TUYỂN TẬP 20 ĐỀ THI KHẢO SÁT HỌC SINH GIỎI MÔN TIẾNG ANH LỚP 6 NĂM 2020 (CÓ Đ...
Studi kasus jaringan pipa untuk distribusi air bersih menggunakan metode hardy cross
1. Studi Kasus: Analisa Jaringan Pipa Distribusi Air dengan Metode Hardy-Cross
1
Ali Hasimi Pane1
Mahasiswa Magister, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin USU – Medan
ALP Consultant Owner
HP: 0813 7093 4621, Email: ali.h.pane@gmail.com
Abstrak
Jaringan pipa untuk distribusi air, merupakan persoalan analisis matematis yang rumit dan komplek. Analisa jaringan
pipa adalah untuk menentukan distribusi debit aliran fluida dan jatuh tekan dalam pipa pada satu titik tertentu,
bertujuan supaya titik keluaran debit air tercapai sesuai dengan permintaan. Salah satu metode yang dapat digunakan
untuk menganalisa jaringan pipa adalah metode Hardy-Cross. Dalam proses penyelesaian metode Hardy-Cross adalah
dengan proses iterasi, sehingga dituntut suatu ketelitian yang akurat dalam membentuk persamaan matematisnya baik
dalam setiap loop maupun percabangan. Kemudian untuk proses perhitungan iterasi akan dimodel dengan
menggunakan program excel.
Kata kunci: jaringan pipa, debit air, metode Hardy-Cross
I.
Pendahuluan
2.1 Persamaan pada Aliran dalam Pipa
Jaringan pipa yang digunakan baik untuk distribusi
Persamaan-persamaan dasar yang digunakan untuk
air bersih maupun distribusi gas, untuk konsumsi
menganalisa aliran fluida dalam pipa, diantaranya:
masyarakat
Persamaan bilangan Reynold,
maupun
kebutuhan
industri,
adalah
merupakan suatu persoalan yang rumit dan komplek.
Re
Dimana harus ditentukan besaran debit fluida pada pipa
titik-titik tertentu sesuai dengan permintaan.
dasar
empiris
…1
Persamaan kontinuitas,
dalam setiap loop, agar supaya debit keluaran fluida pada
Persamaan-persamaan
Vd Vd
v
Q AV
yang
2
d V
4
…2
digunakan dalam menganalisa jaringan pipa dapat
dimana d adalah diameter pipa dan V adalah kecepatan
digunakan persamaan Darcy-Weisbach dan Hazen-
aliran. Persamaan Darcy-Weisbach digunakan untuk
Williams. Dalam penyelesaian analisa jaringan pipa
menentukan kerugian gesekan aliran sepanjang pipa:
tersebut, maka
akan diapplikasikan metode iterasi
hf f
Hardy-Cross, dan proses penyelesaian perhitungannya
L V2
D 2g
…3
Sementara kerugian gesekan karena sambungan, katub
akan digunakan program excel.
atau kerugian minor lainnya dapat ditentukan:
II.
Studi Literatur
hf K
V2
2g
…4
Dimana K adalah koefisien kerugian minor, dan f adalah
Jaringan pipa yang akan digunakan baik untuk
distribusi air bersih maupun distribusi gas memiliki
koefisien gesekan dapat ditentukan:
tingkat kesulitan yang komplek jika dianalisa dalam
-
model matematika, jika jaringan pipa terdiri dari
Untuk aliran laminar (Re < 2000)
f
multiloop.
-
64
Re
…5
Untuk aliran turbulen Re > 4000, Colebrook (1939)
[1] merumuskan untuk menentukan harga f dengan
metode interpolasi matematis:
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
1
2. /d
2,51
2,0 log
1/ 2
3,7
f
Re f 1 / 2
1
dan berdasarkan persamaan Hazen-Williams (satuan SI),
…6
K
10,704 L
…12
C 1,85 d 4,871
dimana C adalah koefisien Hazen-Williams berdasarkan
Haaland [1] memberikan pendekatan untuk menentukan
jenis pipa, L panjang pipa dan d diameter pipa.
koefisien gesekan dengan persamaan:
1
f
1/ 2
/ d 1,11 6,9
1,8 log
3,7
Re
Swamee-Jain
[2]
juga
memberikan
Karena metode Hardy-Cross berdasarkan persamaan
…7
kontinuitas dan kerugian tinggi tekan aliran, maka harus
memenuhi persyaratan:
pendekatan
1. Jumlah laju aliran masuk sama dengan keluar pada
persamaan secara eksplisit untuk menentukan koefisien
tiap titik percabangan.
faktor gesekan,
1,11 5,74
f 1,325 ln
3,7 d
Re 0,9
Qin Qout
2
…8
…13
2. Jumlah kerugian tinggi tekan pada tiap loop tertutup
adalah sama dengan nol.
