Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin STUDI EKSPERIMENTAL PENGUKURAN HEAD LOSSES MAYOR (PIPA PVC DIAMETER ¾ ”) DAN HEAD LOSSES MINOR (BELOKAN KNEE 90° DIAMETER ¾”) PADA SISTEM INSTALASI PIPA Helmizar Dosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu E-mail:
[email protected]
Abstrak Head losses merupakan suatu fenomena rugi–rugi aliran di dalam sistem pemipaan. Head losses sangat merugikan dalam aliran fluida di dalam sistem pemipaan, karena head losses dapat menurunkan tingkat efesiensi aliran fluida. Head losses yang terjadi pada prinsipnya dapat dinyatakan dalam 2 bagian besar, yaitu head losses mayor dan head losses minor. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya nilai kekasaran relatif dari pipa PVC ¾” dan koefisien kerugian (K) pada belokan knee 90° berdiameter ¾” . penelitian ini dilakukan dengan cara melewatkan fluida air pada pipa dengan panjang tertentu, kemudian diukur selisih tekanan yang terjadi dalam bentuk head dengan menggunakan manometer. Dengan menggunakan persamaan head losses mayor dan persamaan celebrook akan didapat nilai kekasaran pipa. Untuk mendapatkan karakteristik head losses minor pada belokan knee 90° diameter ¾”, dilakukan dengan cara melewatkan fluida air pada belokan knee 90 ° diameter ¾” . dengan menggunakan persamaan head losses minor maka akan didapatkan nilai koefisien kerugian (K) yang terjadi. Hasil eksperimen menunjukan nilai kekasaran relatif dari pipa PVC ¾” sebesar 0,000562, sedangkan nilai koefisien kerugian (K) pada belokan knee 90° berdiameter ¾” sebesar 0,297920611. Kata Kunci: Head losses, kekasaran relatif, koefisien kerugian
Abstract Head losses is a phenomena of flow losses in a piping sistem. Head losses reduce the energy of the pump which generate the flow, so it could reduce the efficiency of the fluid flow. Basically, head losses could be separated into 2 part, ie mayor head losses and minor head losses. The objective of this research is find out the magnitude of the relative roughness of the ¾” PVC pipe and losses coeficient (K) at the knee 90° with ¾” diameter. This research was done by passing water throught pipe, and then measure the pressure difference by using manometer. By using mayor head losses equation and celebrook equation, we will got the pipe roughness. The minor head losses chracteristics at the knee 90° with ¾” diameter was got by passing the water throught the knee 90 ° with ¾” diameter. By using minor head losses equation, we will got the losses coeficient (K). The eksperiments result shows that the relative roughness of the ¾” PVC pipe is 0,000562, meanwhile the losses coefisient (K) at the knee 90° with ¾” diameter is 0,297920611. Key words: Head losses,relative roughness, losses coeficient
1.
