ANALISIS KEKASARAN PERMUKAAN RATA-RATA...
Transcript of ANALISIS KEKASARAN PERMUKAAN RATA-RATA...
SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 137
ANALISIS KEKASARAN PERMUKAAN RATA-RATA DINDING BAGIAN DALAM PIPA
GALVANIZED IRON PIPE (GIP) DIAMETER NOMINAL 1 INCHI
DENGAN FLUIDA KERJA AIR BERSIH
Yohanes Agus Jayatun
Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Nasional (STTNAS)
Jl. Babarsari, Catur Tunggal, Depok, Sleman, Yogyakarta
Email : [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Salah satu hal yang mempengaruhi besarnya rugi tekanan aliran air di dalam pipa adalah kekasaran permukaan
dinding pipa bagian dalam. Rumus yang digunakan untuk menghitung nilai itu diberikan oleh Hagen-Poiseuille untuk aliran
laminar. Untuk sembarang jenis aliran, baik laminar maupun turbulen, rumus yang digunakan diberikan oleh Darcy-
Weisbach dan Hazen-William. Aliran air di dalam pipa, yang banyak digunakan pada keperluan sehari-hari, hampir
seluruhnya berupa aliran turbulen. Dengan demikian di dalam praktek sehari-hari, rumus Darcy-Weisbach dan Hazen-
William digunakan secara luas.
Penelitian ini bertujuan untuk mevalidasi kembali nilai kekasaran permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa
Galvanized Iron Pipe (GIP) sehingga penghitungan rugi tekanan yang dikenakan pada instalasi air bersih yang menggunakan
rumus Darcy-Weisbach dapat semakin dipertanggungjawabkan. Benda uji yang digunakan adalah pipa Galvanized Iron Pipe
(GIP) kelas medium diameter nominal 1 inchi. Fluida kerja yang digunakan adalah air bersih. Data yang digunakan untuk
menganalisis kekasaran rata-rata permukaan dinding pipa bagian dalam, adalah debit aliran dan penurunan tekanan aliran.
Pengambilan data dilakukan pada aliran air bersih didalam pipa yang digunakan sebagai Benda Uji, yang berupa debit dan
beda tekanan antara upstream dan downstream. Kekasaran permukaan rata-rata dicari melalui Diagram Moody setelah factor
gesekan dihitung berdasarkan rumusan Darcy-Wiesbach
Hasil penelitian menunjukan nilai kekasaran permukaan rata-rata Benda Uji jauh menyimpang dari yang tertera di
Diagram Moody, dan nilai itu berkorelasi dengan reynold number, sehingga hasil penelitian ini tidak layak digunakan
sebagai acuan perhitungan rugi tekanan aliran air di dalam pipa GIP berdasarkan rumus Darcy-Weisbach karena nilainya
tidak menunjukan nilai kekasaran permukaan rata-rata yang konstan.
Kata kunci : rugi tekanan, aliran dalam pipa, aliran laminar, aliran turbulen, kekasaran permukaan rata-rata, Galvanized Iron
Pipe (GIP).
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kekasaran permukaan rata-rata dinding pipa
bagian dalam sangat mempengaruhi besarnya ta-
hanan aliran (rugi tekanan) pada aliran fluida di
dalam pipa. Pada diagram Moody besarnya keka-
saran permukaan rata-rata itu, untuk pipa
galvanized iron adalah 0,15 mm. Besarnya rugi
tekanan dapat dihitung dengan rumus yang
diberikan oleh Darcy Weisbach atau dengan
diagram yang diberikan oleh Hanzen William.
Kekasaran permukaan rata-rata sangat dipe-
ngaruhi oleh teknologi pembuatan pipa. Dewasa ini
teknologi pemuatan pipa sudah sangat maju se-
hingga terbuka kemungkinan besarnya nilai keka-
saran permukaan rata-rata berbeda dengan yang
disajikan pada diagram Moody. Oleh karena itu
perlu dilakukan penelitian besarnya kekasaran
permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa
pada produk pipa yang dibuat pada saat ini, agar
perhi-tungan rugi tekanan aliran di dalam pipa
dapat dilakukan sesuai dengan nilai kekasaran
permukaan rata-rata yang riil, tidak hanya
berdasarkan informasi yang termaktub pada
diagram Moody.
