Upload
husnul-waizin
View
68
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
epanet
Citation preview
BAB III
HIDROLIKA PERPIPAAN
3.1. DASAR HIDROLIKA PERPIPAAN
Hidrolika adalah ilmu yang mepelajari perilaku air secara fisik dalam arti
perilaku perilaku yang ditelaah harus terukur secara fisik. Perilaku yang
dipelajari meliputi hubungan antara debit air yang mengalir dalam pipa
dikaitkan dengan diameter pipanya sehingga dapat diketahui gejala gejala
yang timbul seperti tekanan, kehilangan energi dan gaya-gaya lainnya.
Hubungan gejala gejala akan dijelaskan dalam formulasi empiris yang
lazim dipakai dalam praktek.
Pada dasarnya dalam menelaah aspek hidrolika dalam pipa kita selalu
beranggapan atau berasumsi bahwa air adalah fluida yang mempunyai sifat
“incompresible” atau diasumsikan tidak mengalami perubahan volume / isi
apabila terjadi tekanan.
Fluida yang bergerak di dalam pipa dianggap dalam kondisi “steady state”
atau air dianggap mempunyai kecepatan yang konstan dari waktu ke waktu
apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama.
Fluida yang bergerak di dalam pipa juga dianggap dalam kondisi “uniform
flow” atau air dianggap mempunyai kecepatan yang seragam sepanjang
pipa apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama .
2
Pada kenyataannya dilapangan kondisi yang dijelaskan dalam asumsi ini
tidak selalu tercapai terutama kondisi steady flow dan uniform flow.
Penyimpangan keadaan tersebut disebut keadaan transient yang umum
terjadi pada saat awal pembukaan dan penutupan valve. Efek yang timbul
disebut sebagai water hammer yang terefleksi dengan kejadian
pengempisan pipa, pecahnya pipa atau dalam keadaan yang ringan adalah
terdengarnya suara ketukan ketukan palu dipipa besi.
Setiap aliran air dalam pipa juga harus memenuhi azas kontinuitas dimana
Q1 = Q2
Dimana :
Q1= Debit masuk di sisi 1 (m3/dt)
Q2 = Debit keluar di sisi 2 (m3/dt)
debit aliran yang masuk dalam sisi 1 akan keluar pada sisi 2 dengan debit
yang sama.
Debit air adalah volume air per satuan waktu. Debit air adalah luas
penampang pipa dikalikan dengan kecepatannya. Debit air yang masuk ke
dalam pipa mempunyai kecepatan aliran yang berbeda beda tergantung
dari diameter pipanya.
3
Kalau luas penampang pipa adalah sebanding kuadrat dengan diamaternya,
maka ;
Q = A.v
A = 2
4dπ
Maka,
Q = vd .4
2π
dimana :
v = kecepatan aliran air pipa (m/dt)
A = Luas penampang pipa m2
d = diameter pipa di sisi (m)
π = konstanta phi atau 22/7=3.14
4π =
414.3 = 0,785 atau bila dibulatkan 0.8
Lihat pada gambar 3.1.
hL
z2
muka laut
v2
2
v1
z1
1
H1 H2
gambar 3.1. Model hidrolika pipa
4
Air masuk pipa bergerak dari sisi 1 dan keluar di sisi 2 sesuai dengan azas
kontiuitas energi yang ada di sisi 1 juga harus sama di sisi 2 . Maka Energi
total 1 sama dengan Energi total 2 atau Etot1=Etot2.
Energi yang ada di sisi 1 apabila diuraikan lagi terdiri dari :
1. Energi Potensial
2. Energi Kinetik
3. Kehilangan Energi
Energi secara formal mempunyai satuan joule tetapi untuk sederhananya
kajian dinyatakan dengan tinggi kolom air.
