen dengan rumus :
Angka pertumbuhan (%) =
∑ 𝑃𝑒𝑟𝑡𝑢𝑚𝑏𝑢ℎ𝑎𝑛 ∑ 𝐷𝑎𝑡𝑎
× 100 %
………………. ( 2.1 )
2.3.2 Proyeksi Jumlah Penduduk Angka
pertumbuhan dalam
suatu
prosen tersebut
digunakan untuk
memproyeksikan jumlah penduduk untuk beberapa tahun mendatang. Pada kenyataannya tidak selalu tepat tetapi perkiraan ini dapat dijadikan sebagai perhitungan volume kebutuhan air di masa mendatang. Ada beberapa metode yang digunakan untuk memproyeksikan jumlah penduduk : 1. Metode Geometrical Increase :
Pn = P0 ( 1 + r )n
…………………….. ( 2.2)
Di mana :
Pn
= jumlah penduduk pada tahun ke – n
P0
= jumlah pada awal tahun
r
= persentase pertumbuhan geometrical penduduk tiap tahun.
n
= periode waktu yang ditinjau
8
2. Metode Arithmatical Increase :
Pn = P0 + nr
r=
𝑃𝑜 −𝑃𝑡 𝑡
……………………….. ( 2.3 )
……….…………….. ( 2.4 )
Di mana :
Pn
= jumlah penduduk di tahun ke – n
P0
= jumlah penduduk pada awal tahun proyeksi
Pt
= jumlah penduduk akhir tahun proyeksi
r
= angka pertumbuhan penduduk
n
= periode waktu yang ditinjau
t
= banyaknya yahun sebelum analisi
2.3.3 Fluktuasi Penggunaan Air Fluktuasi penggunaan air bersih adalah penggunaan air oleh konsumen dari waktu ke waktu dalam sekala jam, hari, minggu, bulan maupun dari tahun ke tahun yang hampir secara terus menerus. Adakalanya kebutuhan air lebih kecil, adakalanya sama dengan kebutuhan air rata-ratanya atau bahkan lebih besar dari rata-ratanya. Sesuai dengan keperluan perencanaan sistem air bersih, maka terdapat dua pengertian yang ada kaitannya dengan fluktuasi pelayanan air, yaitu : 1. Faktor hari maksimum/Maximum Day Factor Faktor perbandingan antara penggunaan air maksimum dengan penggunaan air rata-rata harian selama setahun, sehingga akan diperoleh : Q hari maks = fhm x Qhari rata-rata 2.
………………..(2.5)
Faktor Jam Puncak/Peak Hour Factor Faktor perbandingan antara penggunaan air jam terbesar dengan
penggunaan air rata-rata harian selama setahun, sehingga akan diperoleh : Qjam puncak = fjp x Q hari maks
………………….(2.6)
9
Di mana : Q hari maks = kebutuhan air maksimum pada suatu hari (liter/dt) Qjam puncak = kebutuhan air maksimum pada saat tertentu dalam sehari (liter/dt) fhm
= nilai faktor harian maksimum adalah 1 sampai dengan 1.5
fjp
= nilai faktor jam puncak adalah 1.5 sampai dengan 2.5
2.4 Konsep Dasar Aliran fluida 2.4.1
Persamaan Kontinyuitas Persamaan kontinyuitas dihasilkan dari prinsip kekekalan massa. Untuk aliran
steady melalui pipa persamaan kontinyuitas dapat dilihat dari persamaan sebagai berikut : 𝜌1 ∙ 𝐴1 ∙ 𝑣1 = 𝜌2 ∙ 𝐴2 ∙ 𝑣2
…..……………… (2.7)
Persamaan dapat ditulis dalam bentuk debit menjadi : ………………. (2.8)
𝜌1 ∙ 𝑄1 = 𝜌2 ∙ 𝑄2 Dan untuk aliran tak termampatkan (incompressible) : 𝑄 = 𝐴1 ∙ 𝑣1 = 𝐴2 ∙ 𝑣2
…………………. (2.9)
Dimana : Q = debit air (m3/dt) A = luas penampang pipa (m2) v = kecepatan aliran air (m/dt)
2.4.2 Persamaan Bernoulli Persamaan Bernoulli dapat dinyatakan sebagai berikut : 𝑝 𝑣2 + 𝑔∙𝑧+ = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝜌 2
…………………. (2.10)
10
Dalam praktek, sebagian energi biasanya berubah kedalam energi panas, baik karena gesekan maupun pembentukan ulakan dalam aliran terbuka. Energi dari fluida yang hilang dinyatakan dengan HL, dan persamaan Bernoulli dapat dinyatakan sebagai berikut : 𝑍1 +
𝑝1
𝑣2
1 + 2∙𝑔 = 𝑍2 + 𝜌∙𝑔
𝑝2
𝑣2