Koefisien gesek (f) dapat juga ditentukan dengan
n
h f ,i K i Qi 0
menggunakan diagram Moody berdasarkan parameter
Loop i
…14
Loop i
bilangan Reynold dan kekasaran relatif permukaan pipa
Dinama hf sesuai dengan persamaan 9, dan K sesuai
berbandingan dengan diameter pipa.
dengan persamaan 10 atau 11 (dalam kasus ini digunakan
f Re ; / d
…9
persamaan 10), sementara i adalah nomor pipa.
Karena
2.2 Metode Hardy-Cross
metode
Hardy-Cross
adalah
metode
penyelesaian dengan iterasi matematik, maka untuk
persoalan jaringan pipa tersebut, langkah prosedur
Metode Hardy-Cross adalah salah satu metode yang
banyak digunakan untuk menyelesaikan
penyelesaiannya adalah:
persoalan
1. Perkirakan secara sembarang laju aliran volume dan
jaringan pipa yang terdiri dari multi-loop (seperti gambar
arah aliran pada masing-masing pipa dalam setiap
1). Metode ini merupakan metode numerik untuk
loop.
menentukan harga distribusi laju aliran dan jatuh tekanan
2. Hitung nilai K.
pada loop jaringan pipa. Pada metode ini diasumsikan
3. Hitung nilai
n
() K i Qi 0 , dimana n = 2 (karena
Loop i
bahwa keseimbangan antara tekanan dan gesekan dalam
aliran steady dan inkompresibel.
dalam kasus ini digunakan persamaan Darcy-
Metode Hardy-Cross adalah berdasarkan hubungan
Weisbach), dan adalah arah aliran pada loop
antara persamaan dasar dari kontinuitas dan kerugian
tertutup mengikuti arah jarum jam, tanda (+) untuk
tinggi tekan aliran dalam pipa. Maka dapat dijabarkan,
arah aliran searah dengan jarum jam dan tanda (–)
kerugian tinggi tekan (hL) pada loop:
untuk arah aliran berlawanan jarum jam.
h f KQ n
4. Jika hasil perhitungan nomor 3 tidak sama dengan
…10
nol, maka hitung koreksi sesatan untuk laju aliran
Dimana n adalah konstanta, berdasarkan persamaan
volume, dengan persamaan:
Darcy-Weisbach n = 2, dan Hazen-Williams n = 1,85.
() i K i Qoi
Sementara K adalah konstanta koreksi pipa, berdasarkan
L
persamaan Darcy-Weisbach,
K
8 fL
2 gd 5
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
n
Loop i
nK i Qoi n1
…15
Loop i
…11
ali.h.pane@gmail.com
2
3. 5. Hitung laju aliran volume perkiran baru untuk iterasi
3.2 Metodologi
berikutnya dengan persamaan:
Qbaru Qlama L
Metode penyelesaian yang akan digunakan adalah
…16
metode Hardy-Cross yang berkolerasi pada persamaan
6. Iterasi akan dihentikan bila L = 0 atau sampai batas
Darcy-Weisbach. Metode Hardy-Cross adalah dilakukan
toleransi yang ditentukan.
dengan proses perhitungan iterasi dan akan dikerjakan
dengan cara tabulasi pada lembar kerja program excel.
III. Data dan Metodologi
Proses iterasi dihentikan jika koreksi sesatan (L) 10-6.
3.1 Data Jaringan Pipa
IV. Hasil dan Pembahasan
Bahan pipa
: Commersial steel
Panjang dan diameter pipa
: tabel 1
Kekasaran relatif pipa ()
: 0,046 mm
Hardy-Cross yaitu metode iterasi. Dalam hal ini, untuk
Fluida yang bekerja
: air
iterasi pertama dilakukan asumsi untuk arah aliran dan
Jumlah loop
: 6 loop
arah loop searah dengan jarum jam, dapat dilihat seperti
Jumlah pipa
: 17 buah pipa
gambar 1, untuk debit aliran air yang mengalir pada
Jumlah sumber air masuk
: 1 sumber
setiap pipa diasumsikan, seperti dalam tabel 2:
Jumlah titik air keluar
: 5 keluaran
Nilai faktor gesekan (f)
: digunakan
Analisa terhadap jaringan pipa dengan metode
Tabel 2. Asumsi besaran debit laju aliran pada setiap
persamaan
pipa.