Energi Potensial disini terdiri dari :
z = muka tanah terhadap muka laut (m)
h = beda tinggi dari muka air ke muka tanah (m)
Energi kinetik air yang mengalir dipipa dinyatakan dengan
V = g
v.2
2
dimana v adalah kecepatan aliran air (m/dt) dan g adalah
gravitasi (m/dt2).
z1+H1+ v12/2g =z2+H2+ v2
2/2g+hL ,
Etot1 = Etot2 ,
Sehingga persamaan ini lazim disebut sebagai persamaan Bernaulli.
Di sini dapat disimpulkan untuk menghitung sisa tekanan dalam realita,
faktor faktor penting untuk diketahui adalah:
• Elevasi tanah dimana pipa diletakkan (z)
5
• Tenaga pendorong awal seperti menara air atau pompa (h1)
• Kehilangan Energi atau Kehilangan Tekanan (hL)
Elevasi tanah didapat hari hasil pengukuran tanah yang baik. Tenaga
pendorong adalah kondisi menara atau per pompaan yang diperkirakan
ketinggian tekannya dengan baik sedangkan headloss dihitung berdasarkan
rumusan rumusan empiris.
3.2. KEHILANGAN TEKANAN
Salah satu faktor yang penting dalam perhitungan hidrolis perpipaan
adalah perhitungan kehilangan tekanan. Ada beberapa rumusan yang dapat
dipakai dalam menghitung kehilangan tekanan yaitu :
• Hazen William
• Darcy Weisbach
• De Chezy Manning
3.2.1. Persamaan Hazen William
Persamaan Hazen william adalah yang paling umum dipakai,
persamaan ini lebih cocok untuk menghitung kehilangan tekanan
untuk pipa dengan diameter besar yaitu diatas 100 mm. Selain itu
rumus ini sering dipakai karena mudah dipakai.
6
Persamaan Hazen William secara empiris menyatakan bahwa debit
yang mengalir didalam pipa adalah sebanding dengan diameter
pipa dan kemiringan hidrolis (S) yang di nyatakan sebagai
Kehilangan tekanan (hL) dibagi dengan panjang pipa (L) atau
Lh
S l= .
Disamping itu ada faktor C yang menggambarkan kodisi fisik dari
pipa seperti kehalusan dinding dalam pipa yang menggambarkan
jenis pipa dan umur.
Secara umum rumus Hazen William adalah sebagai berikut:
54.063.2 ...2785.0 SdCQ =
Dimana ;
Lh
S l= .
Dimana
L = adalah panjang pipa dari node 1 ke node 2
Apabila kehilangan tekanan atau hL yang akan dihitung maka :
LdC
Qhl ...2785.0
85.1
63.2 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
C adalah (koefisien Hazen William) berbeda untuk berbagai jenis
pipa sedangkan untuk jenis pipa High Density Poly Ethylene
(HDPE) nilai C (koefisien Hazen William) adalah 130.
7
3.2.2. Persamaan Darcy Weisbach
Persamaan Darcy dapat di ditulis secara matematis :
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
gv
dLfhl 2
..2
1 . Kemudian secara empiris di tentukan suatu
faktor f.
Df ε=
Dimana :
HL = headloss (m)
f = faktor gesekan
L = panjang pipa (m)
D = diameter pipa (m)
v = kecepatan aliran (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Perumusan koefisien yang paling lazim dipakai adalah dengan
metoda Colebrook , nilai
f
ε untuk koefisien Colebrook pada pipa
jenis HDPE adalah 0,007.
Perumusan ini dipakai untuk aliran yang lebih laminer sehingga
lebih cocok untuk pipa dengan diameter kecil (<50mm). Tetapi
untuk diamater yang lebih besar biasa dipakai perumusan Hazen
William.
8
3.2.3. Persamaan De Chezy dengan koefisien Manning
Persamaan ini umum dipakai di saluran terbuka, tetapi dapat pula
dipakai di jaringan perpipaan.