PENDAHULUAN
Head losses merupakan suatu fenomena rugi– rugi aliran di dalam sistem pemipaan. Rugi–rugi aliran selalu terjadi pada sistem pemipaan dengan menggunakan berbagai macam fluida, seperti fluida cair dan gas. Pada umumnya, rugi aliran yang terbesar terjadi pada fluida cair, hal ini dikarenakan sifat molekulnya yang padat dibandingkan gas dan memiliki gesekan lebih besar terhadap media yang dilaluinya, terutama jika koefisien gesek media yang dilalui itu lebih besar, maka gesekan yang terjadi pun akan semakin besar. Head losses sangat merugikan
dalam aliran fluida di dalam sistem pemipaan, karena head losses dapat menurunkan tingkat efisiensi aliran fluida. Salah satu penyebab head losses adalah konstruksi desain dari sistem pemipaan tersebut. Jika konstruksi memiliki percabangan yang lebih banyak maka akan memperbesar rugi alirannya, selain itu aliran yang semula dalam keadaan laminar pada saat melalui pipa lurus yang koefisien geseknya besar akan berubah menjadi aliran turbulen. Kondisi aliran turbulen inilah yang dapat merugikan dalam sistem pemipaan tersebut, seperti akan menimbulkan getaran dan juga pengelupasan dinding pipa. Selain itu akibat yang paling
59
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin mendasar dengan adanya rugi-rugi aliran (head losses) ialah dapat menyebabkan besarnya energi yang dibutuhkan untuk menggerakan aliran fluida yang berdampak meningkatnya penggunaan listrik pada mesin penggerak fluida seperti pompa. Head losses (rugi aliran) sering terjadi pada sistem pemipaan untuk seluruh perusahaan, industri rumah tangga, dan tempat lainnya yang menggunakan pipa sebagai distribusi aliran fluida. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan head losses mayor pada pipa PVC lurus diameter ¾ ” dengan mencari nilai kekasaran ε. Penelitian ini juga bertujuan untuk menentukan head losses minor pada pipa PVC lurus diameter ¾ ” dengan mencari nilai koefisien kerugian (K) . Rugi-Rugi Aliran (Head Losses) Istilah head losses muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika abad ke sembilan belas, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Namun perlu diingat bahwa arti fisik dari head losses adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga 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 atau rugi-rugi aliran terbagi menjadi dua bagian, yaitu : 1. Head losses mayor (rugi mayor) adalah besar nilai kehilangan energi yang diakibatkan oleh gesekan antara fluida dengan dinding pipa lurus yang mempunyai luas penampang yang tetap. 2. Head losses minor (rugi minor) adalah besar nilai kehilangan energi aliran fluida di dalam pipa yang disebabkan oleh perubahan luas penampang jalan aliran, entrance, fitting, dan lain sebagainya. Adapun kerugian-kerugian aliran (head losses) tersebut, ialah :
• Aliran laminar, Re < 2300 • Aliran transisi, 2300 < Re < 4000 • Aliran turbulen, Re > 4000 Kehilangan energi untuk seluruh profil aliran dapat dianalisis menggunakan bilangan reynolds dan dengan persamaan yang cocok berdasarkan jenis alirannya. Besarnya selisih tekanan antara 2 titik pengukuran bisa didapat dengan menggunakan manometer, dimana persamaan yang umum digunakan adalah p f . g .h ...............................(2) Dimana : p = selisih tekanan antara 2 titik (N/m2) ρf= massa jenis fluida pada manometer (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) h = selisih tinggi permukaan pada manometer (m) V Notch Weir Untuk menghitung besarnya debit aliran air yang mengalir pada saluran air maka digunakan alat ukur v notch weir. Aliran air yang keluar dapat dihitung debitnya dengan menggunakan parameter ketinggian pada v notch weir yang terletak pada takikan berbentuk segitiga siku-siku.
2.1. Rugi Mayor Rugi mayor adalah rugi yang terjadi akibat adanya gesekan aliran fluida dengan dinding pipa pada pipa lurus. Profil aliran fluida dalam pipa ditentukan dari bilangan Reynolds, yaitu :
Re
V D .................................(1)
Dimana : ρ = massa jenis fluida (kg/m3) D = diameter pipa (m) µ = viskositas dinamik (kg/m s) V = kecepatan aliran fluida (m/s) Bilangan Reynold ini menerangkan profil aliran fluida dalam pipa yakni :
60
Gambar 1 V Notch Weir yang digunakan Persamaan yang digunakan untuk menghitung debit aliran pada V-Notch weir menggunakan persamaan berikut [1] :
Q
8 2 . g tan H 5 / 2 ...................................(3) 15 2
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Dimana Q=debit aliran air (m3/s) g=percepatan gravitasi (m/s2) θ=sudut pada takikan H=ketinggian takikan air pada V-notch Weir (m)
2
64 L V ..................................(7) hl Re D 2 .g Dimana koefisien gesekan ( f ) untuk aliran laminar adalah :
f
64 ....................................(6) Re
2.