Jain (persamaan 9).
Qo1
Qo10 = 0,03 m3/s
Qo2
Tabel 1. Parameter pipa
= 0,15 m3/s
= 0,05 m3/s
Qo11 = 0,02 m3/s
No.
Diameter
Panjang
Kekasaran Relatif
Qo3
= 0,06 m3/s
Qo12 = 0,07 m3/s
Pipa
Pipa (m)
Pipa (m)
Pipa () (m)
Qo4
= 0,15 m3/s
Qo13 = 0,03 m3/s
1
0.6
1000
0,00046
Qo5
= 0,04 m3/s
Qo14 = 0,035 m3/s
2
0.4
1500
0,00046
Qo6
= 0,03 m3/s
Qo15 = 0,03 m3/s
3
0.45
1000
0,00046
Qo7
= 0,09 m3/s
Qo16 = 0,005 m3/s
4
0.6
1500
0,00046
Qo8
= 0,10 m3/s
Qo17 = 0,09 m3/s
5
0.35
1500
0,00046
Q09
= 0,06 m3/s
6
0.6
1000
0,00046
7
0.45
1500
0,00046
Persamaan kontinuitas untuk setiap node jaringan pipa,
8
0.6
1000
0,00046
untuk gambar 2:
9
0.4
1500
0,00046
Node A
Qo1 + Qo4 – 0,3
=0
10
0.45
1000
0,00046
Node B
Qo2 + Qo8 – Qo1
=0
11
0.35
1500
0,00046
Node C
Qo9 + Qo13 – Q08
=0
12
0.45
1000
0,00046
Node D
0,075 – Qo13 – Qo14
=0
13
0.4
1000
0,00046
Node E
Qo14 – Qo15 – Qo16
=0
14
0.3
1500
0,00046
Node F
0,04 + Qo11 + Qo15 – Qo9 – Qo10
=0
15
0.45
1000
0,00046
Node G
0,04 + Qo5 + Qo10 – Qo3 – Qo2
=0
16
0.3
1500
0,00046
Node H
0.4
1000
0,00046
Qo3 + Qo7 – Qo4
=0
17
Node I
0,06 + Qo6 – Qo7
=0
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
3
4. Node J
Qo12 – Qo5 – Qo6
=0
Qo15, baru
= Qo15, lama – LIII + LVI
Node K
Qo17 – Qo11 – Qo12 = 0
Qo16, baru
= Qo16, lama – LVI
Node L
0,085 – Qo16 – Qo17 = 0
Qo17, baru
= Qo17, lama – LVI
Persamaan untuk debit aliran baru untuk setiap pipa yang
Dalam proses hasil perhitungan iterasi, debit aliran air
akan dikoreksi terhadap koreksi sesatan:
dan arah aliran dalam pipa dapat berubah, maka
Qo1, baru
= Qo1, lama + LI
perhitungan iterasi selanjutnya dilanjutkan berdasarkan
Qo2, baru
= Qo2, lama + LI – LII
debit aliran air yang baru (hasil yang telah terkoreksi
Qo3, baru
= Qo3, lama – LI + LIV
oleh koreksi sesatan loop) digunakan untuk perhitungan
Qo4, baru
= Qo4, lama – LI
iterasi berikutnya hingga pada batas toleransi koreksi
Qo5, baru
= Qo5, lama + LIV – LV
Qo6, baru
= Qo6, lama – LIV
Qo7, baru
= Qo7, lama – LIV
Qo8, baru
= Qo8, lama + LII
Qo9, baru
= Qo9, lama + LII – LIII
Qo10, baru
= Qo10, lama – LII + LIII
Qo11, baru
= Qo11, lama + LV – LVI
Qo12, baru
= Qo12, lama – LV
Qo13, baru
= Qo13, lama + LIII
iterasi ke-15 adalah tercantum dalam tabel 2. Dan sampai
Qo14, baru
= Qo14, lama – LIII
iterasi ke-15 arah aliran tidak terjadi perubahan lagi.
sesatan yang telah ditentukan sebelumnya (dalam kasus
ini toleransi koreksi sesatan (L) 10-6). Jika hasil
perhitungan iterasi koreksi sesatan L 10-6, maka
proses iterasi akan dihentikan.