2 + 2∙𝑔 + ∑𝐻𝐿 𝜌∙𝑔
…………………. (2.11)
Dimana : p = tekanan statis (N/m2) v = kecepatan aliran air (m/dt) Z = ketinggian (m)
2.5
Penentuan Debit yang Tersedia Debit aliran merupakan laju aliran air ( dalam bentuk volume air ) yang
melewati suatu penampang melintang sungai per satuan waktu ( Asdak, 2002 ). Menurut (Larry, 2004) dijelaskan bahwa :
Q=v×A
…………………………..( 2.12)
Di mana :
Q = laju aliran air (m3/dt) v = kecepatan aliran air (m/dt) A = luas penampang aliran (m2) Adapun hubungan laju aliran air dengan menentukan volume dalam liter per satuan waktu, dengan persamaan : 𝑉
Q = ∆𝑡
……………………………………(2.13)
Di mana :
Q
= laju aliran air (ltr/dt)
11
𝑉 ∆𝑡
2.6
= volume air (𝑙𝑡𝑟) = perubahan waktu (d 𝑡)
Pompa Pompa adalah peralatan mekanis untuk mengubah energi mekanik dari mesin
penggerak pompa menjadi energi tekan fluida yang dapat membantu memindahkan fluida ke tempat yang lebih tinggi. Pompa dapat diklasifikasikan dalam dua macam, yaitu Pompa Perpindahan Positif (Positive Displacement Pump) dan Pompa Dinamik (Dynamic Pump). Pada Pompa Perpindahan Positif dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu Pompa Torak (Reciprocating Pump), Pompa Putar (Rotary Pump), Pompa Diafragma (Diaphragm Pump) sedangkan pada Pompa Dinamik dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump) dan Pompa Jenis Khusus (Special pump), salah satu Pompa Jenis Khusus ini adalah Pompa Hydraulic Ram (Hidram).
2.6.1 Pompa Perpindahan Positif (Positif Displacement Pump) Pompa perpindahan positif adalah pompa yang dimana energy secara periodic ditambahkan dengan gaya ke satu arah atau lebih piston atau sudu yang dapat berpindah pada suatu bidang batas tertutup, yang meningkatkan tekanan sehingga fluida dipindahkan melalui katup/valve ke saluran discharge/buang. 1. Reciproating Pump a. Piston/Plunger Pump b. Diaphragma Pump 2. Rotary Pump a. Gear Pump b. Screw Pump c. Lobe Pump d. Vane Pump e. Rotary Piston Pump f. Flexible Member Pump g. Roller Pump
12
2.6.2 Pompa Dinamik Pompa dinamik adalah pompa yang dimana energi secara kontinyu diberikan untuk meningkatkan kecepatan fluida di dalam rumah pompa yang kemudian sudusudu hantar atau ruang volute kecepatan tersebut berkurang untuk meningkatkan tekanan ke saluran buang. 1. Centrifugal Pump a. Radial Pump b. Axial Pump c. Mixed Flow Pump 2. Special Effect Pump a. Jet Pump b. Hydraulic Ram Pump
2.7 Karakteristik Pompa Dalam pemilihan pompa parameter kapasitas discharge atau laju aliran (Q) dan head total pompa (H) harus diketahui disamping karakteristik lainnya seeperti efisiensi, daya, putaran, dll.
2.7.1 Kapasitas (Q) Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa per satuan waktu. Kapasitas pompa ditentukan dari jumlah kebutuhan air untuk masyarakat. Berdasarkan persamaan kontinyuitas, maka kapasitas pompa engine adalah :
Q=
∑ 𝐾𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝐴𝑖𝑟 ∑ 𝑃𝑜𝑚𝑝𝑎× 𝑡𝑜𝑝
………………………..(2.14)
Di mana :
Q
= kapasitas pompa (m3/jam)
∑ 𝐾𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝐴𝑖𝑟 = Kebutuhan air masyarakat (m3/hari)
top
= waktu operasi pompa (jam/hari)
13
2.7.2 Head Head merupakan tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Head pada umumnya dinyatakan pada tinggi kolom air dan umumnya dalam satuan meter.