2/13/2 ...1 SRn
V =
LH
S l= , PAR =
Dimana :
v = kecepatan aliran (m/s)
n = koefisien Manning
R = jari-jari hidrolis (m)
S = slope/kemiringan (m/km)
HL = headloss (m)
L = panjang saluran (m)
A = luas penampang basah saluran (m2)
P = keliling penampang basah saluran (m)
Persamaan ini biasa digunakan untuk saluran terbuka (irigasi /
drainase).
3.3. TEKANAN PENGGERAK AIR
Tekanan penggerak air yang ada di alam adalah gaya gravitasi sehingga
air yang diletakkan didalam suatu penampung atau reservoir pada suatu
ketinggian tertentu, tentunya akan mengalir ke bawah searah dengan gaya
gravitasi. Pada kasus ini tekanan awal penggerak yang biasa disebut
9
sebagai head awal (initial head) atau tekanan awal akan selalu sama
walaupun debit yang dialirkan berubah - ubah.
Selain mengunakan gaya gravitasi air dalam pipa juga dapat digerakkan
oleh mesin penggerak air atau pompa. Karakteristik pengaliran air oleh
pompa sangat berbeda dengan pengaliran dengan gravitasi. Tekanan
pompa akan tidak sama dengan debit air yang dihasilkan.
Misalnya kita tinjau suatu sistem perpipaan yang pada sisi 1 di pasang
pompa dan disisi 2 dipasang valve. Pada suatu Debit rencana (Qr) tekanan
pompa akan tertentu (h1r).
hL
z2
m uka laut
v2
v1
z1
Etot1 Etot2
pom paQrvalve
H2H1
Gambar 3.2. Model hidrolika pipa dengan tekanan pompa
Pada saat valve di putar kecil atau di cek, tekanan pompa akan naik terus
sampai bila valve tertutup dan pompa tetap hidup, maka tekanan pompa
akan berhenti pada tekanan h10.
Tetapi sebaliknya pada saat pompa diputar lebih besar dari debit rencana
(Q>Qr) maka tekanan pompa akan turun (h1< h10).
10
Pada gambar 3.3. ditunjukkan grafik tekanan pompa vs Debit yang
dihasilkan.
p o m p a
v a lv e d ip u ta r k e c il
h 1 0v a lv e d ip u ta r b e s a r
Q
H 1 0
gambar 3.3. Kurva Debit Air (Q) dengan tekanan pompa (h)
Bandingkan kondisi ini dengan apabila menggunakan menara air, yang
menggunakan beda tinggi sebagai pendorong aliran air dalam pipa (lihat
gambar 3.4.). Dari gambar ini dapat dilihat bahwa walaupun valve dibuka
lebih besar hingga debit air yang keluar besar maupun diperkecil hingga
debit yang keluar kecil, tekanan awal akan tetap sama.
valve diputar kecil
valve diputar besar
Q
reservoirH10
gambar 3.4. Kurva Debit Air(Q) dengan Tekanan air (h) di Menara Air
11
Dalam praktek kedua sistem penggerak aliran ini mempunyai kelebihan
dan kekurangan. Untuk dapat memahami perbedaan ini maka pengertian
tentang hidrolika jaringan pipa perlu di telaah.
3.4. HIDROLIKA JARINGAN PERPIPAAN
Jaringan perpipaan merupakan suatu rangkaian pipa yang saling terhubung
satu sama lain secara hidrolis, sehingga apabila di satu pipa mengalami
perubahan debit aliran maka akan terjadi penyebaran pengaruh ke pipa
pipa yang lain. Pengaruh ini dapat di deteksi dari segi perubahan tekanan
yang ada di pipa.
Pipa yang tergabung dalam suatu jaringan pipa dapat dibedakan satu
dengan yang lain dari segi :
• Panjang Pipa
• Diamater Pipa
• Jenis Pipa
• Kedudukan pipa dalam jaringan
Kedudukan pipa dalam suatu jaringan dapat dinyatakan dengan :
• Nomor pipa
• Simpul atau node yang dihubungkan oleh pipa tersebut
Dalam suatu sistem jaringan air yang keluar dari node dikendalikan oleh
sebuah valve yang menghubungkan antara satu bagian jaringan dengan
12
bagian lainnya. Sedangkan secara kolektif air yang keluar dari satu node
jaringan tergantung dari perilaku konsumen atau pemakai air memakai air.