Dari hasil perhitungan iterasi pertama, asumsi arah
aliran pipa 16 pada loop VI terjadi perubahan (seperti
gambar 2), dan untuk proses iterasi selanjutnya tidak
terjadi lagi perubahan arah aliran. Sementara itu, hasil
akhir proses perhitungan iterasi yang dilakukan sampai
Gambar 1. Asumsi arah dan debit laju aliran dalam jaringan pipa
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
4
5. Gambar 2. Perubahan arah aliran pipa 16 pada loop VI setelah proses iterasi pertama
Dari hasil iterasi pertama, koreksi sesatan (L) untuk
8
0,10
0.093848391
setiap loop jaringan pipa:
9
0,06
0.038720443
LI
= -0,001516915
10
0,03
0.046345721
LII
= -0,006151609
11
0,02
0.008522357
LIII = 0,015127948
12
0,07
0.059805888
LIV = -0,001090871
13
0,03
0.055127948
LV
= 0,010194112
14
0,035
0.019872052
LVI = 0,021671755
15
0,03
0.036543807
16
0,005
0.016671755
17
0,09
0.068328245
Debit aliran air pada setiap pipa yang pertama diasumsi
harus dikoreksi dengan harga L, seperti tabel 3:
Untuk hasil proses iterasi berikutnya, dimana proses
Tabel 3. Harga Qoi, baru hasil proses iterasi pertama
iterasi dilakukan sampai 15 kali proses iterasi dengan
No.
Qoi, lama (Asumsi)
Qoi, baru
alasan untuk mencapai batas toleransi koreksi sesatan
Pipa
3
(m /s)
3
(m /s)
loop yang telah ditentukan yaitu pada L 10-6, seperti
1
0,15
0.148483085
2
0,05
0.054634694
3
0,06
0.060426043
4
0,15
0.151516915
5
0,04
0.028715016
6
0,03
0.031090871
7
0,09
0.091090871
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
tabel 4.
ali.h.pane@gmail.com
5
7. Gambar 3. Hasil akhir proses perhitungan iterasi
V.
[2]. Design of water supply pipe networks, Swamee,
Kesimpulan
Prabhata K. (Prabhata Kumar), John Wiley & Sons, Inc,
Analisa jaringan pipa dengan metode Hardy-Cross
2008.
memiliki kemudahan dalam tingkat proses perhitungan,
[3]. Komputasi Analisis Hidraulika Jaringan Pipa Air
karena jaringan pipa yang besar dapat dibagi dalam
Minum, M. Baitullah Al Amin, Seminar nasional
beberapa loop-loop kecil. Kemudian dalam proses
kebumian, 2011.
perhitungan
iterasinya
dapat
dimodel
dengan
menggunakan program excel yang harus konsisten
Biography
terhadap prosedur penyelesaian metode Hardy-Cross
Ali Hasimi Pane,
tersebut.
tingkat
Mahasiswa magister (S2) teknik
keakurasian hasil perhitungan Metode Hardy-Cross, ada
mesin USU – Medan, dengan
baiknya hasil perhitungan dapat dibandingkan langsung
konsentrasi studi konversi energi.
dengan menggunakan simulasi perangkat lunak komputer
Sarjana Teknik (S1) tahun 2004 dari
salah satunya seperti EPANET 2.0 software atau software
Institut Teknologi Medan (ITM),
lainnya.
konsentrasi studi konversi energi.
Akan
tetapi
untuk
memeriksa
VI. Referensi
[1]. Fluid Mechanics, Frank M. White, Seventh Edition,
The McGraw-Hill Companies, Inc, 2011.
Ali Hasimi Pane
HP : 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
6
7
8. Lampiran: Perhitungan Metode Hardy-Cross
L : Panjang pipa
Qoi
: Laju aliran volume trial
A
V
Re
: Luas penempang pipa = p/4 .d
: Kecdpatan aliran pipa = Qoi/A
: Bilangan Reynold
= Vd/v
K
: Koefisen pipa
2
( ) i K i Q oi
DL : Sesatan loop
d : Diameter pipa
L Loop i
e : Kekasaran relatif bahan pipa Commercial Steel
= 8f i L i /p 2gd i 5
f
: Koefisien gesek
o
v : Viskositas kinematik (dari tabel air pada T = 20 C)
5, 74
f 1,325 ln
3,7 d
R e 0 ,9
n
nK i Q oi n 1
Loop i
2
Iterasi ke-1
No.