HLd
vd
Zd V0
P0
Pd
Hgd
Hgp Vi Pi
HLS Zs
Hgs VS
Ps
Gambar 2.1 Head Pompa
Persamaan energi per satuan berat fluida untuk sistem pompa Gambar 2.1 adalah : zs +
𝑃𝑠 𝛾
𝑣2
+ 2𝑔𝑠 + Hp = zd +
𝑃𝑑 𝛾
𝑣2
+ 2𝑔𝑑 + HL
………..(2.15)
Di mana :
zs = head statis elevasi isap/suction pompa (m) zd = head statis elevasi buang/ discharge pompa (m) Ps = head statis tekanan isap/ suction pompa (N/m2) Pd = head statis tekanan buang/ discharge pompa (N/m2) vs = kecepatan dinamis fluida pada ujung isap/ suction pompa (m/det) vd = kecepatan
dinamis fluida discharge pompa (m/det)
pada
ujung
Hp = head pompa (m) HL = head losses total instalasi perpipaan pompa (m)
buang/
14
Dari persamaan diatas maka head total pompa adalah :
Hp = (zd - zs) + (
𝑃𝑑− 𝑃𝑠 𝛾
) +(
𝑣𝑑 2 − 𝑣𝑠 2 2𝑔
) + HL
..........(2.16)
Unjuk kerja pompa pada umumnya digambarkan pada kurva Q-H, seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kurva Unjuk Kerja Pompa
2.7.3 Daya 2.7.3.1 Water Horse Power Daya output pompa (Water Horse Power =WHP) adalah daya efektif yang merupakan fungsi dari kapasitas dan head pompa, yang dihitung dengan persamaan : Pp = 𝛾. 𝑄. 𝐻𝑝
……………….(2.17a)
Pe = 𝛾. 𝑄𝑎𝑐𝑡 . 𝐻𝑒 = 𝑃𝑠ℎ . 𝜂𝑜𝑝
……….………(2.17b)
𝑃
𝑒 WHP = 745
……….………(2.17c)
Di mana : Pp
= daya air pompa (watt)
WHP = daya air pompa/Water Horse Power (HP) Pe
= daya output/efektif pompa (watt)
𝛾
= berat jenis air (N/m3)
15
Q
= kapasitas pompa (m3/det)
Hp
= head total pompa (m)
𝜂𝑜𝑝
= efisiensi total pompa
2.7.3.2 Shaft Power EL = (Pm)
SHP
Motor
P
Gambar 2.3 Daya Pompa
Daya poros adalah daya yang masuk pada poros pompa yang diberikan oleh mesin penggerak mula (prime - mover), seperti terlihat pada gambar 2.2 . …………..(2.18)
SHP = Psh = Hp × Q × 𝛾 / 𝜂𝑜𝑝 Pmot = Pem / 𝜂𝑡 Plis = Pm / 𝜂𝑚𝑜𝑡
...…………(2.19) ………………(2.20)
Di mana : Pmot = daya motor/ prime – mover (watt) Plis
= daya listrik untuk motor (watt)
𝜂𝑜𝑝
= efisiensi total pompa
𝜂𝑡
= efisiensi transmisi
𝜂𝑚𝑜𝑡 = efisiensi motor
16
2.7.4 Efisiensi 2.7.4.1 Efisiensi Hidrolis Efisiensi hidrolis adalah efisiensi yang disebabkan oleh adanya kerugian head akibat gesekan antara partikel fluida dengan dinding rumah pompa. 𝐻𝑒
𝜂ℎ = 𝜂
ℎ 𝐻𝑖
=
𝐻𝑖 − ∆ℎ𝑝 𝐻𝑒 + ∆ℎ𝑝
=
𝐻𝑒 𝐻𝑖ℎ
……………………(2.21)
2.7.4.2 Efisiensi volumetris Efisiensi volumetris adalah efisiensi yang disebabkan oleh adanya kebocoran sejumlah (QL) fluida dari dalam rumah pompa keluar, misalnya lewat seal-seal pompa. 𝜂𝑣 =
𝑄𝑎𝑐𝑡 𝑄𝑖
=
𝑄𝑎𝑐𝑡 𝑄𝑎𝑐𝑡 + 𝑄𝐿
……………………..(2.22)
2.7.4.3 Efisiensi Mekanis Efisiensi mekanis adalah efisien akibat kerugian gesekan antara bantalan dan poros pompa. 𝜂𝑚 =
𝑃𝑖 𝑃𝑠ℎ
=
𝑃𝑠ℎ − 𝑃𝑚𝑓 𝑃𝑠ℎ
……………….(2.23)
2.8 Pompa Hidram Pompa Hidram adalah pompa yang bekerja secara otomatis tanpa menggunakan energi listrik yaitu dengan memanfaatkan energi dari aliran air untuk mengangkat air dari sumber ke tempat penampungan air (Jenings, 1996). Energi aliran air yang dimaksud adalah energi potensial dari ketinggian tertentu yang dikonversikan menjadi energi kinetik yang berupa kecepatan air kemudian dikuatkan dengan terjadinya efek palu air atau water hammer. Keuntungan pompa hidram adalah tidak memerlukan aliran listrik, bahan bakar, serta motor penggerak untuk pengoprasiannya. Disamping itu perawatannya tidak memerlukan keterampilan khusus dan mudah dalam pembuatannya.