Aliran Turbulen Head losses mayor untuk aliran turbulen dapat dihitung dengan menggunakan persamaan [2] :
hl f
Gambar 2 referensi symbol pada persamaan 3 Menurut jenis alirannya, aliran terbagi dalam 2 rezim, yaitu aliran aliran laminer dan aliran turbulen. 1. Aliran Laminar Head loss yang terjadi pada aliran fully developped yang melewati pipa lurus horizontal dinyatakan sebagai kerugian tekanan aliran fluida berkembang penuh melalui pipa penampang konstan. Pernyataan ini dapat dirumuskan dengan :
p1 p 2 hl atau .g p hl .....................................(4) .g Untuk aliran laminer, berkembang penuh pada pipa horisontal, maka penurunan tekanan dapat dihitung secara analitis, yaitu [1] : 128 L V D 2 128 L Q 4 32 L V ......(5) p D D D4 D4 Dimana : D = diameter pipa (m) µ = viskositas dinamik (kg/m s) V = kecepatan aliran fluida (m/s) Q = debit aliran fluida (m3/s) L = panjang pipa (m) Dengan memasukkan konsep angka Reynolds maka head losses mayor pada aliran laminar menjadi : 2
L V L V p 64 L V 2 64 hl . g 32 D D D 2 V D Re D 2
....................(6) Atau menjadi
L V2 ..........................(9) D 2g
Dimana : f = koefisien gesek pada pipa, didapat dari hasil eksperimen D = diameter pipa (m) g = percepatan gravitasi (m/s2) L = panjang pipa (m) V = kecepatan aliran air di dalam pipa (m) Persamaan Celebrook untuk menyatakan hubungan antara koefisien gesek dan kekasaran permukaan dari pipa pada daerah aliran transisi adalah [3] :
1 f
0,5
e/ D 2,51 ...................(10) 2,0 log 0,5 3,7 Re f
Dimana : f = Koefisien gesek yang terjadi e = Kekasaran permukaan pada pipa (m) D = Diameter pipa (m) Re= Bilangan Reynolds Rugi Minor Rugi minor adalah rugi yang disebabkan gangguan lokal seperti pada perubahan penampang, adanya katub, belokan elbow dan sebagainya. Kerugian ini dapat diketahui dari persamaan [4]
hlm K
V2 2g
Koefisien rugi (K) merupakan fungsi dari geometri dan bilangan Reynolds (Re), tetapi hampir semua komponen kehilangan energi disebabkan oleh turbulensi. Dimana : hlm =head losses minor (m) K = Koefisien rugi
2.
METODE PENELITIAN
Untuk mengetahui besarnya rugi-rugi aliran (head losses) di dalam sistem pemipaan maka dibuat alat penelitian untuk melaksanakan eksperimen seperti pada Gambar 3.
61
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Untuk memperoleh data dari percobaan maka perlu dilakukan beberapa ketentuan prosedur, yaitu perolehan data untuk mayor losses dan data untuk minor losses Mayor Losses Head losses mayor di ukur pada pipa panjang, yaitu selisih tekanan yang terjadi antara titik 9 dan titik 10. jarak antara 2 titik ini adalah 1,9m. selisih tekanan yang terjadi di ukur pada manometer raksa pada titik 2. Debit aliran divariasikan dengan mengatur bukaan valve pada titik 5. Besarnya debit yang terjadi terukur pada VNotch Weir 1. Debit yang didapat ini bisa dikonversikan menjadi kecepatan pada pipa yang di teliti.