No.
di
Li
Q oi (m3/s)
Ai
2
Vi
v
(m/s)
(m2/s)
e
Rei
fi
Ki
()i K i Q oi 2 S()i K i Q oi 2
K i Q oi SK i Q oi
Koreksi sesatan
DL
Q oi Baru
Loop Pipa (m)
(m)
1
0.6
1000
0.15
2.83E-01 5.31E-01 1.01E-06 4.60E-05
3.17E+05 1.46E-02 15.46830327
0.348036824
4.64049098
2
0.4
1500
0.05
1.26E-01 3.98E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.58E+05 1.64E-02
0.496557497
19.8622999
3
0.45
1000
-0.06
1.59E-01 3.77E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.69E+05 1.62E-02 72.66246298 -0.261584867
4
0.6
1500
-0.15
2.83E-01 5.31E-01 1.01E-06 4.60E-05
3.17E+05 1.46E-02
8
0.6
1000
0.1
2.83E-01 3.54E-01 1.01E-06 4.60E-05
2.11E+05 1.56E-02 16.60623417
9
0.4
1500
0.06
1.26E-01 4.77E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.90E+05 1.59E-02 191.8586504
10
0.45
1000
-0.03
1.59E-01 1.89E-01 1.01E-06 4.60E-05
8.45E+04 1.86E-02 83.40105919 -0.075060953
2
0.4
1500 -0.048483085 1.26E-01 3.86E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.54E+05 1.65E-02
13
0.4
1000
0.04
1.26E-01 3.18E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.27E+05 1.71E-02 138.3103129
0.221296501
11.06482503
0.055127948
14
0.3
1500
-0.035
7.07E-02 4.95E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.48E+05 1.66E-02 846.4456785 -1.036895956
59.25119749
-0.019872052
15
0.45
1000
-0.03
1.59E-01 1.89E-01 1.01E-06 4.60E-05
8.45E+04 1.86E-02 83.40105919 -0.075060953
9
0.4
1500 -0.053848391 1.26E-01 4.29E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.71E+05 1.62E-02 195.8236993 -0.567820044
3
0.45
1000
0.061516915
1.59E-01 3.87E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.73E+05 1.62E-02 72.31945997
5
0.35
1500
0.04
9.62E-02 4.16E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.45E+05 1.67E-02 393.6143869
6
0.6
1000
-0.03
2.83E-01 1.06E-01 1.01E-06 4.60E-05
6.33E+04 1.98E-02 21.06876532 -0.018961889
7
0.45
1500
-0.09
1.59E-01 5.66E-01 1.01E-06 4.60E-05
2.53E+05 1.51E-02 101.1366795 -0.819207104
10
0.45
1000
0.036151609
1.59E-01 2.27E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.02E+05 1.79E-02 80.26529102
11
0.35
1500
0.02
9.62E-02 2.08E-01 1.01E-06 4.60E-05
7.24E+04 1.92E-02 453.4374067
12
0.45
1000
-0.07
1.59E-01 4.40E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.97E+05 1.58E-02 70.58879419 -0.345885092
5
0.35
1500 -0.038909129 9.62E-02 4.04E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.41E+05 1.68E-02 395.7509287 -0.599135359
30.79664752
-0.028715016
15
0.45
1000
0.014872052
1.59E-01 9.35E-02 1.01E-06 4.60E-05
4.19E+04 2.17E-02 97.14575295
0.021486497
2.889513377
0.036543807
16
0.3
1500
-0.005
7.07E-02 7.07E-02 1.01E-06 4.60E-05
2.11E+04 2.55E-02 1300.846604 -0.032521165
13.00846604
17
0.4
1000
-0.09
1.26E-01 7.16E-01 1.01E-06 4.60E-05
2.85E+05 1.47E-02 118.7814131 -0.962129446
11
0.35
1500 -0.030194112 9.62E-02 3.14E-01 1.01E-06 4.60E-05
1.09E+05 1.76E-02 416.2629805 -0.379500468
I
II
III
IV
V
VI
Ali Hasimi Pane
HP: 0813 7093 4621
(m )
198.622999
0.060954219
23.2024549 -0.522055235
40.1830229
-0.001516915
0.048483085
-0.061516915
6.960736471
-0.151516915
0.166062342
3.321246833
0.093848391
0.690691141
23.02303805
0.312026636
199.806 -0.469665893
8
8.719495558
0.148483085
5.004063552
50.72277111
-0.006151609
19.37442268
-1.458480452
5.004063552
0.053848391
-0.036151609
-0.054634694
96.40966848
0.015127948
-0.014872052
21.0895824
-0.038720443
0.27368076
8.897740102
0.060426043
0.629783019
31.48915095
0.065294786
1.264125919
59.85561927
-0.001090871
0.038909129
-0.031090871
18.2046023
-0.091090871
0.104901824
5.803438775
0.046345721
0.181374963
18.13749627
-0.658743664
-1.352664582
9.882431187
21.38065436
25.13738219
64.62001375
62.41601596
0.010194112
0.021671755
0.030194112
-0.059805888
0.016671755
-0.068328245
-0.008522357
ali.h.pane@gmail.com