17
2.8.1 Komponen Utama Pompa Hidram
Gambar 2.4 Komponen Utama Pompa Hidram (sumber : Tessema, 2000, hal 3)
Komponen utama pompa hidram adalah sebagai berikut : 1. Badan pompa (hydram body) 2. Katup limbah (impulse valve) 3. Katup udara (snifer valve) 4. Katup tekan (delivery valve) 5. Tabung udara (air chamber) 6. Pentil udara (relief valve)
18
2.8.2 Prinsip Kerja Pompa Hidram
k
f Gambar 2.5 Skema Instalasi Pompa Hidram Secara Umum
Air mengalir ari sumber (a) melalui pipa penggerak (c) ke badan pompa (g) dan keluar melalui katup limbah (f) yang terbuka. Aliran air terus menerus akan bertambah hingga maksimum dan tekanan dalam pipa penggerak juga bertambah sehingga mampu mengangkat katup limbah (f) dan katup limbah akan tertutup. Katup limbah yang menutup secara tiba-tiba tersebut akan menyebabkan aliran air pada pipa penggerak akan terhenti, hal ini akan menimbulkan efek palu air sehingga air masuk ke tabung udara (j) melalui katup tekan (i). Air yang masuk ke tabung udara akan menekan udara yang ada didalam tabung sehingga tekanan udara dalam tabung akan naik. Tekanan dalam tabung udara ini akan menutup katup tekan dan menekan air ke bak penampungan (n) melalui pipa penghantar (m). Palu air dari badan pompa sebagian dikurangi dengan mengalirkan air ke tabung air dan sebagian lagi kembali ke pipa penggerak sehingga menyebabkan katup limbah terbuka (karena beratnya sendiri). Katup limbah yang terbuka menyebabkan air dari sumber air mengalir kembali melalui pipa penggerak keluar melalui katup limbah yang terbuka dan siklus terulang kembali.
19
2.8.3 Kapasitas Pompa Hidram Waktu yang diperlukan selama akselerasi dari aliran tidak konstan (Young, 1997), yaitu : 𝑣
𝐿
𝑇𝑎 = 𝐾1 ∙ 2𝑔𝑐 ∙ 𝐻
……………. (2.24)
𝑠
Dimana : Ta
= Waktu akselerasi (dt)
vc
= Kecepatan air di pipa penggerak untuk menutup katup limbah (m/dt)
L
= Panjang pipa penggerak (m)
Hs
= Ketinggian sumber air (m)
K1
= Fungsi dari rasio kecepatan
Volume air keluar dari katup limbah, yaitu : 𝐴𝑠 ∙ 𝑣𝑐2 𝐿 ] 𝑉𝑎 = 𝐾2 [ 𝑔 𝐻
…………………. (2.25)
Dimana :
Rasio kecepatan, 𝑎 =
Va
= Volume air keluar katup limbah (m3)
As
= Luas penampang pipa penggerak (m3)
K2
= Fungsi dari rasio kecepatan
𝑣𝑐 𝑣𝑝0
yaitu : (1+𝑎)
𝐾1 =
𝑙𝑛[(1−𝑎)]
…………………. (2.26)
𝑎
Dan, 𝐾2 =
𝑎𝐾1 ] 2 𝑎2
𝑙𝑛[𝑐𝑜𝑠
…………………. (2.27)
Waktu pemompaan (Young, 1997), yaitu : 𝑇𝑝 =
2𝑁𝐿 𝑐
Dimana : Tp
= Waktu pemompaan (dt)
…………………. (2.28)
20
N
= Jumlah denyutan tiap detik
c
= Kecepatan gelombang tekanan (m/s)
Volume pemompaan tiap siklus, yaitu : 𝑉 𝑣2
𝑉𝑞 = 2 𝑑𝐻𝑐
…………………. (2.29)
𝑔 𝑑
Dimana : Vq
= Volume pemompaan tiap siklus (m3)
Vd
= Volume pipa penggerak (m3)
Hd
= Tinggi pemompaan (m)
Total waktu siklus dengan asumsi waktu recoil nol, yaitu : 𝑇𝑜 = 𝑇𝑎 + 𝑇𝑝
…………………. (2.30)
Dimana : To
= Total waktu satu siklus (dt)
Kapasitas air keluar katup limbah (Young, 1997), yaitu : 𝑣𝑎 …………………. (2.31) 𝑄𝑤 = 𝑇𝑜 Dimana : Qw
= Kapasitas air yang keluar dari katup limbah (dt)
Kapasitas air hasil pemompaan, yaitu : 𝑉
𝑄𝑑 = 𝑇𝑞
…………………. (2.32)
𝑜
Dimana : Qd
= Kapasitas air hasil pemompaan (m3/dt)
Sehingga kapasitas air yang keluar dari sumber air yaitu : 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑤 + 𝑄𝑑
…………………. (2.33)
Dimana : Qtot
= Kapasitas total air dari sumber (m3/dt)
21
2.8.4
Efisiensi Pompa Hidram Daya yang dibutuhkan untuk menaikan air adalah berbanding lurus dengan laju
