Analisa
Aliran Fluida pada Pipa Acrylic Diameter 12,7 mm dan 38,1 mm
disusun
oleh:
Muhammad Azhar
Rizki
Latar
Belakang
Salah satu visi
pendidikan sains adalah mempersiapkan sumber daya manusia yang handal dalam
sains dan teknologi serta memahami lingkungan sekitar melalui pengembangan
keterampilan berpikir, penguasaan konsep esensial, dan kegiatan teknologi.
Kompetensi rumpun sains salah satunya adalah mengarahkan sumber daya manusia
untuk mampu menerjemahkan perilaku alam.
Salah satu fenomena alam yang sering
ditemukan adalah fenomena fluida. Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat
mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air
dan zat gas seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu atau besi
tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air
merupakan salah satu contoh zat cair. Masih ada contoh zat cair lainnya seperti
minyak pelumas, susu, dan sebagainya. Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke
dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat
yang lain.
Fenomena fluida statis
(fluida tak bergerak) berkaitan erat dengan tekanan hidraustatis. Dalam fluida
statis dipelajari hukum-hukum dasar yang berkaitan dengan konsep tekanan
hidraustatis, salah satunya adalah hukum Pascal dan hukum Archimedes.
Hukum Pascal diambil dari nama penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis. Sedangkan hukum Archimedes diambil dari
nama penemunya yaitu Archimedes (287-212 SM) yang berasal dari Italia.
Hukum-hukum fisika dalam
fluida statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia dalam
kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal dan prinsip hokum
Archimedes. Namun, belum banyak masyarakat yang mengetahui hal tersebut. Oleh
karena itu, diperlukan studi yang lebih mendalam mengenai hukum Pascal dan
hokum Archimedes sertapenerapannya dalam kehidupan.
Pengertian Fluida dan Macamnya
Fluida
merupakan suatu zat yang dalam keadaan setimbang tak dapat menahan gaya atau
tegangan geser (shear force). Definisi
lain dari fluida adalah zat yang dapat
mengalir yang mempunyai
partikel yang mudah
bergerak dan berubah
bentuk tanpa pemisahan massa.
Ketahanan fluida terhadap
perubahan bentuk sangat
kecil sehingga fluida dapat
dengan mudah mengikuti bentuk ruang. Berdasarkan wujudnya, fluida dapat
dibedakan menjadi dua yaitu:
2. Fluida
cair, merupakan fluida dengan partikel yang rapat dimana gaya tarik antara
molekul sejenisnya sangat kuat dan mempunyai permukaan bebas serta cenderung
untuk mempertahankan volumenya.
Fluida cair merupakan fluida yang tidak termampatk
Sifat-sifat
Fluida
Semua fluida sejati
mempunyai atau menunjukkan sifat-
sifat atau karakteristik - karakteristik yang
penting.
1) Berat Jenis
Berat Jenis (specific weight) dari suatu fluida, dilambangkan dengan (gamma) didefinisikan sebagai berat tiap
satuan volume. Dirumuskan sebagai berikut :
dimana;
= berat jenis (N/m3)
r
= kerapatan zat, (kg/m3)
g
= percepatan gravitasi = 9,81 m/s2
2) Kerapatan
Kerapatan suatu fluida
didefinisikan sebagai massa
tiap satuan volume
pada suatu temperatur dan
tekanan tertentu. Kerapatan
dinyatakan dengan ρ
(adalah huruf kecil Yunani yang
dibaca “rho”) dan dirumuskan sebagai berikut :
Kerapatan fluida bervariasi
tergantung jenis fluidanya.
Untuk fluida gas, perubahan temperatur
dan tekanan sangat
mempengaruhi kerapatan gas.
Untuk fluida cairan pengaruh
keduanya adalah kecil.
Jika kerapatan fluida
tidak terpengaruh oleh perubahan temperatur maupun tekanan
dinamakan fluida incompressible atau fluida tak
mampu mampat.
3) KerapatanKerapatan relatif
merupakan perbandingan antara
kerapatan fluida tertentu terhadap kerapatan
fluida standard, biasanya
air pada 4oC (untuk
cairan) dan udara (untuk
gas). Kerapatan relatif
(specific gravity disingkat
SG) adalah besaran
murni tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan sebagai
berikut :
4) Tekanan
Tekanan didefinisikan sebagai besarnya
gaya (F) tiap satuan luas
bidang yang dikenainya (A).