Perumusan Masalah
Permasalah utama pada penilitian ini adalah
informasi nilai kekasaran permukaan rata-rata
dinding dalam pipa selalu mengacu pada informasi
yang termaktub di diagram Moody. Sementara
teknologi pembuatan pipa semakin maju sehingga
terbuka kemungkinan nilai itu berbeda dan
cenderung lebih kecil.
Besarnya nilai kekasaran itu dapat didekati
dengan mengukur rugi tekanan pada aliran di dalam
pipa serta mengukur kekasaran denga roughness
meter. Pengukuran rugi tekanan dilakukan dengan
mengalirkan sir bersih pada pipa GIP NPS 1” de-
ngan berbagai debit. Dari data yang didapat ,
dengan rumus yang diberikan Darcy Weisbach
maka dapat dihitung nilai kekasaran permukaan
rata-rata itu.
Hasil perhitungan berdasarkan rugi tekanan
dan pengukuran langsung dibandingkan dan ha-
silnya digunakan untuk membuat diagram seba-
gaimana diagram Hanzen William.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian adalah
a. Mengetahui nilai kekasaran permukaan rata-rata
dinding dalam pipa GIP
b. Membandingkan nilai itu dengan yang
termaktub di diagram Moody
SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 138
Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan lingkup pipa-pipa
GIP NPS 1” yang dijual di pertokoan di kota
Yogyakarta.
Batasan penelitian adalah :
1. Benda uji adalah pipa Galvanized Iron Pipe
(GIP) kelas medium dengan diamater nominal 1
inchi.
2. Jumlah benda uji 10 batang yang masing-
masing mempunyai panjang seksi uji 215 cm.
3. Fluida kerja adalah air bersih yang mempunyai
massa jenis 1000 kg/m3 dan viskositas kine-
matik 1 cSt.
Aliran Laminar,Turbulen& Reynold Number
Jenis aliran fluida ( cair ) yang mengalir di
dalam pipa, karena sifat fisisnya dapat berupa aliran
laminar atau turbulen. Aliran laminar terbentuk
apabila lintasan alir partikel-partikel fluida yang
mengalir tidak saling berpotongan. Aliran turbulen
terbentuk apabila lintasan alir partikel-partikel
fluida yang mengalir saling berpotongan. Secara
numerik aliran disebut laminar apabila nilai reynold
number (Re) lebih kecil dari 2000, dan disebut
turbulen apabila nilai Re lebih besar dari 4000.
Apabila nilai Re diantara 2000 – 4000 disebut
daerah kritis.
Besarnya Re dapat dihitung dengan rumus :
(1) ( 2.1 )
dengan :
: bilangan reynold (tanpa dimensi)
: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
: diameter dinding bagian dalam pipa (m)
: massa jenis fluida alir (kg/m3)
: viskositas absolut (Pa.s)
Rugi Tekanan Aliran Fluida Cair Di Dlm Pipa
Gesekan yang terjadi antar partikel fluida dan
antara dinding dalam pipa dengan fluida alir disebut
rugi tekanan. Besarnya rugi tekanan pada aliran
fluida di dalam pipa tergantung dari jenis aliran itu.
Darcy-Weisbach memberikan rumus untuk meng-
hitung rugi tekanan aliran fluida di dalam pipa,
untuk semua jenis aliran, yakni :
(2) ( 2.2 )
dengan :
: rugi tekanan aliran fluida di dalam pipa (m)
: faktor gesekan Darcy-Weisbach
Bila aliran turbulen, factor gesekan Darcy-
Weisbach dapat dibaca pada Gambar 1
yang berupa gambar diagram Moody,
Bila aliran laminar, factor gesekan Darcy-Weisbach
(3)
Gambar 1. Diagram Moody
Nilai factor gesekan pada aliran turbulen
merupakan besaran tanpa dimensi yang niainya
tergantung dari reynold number dan kekasaran
relative permukaan dinding pipa bagian dalam.