alir volumetris (kapasitas) air yang dipompa dikalikan dengan ketinggian pemompanya. Demikian juga daya yang tersedia pada aliran air yang disuplai untuk mengoprasikan pompa hidram berbanding lurus dengan besarnya laju volumetris air yang disuplai dikalikan dengan suplainya. Pompa hidram bekerja dengan memanfaatkan daya yang tersedia tersebut untuk membawa aliran ke tempat yang lebih tinggi. Sehingga efisiensi total pompa hidram dinyatakan sebagai persamaan DAubuission, adalah sebagai berikut : 𝜂𝑡𝑜𝑡 =
𝑄𝑑 𝐻𝑑 (𝑄𝑑 +𝑄𝑤 )𝐻𝑠
100%
…………………. (2.34)
Dimana : Qd
= Kapasitas air hasil pemompaan (m3/dt)
Qw
= Kapasitas air yang keluar dari katup limbah (m3/dt)
Hd
= Tinggi pemompaan (m)
Hs
= Ketinggian sumber air (m)
Setelah pompa hidram dapat bekerja menyuplai air pada ketinggian tertentu, unjuk kerja yang penting dicapai adalah efisiensi volumetris. Efisiensi volumetris merupakan indikataor nyata menunjukan seberapa besar pemanfaatan daya yang tersedia untuk memperoleh air dalam volume yang sebesar-besarnya.
𝜂𝑉 =
2.9
𝑄𝑑 𝑄𝑆
100% = (𝑄
𝑄𝑑
𝑑 +𝑄𝑤 )
100%
…………. (2.35)
Sistem Perpipaan Sistem perpipaan sangat penting bagi sistem air bersih dimana sistem
perpipaan merupakan media untuk mengalirkan air. Pada sistem air bersih sistem perpipaan meliputi pipa transmisi, pipa distribusi, perlengkapan pipa (valves, fittings, flanges, dll).
22
2.9.1 Sistem Transmisi Air Bersih Sistem transmisi air adalah sistem yang berfungsi mengalirkan air dari sumber air menuju titik awal distribusi/reservoir. Perencanaan pipa transmisi diusahakan lurus/tanpa belokan tajam, karena akan menambah head loss.
2.9.2 Sistem Distribusi Air bersih Sistem distribusi air adalah sistem yang langsung berhubungan dengan konsumen, yang mempunyai fungsi pokok mendistribusikan air yang telah memenuhi syarat ke seluruh daerah pelayanan. Sistem ini meliputi unsur perpipaan dan perlengkapan, tekanan yang tersedia, sistem pemompaan (bila diperlukan), dan reservoir distribusi ( Damanhuri, 1989).
2.9.3 Jenis-Jenis Pipa Secara umum jenis-jenis pipa yang digunakan pada sistem transmisi dan distribusi adalah : 1. Cast iron 2. Baja (steel) 3. Beton (concrete), 4. Asbestos cement 5. Plastic a. low density polythene pipe (LDP) b. high density polythene pipe (HDP) 6. Polyvinyl Chloride Pipe (PVC /Unplasticed)
2.9.4 Head Losses Head kerugian yang terjadi pada instalasi pompa terdiri atas head kerugian gesek di dalam pipa dan head kerugian di dalam acsesories perpipaan seperti belokan-belokan, reducer/diffuser, katup-katup dan sebagainya. 1.
Kerugian karena gesekan dalam pipa (mayor losses) Kerugian ini dihitung pada jalur perpipaan lurus dengan panjang tertentu.
Semakin panjang jalur perpipaannya, maka makin besar pula kerugian yang
23
terjadi. Misalnya pada jalur perpipaan dari rumah pompa hingga tangki penampungan yang berjarak puluhan kilometer (Menon, 2005). Rumus umum untuk menentukan kerugian energi pada pipa lurus adalah denngan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach sebagai berikut : ℎ𝑓 = 𝑓 ∙
𝑣2
𝐿
∙ 𝐷 2∙𝑔
…………………. (2.36)
Dimana : hf = Kerugian gesek dalam pipa (m) f = Koefisien kerugian gesek L = Panjang pipa (m) g = Percepatan grafitasi (m/dt2) v = Kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/dt2)
Untuk aliran laminar dan turbulen, dapat digunakan bilangan Reynold (Re) sebagai acuan untuk menentukan sifat alirannya. 𝑅𝑒 =
𝑣∙𝐷
…………………. (2.37)
𝜐
Dimana : Re = Bilangan Reynold v = Kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/dt) D = Diameter dalam pipa (m) 𝜐 = Viskositas kinematik zat cair (m2/dt) pada Re < 2300, aliran bersifat laminar pada Re > 4000, aliran bersifat turbulen Dalam aliran laminar, koefisien gesek untuk pipa (f ) dari persamaan dapat dinyatakan dengan : 64
𝑓=𝑅
…………………. (2.38)
𝑒
Dalam aliran turbulen, koefisien gesek untuk pipa dapat digunakan diagram moody.
