I.
Teori
Water Hammer
Peristiwa
palu air (water hammer)terjadi pada jaringan pipa dengan system
pengaliran
tertekan. Peristiwa tersebut berupa perubahan tekanan yang terjadi karena
perubahan kecepatan aliran di dalam pipa secara mendadak, missal karena penutupan
katup, perubahan beban pada turbin hidraulik, dan sebagainya. Tekanan palu air
tersebut merambat sepanjang jaringan pipa dengan kecepatan suara. Untuk
menghindari rusaknya pipa atau peralatan hidraulik lainnya, maka system
jaringan pengaliran tertekan harus dirancang untuk menerima tekanan oleh palu
air tersebut. Peristiwa palu air tersebut merupakan peristiwa pengaliran tak
tetap (‘transient flow’), persamaan dasarnya merupakan persamaan diferensial
parsil fungsi waktu dan tempat. Ada berbagai cara penyelesaian persamaan
tersebut yang umum digunakan.
Seperti
misalnya dengan cara grafis, pendekatan deret aritmatika, dan sebagainya.
Gambar.
Tekanan palu air dalam pipa
2
Persamaan
dasar palu air bias dijabarkan dengan menggunakan hokum Newton II tentang gerak
pertikel
F
= m dv
dt
dan
hukum konservasi massa (atau yag lebih dikenal dengan hukum kontinuitas).
Secara umum ada dua teori yang mendasari penjabaran tersebut (Parmakia,1963),
yaitu :
a. Teori
kolom air-kaku (‘rigid water column theory’)
b.Teori kolom air-elastik (‘elastic water column theory’)
Teori
kolom air-kaku, air di dalam pipa dianggap nir-pampat (‘incompressible’) dan
dinding pipa dianggap kaku. Dengan anggapan tersebut maka perubahan tekanan
yang terjadi pada katup langsung berpengaruh pada seluruh bagian pipa. Anggapan
tersebut hanya bias digunakan untuk perubahan kecepatan aliran yang terjadi
secara bertahap, dan terjadi dalam waktu yang tidak terlalu cepat
(Parmakin,1963)
Teori
kolom air-elastik, untuk menyderhanakan hitungan lebih lanjut dibuat
anggapan/pendekatan sebagai berikut ini (Parmakin,
1963);Novak,1977,Streeter,1981).
1. Agihan
kecepatan pada setiap tampang pipa sepanjang sumbu pipa seragam
2. Agihan
kecepatan pada setiap tampang pipa sepanjang sumbu pipa seragam
dan sama dengan tekanan pada sumbu pipa.
3. Tidak
terjadi ‘cavitasi’ di dalam pipa, sehingga pipa selalu penuh air
4. Pengaruh
angka banding Poisson tidak diperhitungkan
5. Kehilangan
tenaga karena gesekan sebanding dengan kuadrat airnya, serta berlaku seperti
pada pengaliran langgeng (‘steady flow’)
Kecepatan perambatan
tekanan gelombang dalam pipa tergantung pada modulus elastisitas air Eb, dan
modulus elastisitas material dinding pipa Ep, yang hubungannya dinyatakan
dengan persamaan berikut :
3
1 = 1 + Dk
Ec Eb
Ept
Dalam
hal ini D adalah diameter pipa dan t adalah ketebalan dinding pipa.
Table. Niali Ep
bermacam-macam bahan pipa
Pipe material
|
Ep(dyn / cm2)
|
(psi)
|
Aluminium
|
7.1011
|
10.106
|
Brass,bronze
|
9. 1011
|
13. 106
|
Cast-iron,gray
|
11. 1011
|
16. 106
|
Cast-iron,malleable
|
16. 1011
|
23. 106
|
Concrete,reinforeed
|
16. 1011
|
25. 106
|
Glass
|
7. 1011
|
10. 106
|
Lead
|
31. 108
|
4,5. 104
|
Lucite
|
28. 108
|
4. 104
|
Copper
|
97. 1010
|
14. 106
|
Rubber, vulcanized
|
14. 1010
|
2. 106
|
Steel
|
19. 1011
|
28. 106
|
II.