Pemakaian air sendiri secara hidrolis tergantung dari sisa tekanan pada
node tersebut sedangkan faktor lain yang mempengaruhi adalah tingkat
kebutuhan konsumen akan air.
Sebagai asumsi misalnya 1 orang per hari memakai air 200 L/org/hari, bila
sebuah node melayani 500 orang maka satu node itu mengeluarkan air
sebanyak 200 L/org/hari x 500 org = 100.000 L/hari atau 100 m3/hari atau
atau rata rata dalam 1 detik adalah 100.000/3600/24=1,1574 L atau
Q = 1,1574 L/dt. Hal ini berarti debit air yang keluar dari node tersebut
adalah 1,1574 L/dt.
3.5. SOFTWARE EPANET
3.5.1. Tampilan Epanet
Tampilan dasar epanet dapat dilihat pada gambar berikut yang
terdiri dari elemen - elemen :
1. Menu bar
2. 2 buah tool bar
3. Status bar
4. Network map windows
5. Browser window, dan Property Editor window.
13
Penjelasan masing-masing elemen dapat dilihat pada gambar
berikut ini :
Gambar 3.5 Tampilan pada Software Epanet 2.0
Epanet memodelkan sistem distibusi air sebagai kumpulan garis
yang menghubungkan node node. Garis menggambarkan pipa,
pompa dan katub kontrol. Sedangkan node menggambarkan
sambungan (Junction), tangki, dan reservoir. Gambar di bawah
mengilustrasikan bagaimana node - node dan garis dapat
dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk sebuah
jaringan.
14
Gambar 3.6 Komponen fisik pada sistem distribusi air
Epanet mengandung dua buah objek fisik yang dapat muncul pada
peta jaringan, dan objek non–fisik yang mencakup design dan
informasi operasional.
3.5.2. Objek Fisik
Objek fisik yang muncul pada epanet adalah node dan link , node
tersebut terdiri dari Junction ( Sambungan ), Reservoir, Tanki dan
Link terdiri dari Pipa, Pompa, Valve.
a. Sambungan (junction)
Sambungan (junction) adalah titik pada jaringan dimana
garis-garis bertemu dan dimana air masuk atau meninggalkan
jaringan. informasi yang dibutuhkan bagi sambungan
(junction) adalah:
15
• Junction ID ( Nomor sambungan )
• Coordinate (X,Y)
• Description
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Elevation
• Base Demand ( Kebutuhan dasar nominal )
• Demand Pattern ( Kebutuhan dengan Pola Waktu )
• Demand Categories
• Emitter Coefficient
• Initial Quality ( Level kualitas air )
• Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) untuk sambungan (junction) pada
seluruh periode waktu simulasi adalah :
• Demand Actual ( total demand )
• Head Hidrolis ( Penjumlahan elevasi dengan head
pressure )
• Tekanan (pressure)
• Kualitas Air
b. Reservoir
Reservoir adalah node yang menggambarkan sumber
eksternal yang terus menerus mengalir ke jaringan.