Kekasaran relatif merupakan perbandingan
kekasaran permukaan rata-rata terhadap diameter
dalam pipa.
Kekasaran Permukaan Rata-rata Dinding
Bagian Dalam Pipa
Gambar 2. Permukaan dinding pipa bagian dalam
Permukaan bagian dalam dinding pipa, secara
mikro, tidak benar-benar rata. Apabila permukaan
itu dilihat dengan mikroskop yang sesuai, pada
permukaan terlihat puncak-puncak bukit dan
lembah-lembah. Tinggi puncak bukit-bukit dan
dalamnya lembah-lembah itu tidak seragam. Tinggi
puncak bukit dan dalamnya lembah meru-pakan
nilai kekasaran pada tempat dimana bukit atau
lembah itu berada – lihat Gambar 2.
Tinggi bukit dan dalamnya lembah tidak
seragam di seluruh titik permukaan pipa. Oleh
karena itu untuk menggambarkan kekasaran
permukaan dikenalkan istilah kekasaran permukaan
rata-rata – yang dilambangkan dengan huruf -
yang merupakan nilai akar kwadrat rata-rata dari
jarak puncak-puncak bukit dan lembah terhadap
garis dasar ketebalan pipa bagian dalam. Nilai dari
kekasaran permukaan rata-rata tergantung dari
bahan pipa. Pipa yang terbuat dari besi nilai
kekasaran permukaan rata-rata 0,25 mm, sementara
bila pipa dibuat dari galvanized iron (pipa GIP)
nilainya 0,15 mm.
Kecepatan Rata-rata Aliran Fluida Cair Di
Dalam Pipa dan Pengukuran Debit Aliran
Kecepatan rata-rata aliran fluida cair di dalam
pipa dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 139
(4) ( 2.4 )
dengan :
: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
: laju aliran atau debit ( m3/s )
: luas penampang aliran atau pipa bagian dalam
(m2)
Pengukuran debit dengan weirs.
Weir yang digunakan untuk mengukur debit
pada pada peelitian ini adalah sebagaimana terlihat
pada Gambar 2.3 (Victor L. Streeter dan
E.Benjamin Wylie – FLUID MECHANICS –
McGraw-Hili International Book Company,
Inc.,International Student Edition, 1979, Seventh
Edition, hal.358). Bila nilai = 90 derajat maka
debil aliran air yang mealui Weirs yang berbentuk
V-notch adalah :
(5) ( 2.5 )
Dengan
= debit (m3/s)
= tinggi muka air terhadap puncak
segitiga (m)
Gambar 3. Weir V-Notch, dengan sudut = 90o
Analisis Kekasaran Permukaan Rata-rata
Dinding Bagian Dalam Pipa GIP
Bila jenis aliran di dalam pipa turbulen, de-
ngan menggunakan rumus 2.2 dapat dihitung nilai
faktor gesekan pipa ( ), atau dengan menggunakan
rumus 2.2 yang diubah menjadi :
(6) ( 2.6 )
Berdasarkan nilai dan serta dengan menggu-
nakan Diagram Moody, dapat dicari nilai kekasaran
relative ( ) dan selanjutnya dapat dihitung nilai
kekasaran permukaan rata-rata ( ). Hubungan
antara kekasaran relative dengan kekasaran
permukaan rata-rata adalah :
(7) ( 2.7 )
sehingga,
(8)
METODE PENELITIAN
Benda Uji dan Fluida Kerja
Penelitian ini menggunakan benda uji berupa
pipa GIP kelas medium, diameter nominal 1 inchi.
Jumlah benda uji 10 batang dengan seksi uji
mempunyai panjang 215 cm, sebagaimana terlihat
pada Gambar 4.
Gambar 4. Benda Uji
Fluida kerja yang digunakan adalah air
bersih yang mempunyai massa jenis 1000 kg/m3
dan viskositas kinematik 1 cSt ( = 10-6
m2/s ).