24
2.
Kerugian dalam jalur pipa (minor losses) Minor losses adalah kerugian energi yang terjadi pada komponen-
komponen pipa yang mana besar kerugiannya umumnya relatif kecil bila dibandingkan dengan kerugian energi pada pipa lurus. Namun pada suatu sistem perpipaan yang kompleks seperti pada kilang minyak, minor losses yang terjadi besarnya mungkin sama besar dengan kerugian energi pada pipa lurus sehingga harus diperhitungkan dalam perencanaan sistem perpipaan. Umumnya minor losses dihitung berdasarkan panjang equivalen dari komponen-komponen perpipaan ataupun menggunakan koefisien hambatan atau faktor K yang dikallikan dengan energi kecepatan V2/2g. 𝑣2
ℎ𝑓 = 𝑘 ∙ 2∙𝑔
………………… (2.39)
Dimana : k
= Koefisien kerugian gesek
g
= Percepatan gravitasi (m/dt2)
v
= Kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/dt)
Adapun komponen-kmponen perpipaan yang termasuk dalam kategori minor losses adalah sebagai berikut :
2.9.5 Katup dan Sambungan (Valves and Fittings) Sistem perpipaan air mencakup beberapa perlengkapan sebagai bagian dari sitem perpipaan. Katup, sambungan, dan perlengkapan-perlengkapan lain dgunakan di dalam sistem perpipaan untuk mencapai beberapa criteria dari operasi perpipaan. Katup bisa digunakan untuk menghubungkan antara jalur perpipaan dan fasilitas penampungan begitu pula antara sistem pemompaan dengan tangki penampungan. Menurut (Soegiharto) pengertian katup sendiri adalah komponen yang dapat digunakan untuk membuka, menutup, mengurangi, mengontrol, menstabilkan fluida terhadap suhu, tekanan dan melindungi peralatan proses dari kerusakan. Ada banyak jenis katup, dimana setiap katup mempunyai fungsi khusus masing-masing, yang dapat dilihat pada tabel berikut.
25
Tabel 2.3 Jenis Katup Beserta Fungsinya
No.
Jenis Katup
Fungsi Katup
1.
Katup Gerbang (Gate Valve)
Membuka atau menutup aliran, dapat terbuka sebagian atau seluuruhnya. Namun sebaiknya tidak untuk mengatur aliran.
2.
Katup Globe (Globe Valve)
Membuka atau menutup aliran sepenuhnya.
3.
Katup Sudut (Angle Valve)
Mengatur aliran
4.
Katup Bola (Ball Valve)
Membuka atau menutup aliran sepenuhnya.
5.
Katup Sumbat (Plug Valve)
Membuka atau menutup aliran sepenuhnya.
6.
Katup Jarum (Needle Valve)
Mengatur aliran.
7.
Katup
Diafragma
(Diaphargm Mengatur, membuka maupun menutup aliran.
Valve)
Menghasilkan aliran tanpa riak.
8.
Katup Cek (Check Valve)
Mencegah aliran balik.
9.
Katup Pengatur (Control Valve), Mengatur tekanan, dimana tekanan dikurangi terdapat dua jenis yaitu Swing dan untuk menjaga terus tekanan tertentu pada Check Valve dan Horizontal Lift
bagian yang lebih kecil.
Check Valve 10.
Katup kupu-kupu (Buterfly Valve)
11.
Katup Pelepas Udara (Air Relief Untuk melepaskan udara yang terperangkap di Valve)
Mengatur aliran.
dalam aliran dan mencegah terbentuknya kantung udara.
12.
Katup Pelepas Tekanan (Pressure Untuk Relief Valve)
melindungi
fasilitas
dan
sistem
perpipaan dari kelebihan tekanan akibat gangguan yang terjadi pada sistem.
Sumber : (Raswari, 1986 dan T. Christopher Deckinson, 1999)
Sedangkan untuk sambungan umumnya adalah menggunakan siku (elbow) dan T (tee). Tee di bagi menjadi dua yaitu tee plane dan tee-Y, seperti pada gambar 2.3. Untuk tabel panjang ekuivalen katup dan sambungan, akan dilampirkan disini.