Diasumsikan untuk menggambarkan seperti danau, sungai,
akuifer air tanah, dan koneksi dari sistem lain. Reservoir juga
dijadikan titik sumber kualitas air. Informasi yang dibutuhkan
Reservoir adalah:
16
• Reservoir ID ( Nomor reservoir )
• Coordinate (X,Y)
• Description
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Total Head
• Head Pattern
• Initial Quality ( Level kualitas air )
• Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode
waktu simulasi adalah Net Inflow , Pressure dan Kualitas Air.
c. Tanki
Tanki membutuhkan node dengan data kapasitas, dimana
volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasar waktu
selama semulasi berlangsung. Informasi yang dibutuhkan
Tanki adalah:
• Tank ID ( Nomor tangki )
• Coordinate (X,Y)
• Description
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Elevation
• Initial Level
• Minimum Level
• Maximum Level
• Diameter
• Minimum Volume
17
• Volume Curve
• Mixing Model ( Model Pengadukan )
• Mixing Fraction
• Reaction Coefficient
• Initial Quality ( Level kualitas air )
• Source Quality
Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode
waktu simulasi adalah Tekanan Hidrolis (elevasi permukaan
air), Kualitas air.
d. Pipa
Pipa adalah penghubung yang membawa air dari satu poin ke
poin lainnya dalam jaringan. epanet mengasumsikan bahwa
semua pipa adalah penuh berisi air setiap waktunya. Arah
aliran adalah dari titik dengan tekanan hidrolik tertinggi
menuju titik dengan tekanan rendah. Informasi yang
dibutuhkan pipa adalah :
• Pipe ID ( Nomor pipa )
• Start Node
• End Node
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Length ( Panjang pipa )
• Diameter
• Roughness ( Koefesien kekasaran pipa )
• Loss Coefficient ( Minor Losses )
• Initial Status
18
• Bulk Coefficient
• Wall Coefficient
Hasil komputasi ( analisa ) Pipa pada periode waktu simulasi
adalah :
• Flow ( Laju aliran )
• Velocity ( Kecepatan )
• Unit Headloss ( Kehilangan Tekanan )
• Faktor friksi Darcy-Weisbach
• Rata-rata Laju reaksi (sepanjang pipa)
• Rata-rata Kualitas air (sepanjang pipa)
• Quality
• Status pipa ( terbuka / tertutup )
e. Pompa
Pompa adalah link yang memberi tenaga ke fluida untuk
menaikkan head hidrolisnya. Informasi yang dibutuhkan
pump ( pompa ) adalah :
• Pump ID ( Nomor pompa )
• Start Node
• End Node
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Pump Curve ( Label ID dari Curve pompa )
• Power ( Tenaga yang disupplay pompa )
• Speed ( Pengaturan kecepatan relatif dari pompa )
• Pattern ( pola waktu )
• Initial Status
• Efficiency Curve ( Label ID dari kurva effiseinsi pompa )
19
• Energy Price
• Price Pattern
Hasil komputasi ( analisa ) Pompa pada periode waktu
simulasi adalah :
• Flow ( Laju aliran )
• Headloss
• Quality
• Status.
f. Valves
Valve adalah sebuah link yang membatasi tekanan atau flow ,
pada suatu node sebuah jaringan. Informasi yang dibutuhkan
Valve adalah :
• Valve ID ( Nomor Valve )
• Start Node
• End Node
• Description
• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)
• Diameter
• Type Valve ( PRV, PSV, PBV, FCT, TCV )
• Setting Valve
• Loss Coefficinct
• Fixed Status
20
Hasil komputasi ( analisa ) Valve pada periode waktu
simulasi adalah :
• Flow
• Velocity
• Headloss
• Quality
• Status
3.5.3. Objek Non Fisik.
Objek non–fisik yang mencakup design dan informasi operasional,
yang terdiri dari Time Pattern ( Pola Waktu ), Curve ( Kurva ).
a. Time pattern ( Pola Waktu )
Pola Waktu (time pattern) berupa kumpulan faktor pengali
yang dapat diaplikasikan sebagai kuantitas yang bervariasi
terhadap waktu. Kebutuhan di tiap node, Head Reservoar,
pompa, dan input sumber kualitas air dapat terikat pada pola
waktu. Interval waktu yang digunakan dalam seluruh pola
merukapan nilai yang tetap, diatur dalam Time Options.