Apabila suatu zat
(padat, cair, dan
gas) menerima gaya
yang bekerja secara tegak lurus
terhadap luas permukaan zat tersebut, maka dapat dirumuskan :
Dimana : P = tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = luas penampang (m2)
Satuan SI (Satuan Internasional) untuk tekanan adalah Pa
(Pascal) turunan dari Newton/m2. Dalam teknik memang lebih banyak digunakan satuan tekanan lain
seperti psi (pound per square inch),
bar, atm, kgf/m2atau
dalam ketinggian kolom
zat cair seperti cmHg. Apabila
suatu titik (benda)
berada pada kedalaman
h tertentu di
bawah permukaan cairan seperti
yang ditunjukkan pada
gambar 2.1, maka
berat benda membuat cairan
tersebut mengeluarkan tekanan.
Tekanan yang dipengaruhi
oleh kedalaman zat cair
ini disebut dengan
tekanan hidrostatis. Tekanan
ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan
tersebut mengeluarkan tekanan.
Gaya yang bekerja pada luasan tersebut adalah F = mg = ρAhg, dengan Ahadalah volume benda tersebut, ρ adalah kerapatan cairan (diasumsikan konstan), dan gadalah percepatan gravitasi. Kemudian tekanan hidrostatis Ph adalah
Pemahaman tekanan hidrostatis
dengan melakukan percobaan
yang menggunakan kaleng bekas
tanpa tutup yang
diberi lubang berbeda
pada ketinggian, tetapi terletak
pada satu garis
vertical, maka seluruh
lubang akan memancarkan
air.Tetapi, masing-masing lubang
memancarkan air dengan
jarak yang berbeda.
Lubang paling dasarlah yang memancrakan air paling deras. Jadi, gaya gravitasi menyebabkan zat cair
dalam wadah selalu
tertarik kebawah. Semakin
tinggi zat cair
dalam wadah,maka akan semakin
besar tekanan zat cair itu,
sehingga makin besar juga tekanan zat cair pada dasar wadahnya.
Tekanan Gauge
adalah selisih antara
tekanan yang tidak
diketahui dengan tekanan atmosfer
(tekanan udara luar).
Nilai tekanan yang
diukur oleh alat
pengukur tekanan adalah tekanan
gauge.Adapun tekanan sesungguhnya
disebut dengan tekanan mutlak.
Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer
P = Pgauge + Patm
Alat ukur
tekanan dan beberapa
jenis alat lainnya
telah diciptakan untuk mengukur tekanan,
diantaranya yang paling
sederhana adalah manometer
tabung terbuka, seperti diperlihatkan
pada Gambar 2.2.
Manometer tersebut digunakan
untuk mengukur tekanan tera
yang terdiri dari
sebuah tabung yang
berbentuk U yang
berisi cairan, umumnya mercury (air raksa) atau air.
Gambar Manometer U
5) Temperatur
Temperatur berkaitan dengan
tingkat energi internal
dari suatu fluida. Setiap atom
dalam suatu benda
masing-masing bergerak, baik
itu dalam bentuk
perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Makin tingginya
energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi temperatur benda tersebut.
Temperatur diukur dengan
alat termometer. Empat macam
termometer yang paling dikenal
adalah Celsius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin. Perbandingan antara satu jenis
termometer dengan termometer lainnya mengikuti
6) Kekentalan
Kekentalan (viskositas) diartikan
sebagai tahanan internal
terhadap aliran, dan beberapa
ahli dapat juga mendefiniskan sebagai gesekan dari fluida. Kekentalan adalah nilai yang diukur dari tahanan fluida
yang berubah bentuk karena tegangan geser (shear stress) maupun
tegangan tarik (tensile
stess). Dalam kehidupan
sehari-hari dapat kita jumpai pada fluida seperti air, jelly,
madu, susu, dapat pula dikatakan karena tegangan geser air
kecil, sehingga mudah
jatuh maka viskositas
air lebih kecil
dibandingkan dengan madu, karena
madu mempunyai tegangan
geser internal yang lebih besar, sehingga saat diteteskan madu lebih
sulit untuk jatuh dibandingkan dengan air.