Gambar 3 alat uji yang digunakan Adapun bagian-bagian dari alat uji ialah : 1. V Notch Weir 2. Manometer air raksa 3. Pipa PVC diameter ¾ inchi 4. Knee diameter ¾ inchi 5. Katup pengatur aliran masuk (valve) 6. Mesin pompa air 7. Bak penampungan air 8. Dudukan pipa 9. Lubang pertama tempat peletakan selang manometer 10. Lubang kedua tempat peletakan selang manometer 11. Lubang ketiga tempat peletakan selang manometer
Minor Losses Head losses minor diukur pada knee (belokan) pada titik 10 dari diagram alat. Untuk mengetahui besarnya head losses yang terjadi maka dilakukan pengukuran selisih tekanan antara titik 10 dan titik 11. Selisih tekanan ini akan dikonversikan dalam bentuk head, yang selanjutnya diubah menjadi koefisien kerugian (K) pada knee (belokan).
3.
HASIL DAN PEMBAHASAN Mayor Losses
Data head losses yang diperoleh ditampilkan pada table 1. data yang didapat tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik koefisien gesek vs bilangan Reynold
Tabel 1 Hasil perhitungan head losses mayor
62
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Gambar 4 Grafik perbandingan koefisien gesek terhadap Bilangan Reynold untuk Head Losses Mayor pada 0,000562
Tabel 2. Hasil Perhitungan Head Losses minor
Berdasarkan pada grafik Gambar 4. untuk titik tertinggi koefisien gesek pada pipa memiliki nilai 0,003774 dengan besar nilai Bilangan Reynold 33605,5824, sedangkan untuk titik terendah koefisien gesek pada pipa memiliki nilai 0,002579 dengan nilai Bilangan Reynold sebesar 24576,3436. Pada grafik Gambar 4, terlihat makin tinggi bilangan Reynold yang menunjukkan makin tinggi kecepatan, maka koefisien gesek menunjukkan trend naik. Bilangan Reynold terkorelasi dengan kecepatan, dan makin besar kecepatan yang menunjukkan makin tinggi bilangan
Reynold, maka makin besar koefisien gesek (f) yang terjadi. Dengan Persamaan Celebrook bisa dihitung angka kekasaran rata-rata dari pipa sebesar 0,000562 Minor Losses Table 2 menunjukkan hasil data yang diperoleh dari hasil eksperimen. Data tersebut digambarkan pada grafik Head losses VS bilangan Reynold pada gambar 5
63
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Gambar 5. Grafik perbandingan rugi-rugi aliran terhadap Bilangan Reynold untuk Head Losses Minor
Gambar 5 menjelaskan grafik hubungan antara Bilangan Reynold dan head losses minor yang terjadi. Pada gambar terlihat kenaikan head losses terjadi secara significant ketika aliran mencapai bilangan Reynold diantara 26000 hingga 28000. Pada grafik Gambar 5 tersebut, terlihat kenaikan Bilangan Reynold akan menyebabkan kenaikan rugi-rugi aliran (head losses minor). Rugi-rugi aliran terbesar adalah 0,040761523 dengan nilai Bilangan Reynold 33605,5824. Head losses terendah terjadi pada Bilangan Reynold 24576,3436 dengan nilai rugi-rugi aliran sebesar 0,027174349. Hasil analisa nilai koefisien head losses minor rata-rata (K) menunjukkan nilainya sebesar 0,297920611
2.
5. 1.
2. 3.
4. KESIMPULAN 1.
64
Hasil eksperimen menunjukkan nilai kekasaran rata-rata pada pipa PVC diameter ¾” adalah sebesar = 0,000562
4.
koefisien head losses minor (K) pada knee (belokan) pipa PVC diameter ¾” adalah sebesar K=0,297920611
DAFTAR PUSTAKA Fox, W.Robert, and Mc Donald, Alan T, 1998. Introductions to Fluid Mechanics, 5th edition, John Wiley and Sons, Inc., Canada. Munson, Bruce R., Young, Donald F., and Okiishi, Theodore H. 2003. Mekanika Fluida Jilid 2. Jakarta : Erlangga. H. Shames Irving, 2005. Mechanis of Fluids, 4th edition, Mc Graw Hill White, Frank M. 2003. Fluid Mechanics Fifth Edition. University Rhode Island :Mc Graw Hill.