Penerapan
Water Hammer
Aplikasi sistem perpipaan untuk distribusi fluida banyak
kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Fenomena water hammer merupakan salah
satu parameter yang harus diperhitungkan dalam merancang sebuah sistem
perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika aliran
dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa
bernilai positif maupun negatif.
Sebagai contoh terdapat pada pompa
hidram (water hammer pump ) adalah teknology pompa tanpa menggunakan bahan
bakar listrik dan bahan bakar minyak, prinsip kerja pompa hidram adalah
4
menggunakan
sistem water hummer atau efek pukulan air, yang dapat mengalir kan air dari
hilir sungai
sampai
ke daerah perbukitan tanpa menggunakan listrik dan bbm , di lihat dari harga listrik
dan bbm yang mahal maka penggunaan pompa ini sangat evisien sekali. di
indonesia sudah banyak di terapkan kusus nya di tempat tempat yang minim air
yang sumber airnya jauh dari pemukiman.
III.
Kerusakan dan pencegahan efek water
hammer :
1. Kerusakan karena
benturan air
a. pompa dan katup dapat pecah karena lonjakan tekanan pada
waktu terjadi bentturan air
b.pipa dapat kempis karena tekanan negatif (tekanan vakum) yang
terjadi didalam pipa belakang pompa atau katup
c.jika putaran balik dari pompa tidak dapat dicegah dapat timbul
kerusakan akibat putaran air
2. Pencegahan benturan
air
a. untuk menghindari tekanan negatif dan pemisah kolom zat
cair,dapat digunakan tigacara yaitu pada gaya ,laluan fluida danntangki peredam
b. pencegahan lonjakan tekanan
IV.
Contoh Soal
Pipa baja sepanjang 2000m dengan kemiringan seragam
berdiameter 0,75m mempunyai ketebalan dinding 7,5cm . Pipa tersebut membawa air
dari suatu tendon yang mempunyai permukaan bebas pada elevasi 50m. Katup di
tempatkan di bagian hilir (ujung) pipa untuk mengatur debit rerata aliran
sebesar
5
1,06 . jika katup di tutup sempurna atau (penuh)
memerlukan waktu 1,4 detik, hitunglah
tekanan pukulan air maximum pada katup. Dalam hal ini
Eb=21,7x dan tegangan arah memanjang di abaikan
Penyelesaian:
Untuk
pipa baja , Ep=19.
Ec
= 1,9.109
Kecepatan
perambatan gelombang sepanjang pipa :
c
= 1378,405 m/det
Waktu
yang diperlukan gelombang kembali sampai katup adalah :
t =
=
=
2,901 detik
6
Kecepatan
air dalam pipa sebelum katup tertutup:
Vo
= = = 2,4 m/det
Tekanan
pukulan air maksimum
P=
= 1000.2,4. 1378,405
=
3,308.106
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Kesimpulan
yang dapat kami ambil dari penjabaran diatas adalah Fenomena
water hammer merupakan salah satu parameter yang harus diperhitungkan dalam
merancang sebuah sistem perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika
aliran dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa
bernilai positif maupun negatif, sebagai contoh penerapan Water Hammer
adalah pada pompa hidram. Selain itu peristiwa Water Hammer juga dapat
menyebabkan kerusakan, diantaranya pompa dan katup dapat pecah
karena lonjakan tekanan, pipa dapat kempis karena
tekanan negatif (tekanan vakum), dan lain-lain.
Untuk menanggulangi kerusakan akibat peristiwa Water Hammer
dapat dilakukan beberapa pencegahan, pertama untuk menghindari tekanan negatif
dan pemisah kolom zat cair, dapat menggunakan tiga cara yaitu pada gaya, laluan
fluida dan tangkai peredam. Kedua, dengan cara pencegahan lonjakan tekanan.