Dengan Interval tersebut kuantitas berlangsung secara
konstan, sebanding dengan hasil dari nilai nominal dan faktor
pengali dalam periode waktu. Meskipun pola waktu harus
dilakukan dalam interval waktu yang sama, setiap periode
dapat berupa angka yang berbeda. Ketika periode simulasi
21
melebihi dari jumlah periode dalam pola, maka pola akan
kembali ke periode awal lagi.
Gambar 3.7 Pattren Editor
b. Kurva
Kurva adalah obyek yang mengandung rangkaian data yang
menjelaskan tentang hubungan antara dua besaran, model
dalam epanet dapat menyediakan tipe kurva sebagai berikut :
a) Kurva Pompa
b) Kurva Effisiensi
c) Kurva Volume
d) Kurva Head Loss
22
a) Kurva Pompa
Kurva Pompa mejelaskan hubungan antara head dan laju
aliran yang dapat dialirkan oleh pompa pada pengaturan
kecepatan nominal. Head yang diperoleh air dari pompa
digambarkan pada sumbu vertikal (Y) dengan satuan feet
(meter). Laju Aliran digambarkan pada sumbu Horizontal (X)
dalam unit debit.
Gambar 3.8 Kurva Pompa
b) Kurva Efisiensi
Sebuah kurva Efisiensi menjelaskan efisiensi pompa (Y
dalam persen) sebagai fungsi dari laju aliran pompa (X dalam
satuan debit), kurva ini hanya digunakan untuk perhitungan
energi.
23
c) Kurva Volume
Kurva Volume menjelaskan bagaimana volume tangki
penyimpan ( Y dalam kubik feet atau meter kubik) bervariasi
sebagai fungsi dari tinggi air (X dalam feet atau meters).
Digunakan ketika diperlukan gambaran yang akurat alam
potongan memanjang terhadap tinggi tangki.
d) Kurva Headloss Kurva Headloss digunakan untuk menjelaskan headloss (Y
dalam feet atau meter) yang melalui General Purpose Valve
(GPV) sebagai fungsi dari Laju aliran (X dalam unit Debit).
Menjelaskan tentang kapabilitas dari pemodelan alat dan
situasi, dengan keunikan hubungan headloss-aliran, seperti
pengurangan aliran – katub pencegahan aliran balik, turbin
dan pemompaan sumur dalam.
3.5.4. Analisis Running
Jika data sudah valid, langkah selanjutnya adalah me-running
jaringan dan apabila proses running berlangsung dengan sukses,
maka tidak akan muncul beberapa pesan error atau perhatian, dan
apabila proses running tidak berlangsung dengan sukses, maka
akan muncul beberapa pesan error atau perhatian pada jendela
24
status report, yang mengindikasikan bahwa masih ada yang
bermasalah pada pemasukan data.
3.5.5. Hasil Trouble Shooting.
Epanet akan mengeluarkan pesan Error dan Perhatian ketika
masalah terlihat pada analisis hidrolik. Hal yang sering muncul
adalah Pompa tidak dapat menyalurkan Aliran atau Head (Pump
Cannot Deliver Flow or Head). Sebagai contoh misalnya epanet
akan mengeluarkan pesan error dan peringatan ketika pompa
bekerja diluar kisaran kurva pompa.
Kemunculan Presure Negative (Negative Pressure Exist)
Epanet akan memunculkan pesan peringatan ketika menghasilkan
hitungan tekanan negatif pada junction dengan demand positif.
Biasanya mengindikasikan bahwa terdapat masalah pada jaringan
yang dibuat atau dioperasikan. Tekanan negatif dapat muncul
ketika bagian dari jaringan hanya dapat menerima sebagian air atau
karena jaringan tertutup.
3.5.6. Model Simulasi hidrolis.
Untuk membuat jaringan menjadi lebih realistis, aanalisa dapat
dibuat simulasi hidrolisnya, dengan cara membuat pola waktu
25
( Time Pattern ) yang menggunakan demand bervariasi pada node
dalam satu hari atau lebih.