Alat Ukur
Alat ukur yang digunakan adalah :
a. Alat ukur tekanan; alat ukur tekanan digunakan
untuk mengukur selisih tekanan bagian
upstream dengan bagian downstream. Alat ukur
tekanan berupa pipa plastik fleksibel dan
transparan. Ujung yang satu dihubungkan
dengan titik atau lubang pengukuran pada pipa
sedangkan ujung yang lain terbuka terhadap
tekanan udara luar dan terpasang secara vertical
serta tegak lurus terhadap pipa. Alat ukur ini
berjumlah 2 buah dan masing-masing dipasang
di titik pengukuran upstream dan downstream.
b. Weir V-Notch dengan sudut puncak 90o; alat
ukur ini digunakan untuk mengukur debit aliran
air bersih yang mengalir di dalam pipa.
Besarnya debit dapat dihitung berdasarkan
rumus 2.5.
Alat Bantu
Alat bantu yang digunakan untuk peneitian ini
adalah : pompa air bersih, katup-katup pengarah
aliran, fitting-fitting sambungan pipa, bak penam-
pung air bersih, dan beberapa peralatan bantu
lainnya yang diperlukan.
Rangkaian Peralatan Uji Rangkain peralatan untuk pengujian seperti
terlihat pada Gambar 5. Air bersih dialirkan ke pipa
seksi uji dengan pompa. Debit aliran pada seksi uji
diatur dengan cara mengatur bukaan katub pada
pipa by pass. Bila katub pada pipa itu ditutup penuh
debit aliran air yang melalui seksi uji besar,
H
SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 140
sebaliknya bila bukaan katub pada pipa itu diper-
besar maka debit pada seksi uji mengecil. Seksi uji
berjumlah 10 buah dan panjangnya 215 cm.
Beda tekanan antara upstream dan down-
stream diukur dengan menggunakan manometer
kolom air. Debit aliran diukur dengan weir V-
notch. Aliran air sesuai dengan penunjukan anak
panah
Gambar 5 : Rangkaian alat uji
Metode Pengambilan Data
Pengambilan data untuk masing-masing seksi
uji dilaksanakan sesuai dengan diagram alir seperti
di bawah :
Gambar 5 Diagram alir Pengambilan Data
PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Hasil Penelitian
Seluruh data hasil penelitian itu dapat disuguhkan
dengan diagram sesuai Gambar 6
Gambar 6 : Hasil Penelitian;
Pembahasan
a. Hasil penelitian menunjukan cacah nilai yang
didapatkan berjumlah 69 buah. Hal itu karena
terdapat 10 nilai debit aliran air pada seksi uji
yang menghasilkan nilai faktor gesekan ( f )
yang lebih dari 0,1 sehinga nilai kekasaran
permukaan relatif ( r ) tidak tergambar di Dia-
gram Moody yang mengakibatkan nilai
kekasaran permukaan rata-rata ( ) tidak
terbaca. Selain itu ada 1 buah nilai debit yang
menghasilkan aliran laminar sehingga tidak
memenuhi persamaan Darcy-Wiesbach untuk
aliran turbuken. Oleh karena itu kesebelas data
hasil pengujian itu disingkirkan.
b. Nilai kekasaran permukaan rata-rata dinding
bagian dalam pipa GIP, berdasarkan hasil
penelitian tidak menunjukan nilai yang konstan.
Apabila nilai hasil pengujian itu dianalisis
dengan menghitung nilai reratanya, maka
dihasilkan :
= ( 0,96 0,45 ) mm atau
= ( 0,96 mm 47 % )
Hasil di atas menunjukan perbedaan nilai de-
ngan nilai kekasaran permukaan rata-rata
sebagaimana yang tercantum pada Diagram
Moody. Pada Diagram Moody nilai kekasaran
permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa
GIP adalah 0,15 mm. Selain itu analisis me-
nunjukan deviasi yang sangat mencolok ( 47% ),
sehingga penetapan nilai kekasaran permukaan
rata-rata dinding bagian dalam pipa GIP yang
sama dengan hasil penelitian ini tidak layak.