26
Tabel 2.4 Panjang Equivalen Dari Katup Dan Sambungan
Deskripsi
L/D
Katup Gerbang
8
Katup Globe
340
Katup Sudut
55
Katup Bola
3
Katup sumbat
18
Katup Cek Berayun
90
Katup Cek Angkat
100
Siku Standar 90°
30
45°
16
90° dengan radius panjang
16
T standar Melalui jalur utama
20
Melalui cabang
60
Sumber : (Menon, E.S, 2005)
Tee T
Tee Y Gambar 2.6 Jenis – Jenis Tee
Sumber : (www.azpartsmaster.com dan www.alibaba.com)
2.9.6 Pembesaran dan Pengecilan Pipa Pembesaran dan pengcilan pipa ikut menyumbang losses dalam bentuk minor losses. Dimana pembesaran ataupun pengecilan pipa dapat dibedakan menjadi dua yaitu pembesaran dan pengecilan secara tiba-tiba ataupun pembesaran dan pengcilan secara gradual (membentuk sudut).
27
D1 D2
Sudden pipe enlargement
D2
D1
Sudden pipe reduction
Gambar 2.7 Pembesaran Dan Pengecilan Pipa Secara Tiba-Tiba Sumber : (Menon, E.S, 2005)
Tabel 2.5 Koefisien Pembesaran Pipa Secara Tiba-Tiba
A1/A2 Cc
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.585 0.624
0.632
0.643
0.695
0.681
0.712
0.755
0.813
0.892
1.000
Sumber : (Menon, E.S, 2005)
Tabel 2.6 Koefisien Pengecilan Pipa Secara Tiba-Tiba
A1/A2
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Cc
0.50
0.48
0.45
0.41
0.36
0.29
0.21
0.13
0.07
0.01
0
Sumber : (Sularso dan Haruo Tahara, 1983)
Pada pembesaran dan pengecilan pipa secara tiba-tiba dapat dilihat pada gambar 2.7. Sehingga head loss dapat dicari dengan : 1
𝑣22
𝑐
2𝑔
ℎ𝑓 = (𝐶 − 1)
……………….(2.40)
28
Pada pembesaran dan pengecilan pipa secara gradual dapat dilihat pada gambar 2.8. Sehingga head loss dapat dicari dengan : ℎ𝑓 =
𝐶𝑐 (𝑣1 − 𝑣2 )2 2𝑔
………………...(2.41)
Gambar 2.8 Pembesaran Atau Pengecilan Pipa Secara Gradual Sumber : (Menon, E.S, 2005)
Gambar 2.9 Diagram Koefisien Pembesaran Pipa Secara Gradual Sumber : (Menon, E.S, 2005)
2.9.7 Reservoir Reservoir adalah bangunan yang berfungsi untuk mengatasi beban puncak, menampung air yang telah diolah dan memberi tekanan. Jenis reservoir meliputi : 1. Ground Reservoir Bangunan prnampung air bersih yang terletak di bawah permukaan tanah. 2. Elevated Reservoir Adalah bangunan penampung air bersih yang terletak di atas tanah dengan ketinggian tertentu sehingga tekanan air pada titik terjauh masih tercapai.
29
2.9.7.1 Volume Tanki Reservoir Volume tanki reservoir yang akan dibuat pada sistem air bersih yaitu : Vtanki = 30% x Kebutuhan air penduduk
2.10
…………….(2.42)
Software Epanet 2.0 dalam Sistem Air Bersih Epanet adalah program komputer yang menggambarkan simulasi hidrolis dan
kecenderungan kualitas air yang yang mengalir di dalam jaringan pipa (User Manual Epanet 2.0, 2000). Jaringan itu sendiri terdiri dari pipa, node (titik koneksi pipa), pompa, katup, dan tanki air atau reservoir. Epanet menjajaki aliran air di setiap pipa, kondisi tekanan air di setiap titik dan kondisi konsentrasi bahan kimia yang mengalir didalam pipa selama dalam periode pengaliran dan juga mampu mensimulasi umur air (water age).
