WH 1 of 4

PERCOBAAN: WHTEKANAN KEJUT (SURGE) DAN WATER HAMMER

1. Tujuan: Mengukur lonjakan head dan kenaikan tekanan sekejap (kejut) akibat penutupan

aliran fluida secara mendadak

Mengukur kecepatan gelombang kejut (shock wave) dalam saluran

2. Skema alat:

V1 : inlet valveV2 : globe valve (to adjust the flowrate)V3 : ball valve (to quick close the flow)V4 : drain valveM : manometerPT : pressure transmitterR : rotameterS : inlet tank (surge reflection tank)Tubing: plastic tubing, length 50m, dia. 3/8".

3. Teori:

Apabila suatu aliran fluida dalam saluran tertutup (pipa) mendadak diubah kecepatannya,tekanan kejut (shock, surge) akan terjadi. Kejutan ini akan menimbulkan pukulan padaperpipaan (dan penyangga pipa). Apabila fluidanya air, peristiwa ini lazim disebut "waterhammer".

Perubahan tekanan sekejap (kejutan), Δp, berperilaku seperti gelombang (lazim disebut shockwave) dan merambat pada kecepatan suara (a). Kejutan bergerak dari titik awal berubahnyakecepatan aliran fluida dan bergerak kearah ujung yang lain kemudian dipantulkan kembalike titik awal. Untuk sistem perpipaan tanpa friksi, kejutan akan berlari mondar-mandir antara

V1

V2

V3

M PT R

Tubing

V4

S

WH 2 of 4

kedua ujung saluran tanpa berkurang amplitudonya. Tetapi pada umumnya setelah beberapaperioda akan hilang.

Satu perioda perjalanan kejutan, dari titik awal hingga kembali ke awal lagi, TrTr dapatdihitung dengan:

Tr = 2L=aTr = 2L=a (1)

Pada tahun 1898, Joukowsky mempublikasikan hasil berbagai eksperimen dan kajianteorinya. Ia mengusulkan persamaan untuk memperkirakan besar perubahan tekanan(kejutan) Δp dalam fluida karena perubahan kecepatan aliran yang mendadak Δv sebagaiberikut:

¢p = §½:a:¢v¢p = §½:a:¢v (2)Δv: Perubahan kecepatan aliran, m/sρ: Densiti fluida, kg/m3

a: Kecepatan perambatan gelombang (suara) melalui fluida dalam saluran, m/sΔp: Perubahan tekanan, N/m2

Arah kejutan tergantung pada tanda perubahan kecepatan aliran dan lokasi perubahan.Apabila perubahan kecepatan aliran terjadi pada ujung pengeluaran saluran, pers(2) bertandanegatif. Yakni, penutupan aliran menghasilkan kejutan naik. Sebaliknya, apabila perubahanterjadi pada ujung pemasukan, yaitu inlet atau pompa, pers(2) bertanda positif. Penghentianpompa (shut down) akan menghasilkan kejutan turun dan penghidupan pompa (start up)menghasilkan kejutan naik. Persamaan (2) hanya berlaku bila waktu perubahan kecepatanaliran kurang dari satu perioda perjalanan shock wave.

Untuk perpipaan kecil, effek water hammer relative lemah dan tidak banyak menimbulkankerusakan. Tetapi pada perpipaan besar dan panjang sering mengakibatkan kerusakan parah.Beberapa jenis katup (valve) seperti: katup seperempat putaran, ball dan buttefly valve, katuppisau bertuas, yang dapat dioperasikan dengan cepat, amat terkenal menghasilkan kerusakanparah. Kerusakan tersebut berupa:

Kejutan naik: Pipa pecah Kerusakan penyangga pipa Perusakan pompa, valve, fondasi, dan bagian dalam pipa

Kejutan turun: Pembengkokan, penekukan, pengempisan pipa plastik atau pipa logam berdinding

tipis Pelepasan lapisan pipa berlapis semen Penghisapan air atau udara dari luar pipa lewat sambungan flange Pemisahan kolom air yang kemudian diikuti tekanan tinggi ketika kolom yang

terpisah bersatu kembali (kavitasi makro).

WH 3 of 4

4. Persiapan(a) Pelajari cara kerja apparatus dan instrumentasi percobaan. Hubungi asisten atau

laboran kalau kurang jelas atau menjumpai peralatan yang rusak/tidak bekerja denganbaik.

(b) Minta kepada asisten rincian tugas saudara.

5. Percobaan dan Pengamatan

(a) Atur posisi katup bola (ball valve), V3, dan katup globe, V2, pada posisi terbuka penuh.Tutup katup pembuangan, V4.

(b) Buka katup pemasukan air, V1, sedikit demi sedikit sampai diperoleh aliran maksimumpada rotameter.

(c) Atur bukaan katup globe sehingga diperoleh kecepatan aliran yang sesuai dengantugas. Tunggu sampai diperoleh status steady.

(d) Baca tekanan manometer (tekanan hidrostatik steady state).

(e) Jalankan program akuisisi data Daq dengan memilih mode strip chart. Tekan start.

(f) Tutup katup bola secepatnya.

(g) Amati dan catat terjadinya suara hentakan, getaran, kenaikan bacaan manometer, dsb.Selama 30 detik.

(h) Hentikan akuisisi data dan simpan data dalam format excell dan text.

(i) Ulangi dari tahap (c) untuk kecepatan yang berbeda.

6. Perhitungan(a) Dari grafik response ukur periode refleksi, TrTr.

(b) Menggunakan data panjang pipa penyalur, L, perkirakan kecepatan perambatan suaradalam air di saluran, a.

(c) Dengan menggunakan persamaan Joukowsky, hitung tinggi kejut yang dihasilkan.Cocokkan dengan tinggi response kejut pada hasil akuisisi data. Jelaskan bilaberbeda/sama.

(d) Korteweg membuat korelasi antara kecepatan perambatan suara, a, dengankarakteristik mekanis fluida dan bahan salauran (pipa/tubing) sebagai berikut:

a =

vuutà 1½Kf+ c½D

±E

!a =

vuutà 1½Kf+ c½D

±E

!(3)

Dengan

½½ : densiti fluida, kg/m3

Kf : bulk elasticity fluida, Pa (untuk air: 2.2 GPa)

D : diameter rata-rata saluran, m

WH 4 of 4

δ : tebal dinding saluran, m

E : modulus elasticity Young's, Pa

c : = 1 – υ2 : bila saluran dipatok/diikat di banyak tempat sehingga tidakdapat begerak secara axial

= 1 – υ/2 : bila hanya dipatok/diikat di ujung pemasukan

= 1 : bila saluran dapat bergerak bebas secara axial atau diberiexpansion joint

υ : Poisson's ratio.

Dengan menganggap c = 1, hitunglah modulus elasticity bahan tubing penyalur.

7. Diskusi

(a) Mana yang lebih tinggi kejutannya, saluran dengan pipa baja atau pipa PVC?Mengapa?

(b) Beri beberapa contoh cara yang diterapkan dilapangan untuk meredam kejutan.

(c) Mungkinkah perambatan gelombang kejut dipakai untuk menguji kualitas materialperpipaan dilapangan? Uraikan pendapat saudara.