c. Hasil penelitian menunjukkan nilai mengikuti
nilai . Dari penyebaran nilai terhadap
maka dapat dibuat garis pendekatan yang
merupakan garis ekponensial, sebagaimana
Gambar 7.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10000 20000 30000
mm )
m
ul
ai
Tutup semua katub
Buka penuh katub a dan b
Hidupkan pompa
Air mengalir dari pompa kemudian langsung kembali ke tanki melalui pipa by pass
Buka penuh
katub c, d, e
Tutup katub b dengan 8 langkah s/d tertutup penuh. Setiap langkah
penutupan menghasilkan debit aliran pada seksi uji
Q = Qi, i =
1,8,1
h1, h2, Hi,
di
Hitung Qi, hi, Vi, Ri ,
fi
Tetapkan nilai r
i dan dari Diagram
Moody
seles
ai
Reynold number
(mm)
Pipa PVC
1½
)apip nruter(
Tank
L =
215
cm
Pipa
galvanis 1”
(pipa uji)
Pompa 1 Pompa 2
Man
om
eter
air
Seksi Uji
SEMINAR NASIONAL ke8Tahun 2013 : RekayasaTeknologiIndustridanInformasi
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 DESEMBER 2013 M 141
Gambar 7 : Garis pendekatan hasil penelitian
Dari garis pendekatan itu terlihat kecenderungan
konversgensi nilai terhadap nilai , semakin
tinggi nilai nilai cenderung menuju ke nilai
yang konstan.
d. Melihat kecenderungan konvergensi sebagai-
mana pada butir c, maka perlu dilihat hasil
penelitian nilai pada aliran yang mempunyai nilai
yang lebih besar dari 20000.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Kekasaran permukaan rata-rata dinding bagian
dalam pipa GIP merupakan sifat fisis pipa yang
muncul ketika pipa itu dibuat. Sifat fisis itu,
sepanjang pipa belum terkena perubahan fisis,
besarnya konstan dan tidak mempunyai
ketergantungan terhadap parameter-parameter
lainnya seperti kecepatan aliran fluida kerja,
viskositas fluida kerja, dan lain sebagainya.
Penelitian ini menunjukan nilai kekasaran
permukaan rata-rata dinding bagian dalam pipa GIP
diameter nominal 1 inchi yang digunakan sebagai
benda uji, mempunyai korelasi dengan reynold
number aliran fluida kerja, yang dapat didekati
dengan sebuah fungsi ekponensial. Nilai kekasaran
permukaan rata-rata itu terlihat semakin konvergen
selaras dengan pertambahan nilai reynold number.
Oleh karena itu dapat disimpulkan :
a. Hasil penelitian tidak sesuai dengan sifat fisis
pipa GIP mengenai kekasaran permukaan rata-
rata dinding bagian dalam.
b. Hasil penelitian tidak layak digunakan sebagai
acuan nilai kekasaran permukaan rata-rata
dinding bagian dalam pipa GIP diameter
nominal 1 inchi.
Saran 1. Penelitian ini harus dilanjutkan dengan
menggunakan aliran media kerja yang
mempunyai reynold number yang lebih tinggi,
misalnya dimulai dari 100.000 s/d 2.000.000.
2. Perlu kalibrasi ulang alat ukur debit yang
menggunakan Weir V-Notch, dengan meneliti
faktor koreksi C pada pengukuran debit aliran
yang menggunakan Weir V-Notch.
DAFTAR PUSTAKA
Ranald V. Giles, 1977, Theory and Problems of
Fluid Mechanics and Hydraulics,
Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill
Book Company, New York, 2nd
edition.
Soufyan Moh.Noerbambang & Takeo Morimura,
2005, Perancangan Dan Pemeliharaan
Sistem Plambing, PT. Pradnya Paramita,
Jakarta, cetakan ke Sembilan
Victor L. Streeter dan E. Benjamin Wylie, 1999,
Mekanika Fluida, alih bahasa oleh Arko
Prijono,M.S.E., Penerbit Erlangga,
Jakarta, Edisi Delapan, Jilid 1.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10000 20000 30000 Reynold Number, R
mm)