2.10.1 Data input dan Output pada Epanet 2.0 1. Komponen – Komponen Fisik Node pada Epanet adalah : a. Sambungan (junction) Sambungan (junction) adalah titik pada jaringan dimana link-link bertemu dan dimana air memasuki atau meninggalkan jaringan. Input dasar yang dibutuhkan bagi sambungan (junction) adalah:
Elevasi (m)
Kebutuhan air (liter/dt)
Kualitas air
Output :
Head hidrolis (m)
Tekanan (Pressure)
Kualitas air
30
b. Reservoir Reservoir pada Epanet adalah sumber air yang berasal dari luar, biasanya berupa sungai, waduk, danau, air bawah tanah dan sumber air yang berkaitan. Input :
Elevasi (m)
Output :
Kebutuhan air (Demand) (liter/dt)
Head (m)
Tekanan (Pressure)
c. Tanki Reservoir Tanki merupakan tempat penyimpanan air, dimana volume dalam air dapat berubah – ubah sepanjang waktu simulasi. Input :
Elevasi dasar tangki (m)
Diameter tangki (m)
Tinggi air minimal, maksimal, dan saat awal (m)
Kualitas air
Output :
Total head (m)
Kualitas air
d. Pipa Epanet mengasumsikan bahwa pipa selalu penuh setiap saat. Input :
Diameter pipa (mm)
Panjang pipa (m)
Koefisien kekasaran pipa
Kondisi pipa ( open, close, atau terpasang check valve )
Output :
Laju aliran (Flow) (liter/dt)
31
Kecepatan (Velocity) (m/dt)
Kehilangan tekanan (Head loss) (m)
Friction factor
Kehilangan tekanan (head loss) akibat gesekan air dengan dinding pipa pada Epanet 2.0 dapat dihitung menggunakan persamaan HazenWilliams, Darcy-Weisbach atau Chezzy-Manning.
a. Persamaan Chezzy-Manning Persamaan Chezzy-Manning banyak digunakan pada aliran saluran terbuka. HL
4,66 n 2 LQ 2 D 533
…………………. (2.43)
Dimana :
HL = head loss dalam (m) Q
= debit aliran dalam (liter/dt)
L
= panjang pipa dalam (m)
D
= diameter pipa dalam (mm)
n
= koefisien kekasaran Manning
b. Persamaan Darcy-Weisbach Persamaan Darcy-Weisbach banyak digunakan secara teoritis. Dapat diaplikasikan untuk semua jenis cairan. Menurut (Menon, E.S, 2005), nilai Hf adalah: Hf f
Lv 2 d 2g
Dimana :
Hf g L d v f
= head loss (m) = percepatan gravitasi (m/s2) = panjang pipa (m) = diameter pipa (mm) = kecepatan aliran (m/s) = faktor gesekan
…………………. (2.44)
32
c. Persamaan Hazen-Williams Persamaan Hazen-Williams biasanya dipakai untuk menghitung kerugian head pada pipa yang relativ panjang, tidak dapat digunakan untuk caiaran selain air dan hanya untuk aliran turbulen. HL
4,727 LQ1,852 C 1,852 D 4,871
…………………. (2.45)
Dimana :
HL
= headloss dalam (m)
Q
= debit aliran dalam (liter/dt)
L
= panjang pipa dalam (m)
D
= diameter pipa dalam (mm)
C
= koefisien kekasaran (faktor Hazen-Williams)
Tabel 2.7 Koefisien Kekasaran Pada Pipa
Material
Hazen-Williams
Darcy-Weisbach
C
𝜺 (unitless)
Chezzy-Manning (unitless)
3
(Feet x 10 )
Cast iron
130 - 140
0.85
0.012 – 0.015
Concrete or
120 -140
1.0 – 10
0.012 – 0.017
120
0.5
0.015 – 0.017
Plastic
140 - 150
0.005
0.011 – 0.015
Steel
140 - 150
0.15
0.015 – 0.017
concrete lined Galvanized iron
Vatrivied clay
110
0.013 – 0.015
e. Pompa Data pompa yang dimasukkan adalah kurva pompa, yaitu : Input :
Laju aliran (flow) (liter/dt)
Head pompa (m)
33
f. Valve Valve berfungsi utuk mengatur tekanan atau laju aliran pada titik khusus pada sistem air. Input :
Diameter valve (mm)
Tipe valve dan setting sesuai jenis katupnya
Kondisi valve ( open, close, none )
Output :
Laju aliran (flow) (liter/dt)
Kecepatan (velocity) (m/dt)
Kehilangan tekanan (Headloss) (m)
2. Komponen –Komponen non-fisik a.
Pola Waktu (Time Pattern) Pola waktu (Time Pattern) berupa kumpulan faktor pengali yang dapat diaplikasikan sebagai kuantitas yang bervariasi terhadap waktu.
b.
Kurva (Curve) Kurva adalah objek yang mengandung rangkaian data yang menjelaskan hubungan antara dua besaran. Kurva pada Epanet 2.0 terdiri dari :
c.
pump curve
head curve
volume curve
efisiensi curve
Kontrol (Controls) Controls adalah pernyatan yang menjelaskan bagaimana sistem dioperasikan sepanjang waktu. Secara khusus terdiri dari status dari link yang terpilihsebagai fungsi dari waktu, level air pada tanki, dan tekanan pada titik terpilihdalam sistem air.