Pengertian yang paling
sederhana adalah bahwa
semakin kecil nilai
viskositas maka semakin mudah suatu fluida untuk bergerak. Fluida ideal
adalah fluida yang tidak memiliki tahanan gesekan terhadap tegangan geser,
atau biasanya disebut juga dengan
inviscid fluid, sedangkan
fluida normal selalu
mempunyai tahanan gesekan
terhadap tegangan geser,
yang disebut dengan
viskos fluid. Rheology
adalah ilmu yang mempelajari aliran
suatu benda. Yang
didalamnya terdapat juga
konsep viskositas,
thermofluid dan hubungan
lainnya.
Hubungan antara tegangan geser
dan viskositas dan perubahan kecepatan dapat dipahami pada
kasus aliran diantara
dua plat datar
seperti yang ditunjukkan
pada gambar 2.3. Misalkan jarak antar plat adalah y dan diantara plat tersebut terdapat fluida
dengan isi yang
homogen. Asumsikan bahwa
plat sangat luas.
Dengan luas A yang
besar, pengaruh rusuk dapat
dianggap tidak ada.
Pada plat bagian
bawah diaanggap tetap lalu
diberikan gaya sebesar F pada plat atas.
Bila ternyata gaya ini menyebabkan material diantara dua plat bergerak
dengan perubahan kecepatan u, gaya yang diberikan proposional dengan luas dan
perubahan kecepatan.
Gambar Perubahan bentuk akibat
dari penerapan tegangan geser
Gaya yang diberikan sebanding
dengan luas dan gradien kecepatan dalam fluida:
Persamaan ini dapat dinyatakan
dalam tegangan geser
dimana;
= tegangan geser (N/m2)
= viskositas dinamik (Pa.s)
A = luas
penampang lempeng (m2)
du/dy = gradien
kecepatan (s-1)
Hal penting yang dapat
disimpulkan adalah sebagai berikut:
Ø
Tegangan geser
berbanding lurus dengan
perubahan kecepatan dengan
arah tegak lurus layer.
Ø
Teganan
geser juga berbanding lurus dengan nilai viskositas suatu fluida, semakin besar nilai
viskositas fluida, semakin
besar pula tegangan
geser yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida.
Gambar Perbandingan laju
regangan geser terhadap tegangan geser
Keterangan:
Ø
Newtonian: fluida
yang memiliki nilai
viskositas konstan, misalnya
air dan juga sebagian besar gas.
Ø
Shear
thickening: viskositas akan naik dengan kenaikan laju geseran.
Ø
Shear thinning:
viskostias menurun dengan pertambahan geseran. 12
Ø
Thixotropic: material
yang mempunyai viskositas
rendah ketika digerakkan, diberikan tegangan
Ø
Rheopectic: materials
yang mempunyai viskositas
meningkat ketika digerakkan, terkena benturan, maupun diberi
tegangan.
Ø
A Bingham
plastic adalah material
yang mempunyai wujud
solid ketika teganan kecil
tetapi mengalir ketika
diberi tegangan besar
is a material
that behaves as a
solid at low stresses but flows as a viscous fluid at high stresses.
Perbandingan antara
viskositas dinamik dan kerapatan
(density) disebut viskositas
kinematik, yaitu:
Kerapatan, viskositas
kinematis dan viskositas
dinamik suatu fluida
sangat dipengaruhi oleh temperatur. Sifat-sifat fisik air dan berbagai
zat cair lainnya terhadap pengaruh variasi temperatur diberikan di dalam Tabel.
7) Persamaan Dasar Bernoully
Fluida tak
termampatkan (inkompresibel) yang
mengalir melalui suatu
penampang sebuah
pipa dan saluran apabila
aliran bersifat tunak
(steady state) dantanpa
gesekan (insviscid) akan
memenuhi hukum yang
dirumuskan oleh Bernoulli. Perumusan tersebut dapat dijabarkan
dari Persamaan Energi pada aliran
fluida melalui sebuah penampang pipa silinder sebagai berikut :
Energi masuk =
Energi keluar
dimana; Ep =
Energi potensial (J)
Ek = Energi kinetik (J)
Pv = Energi tekanan (J)
Sehingga dapat dirumuskan :
Dimana Z : elevasi (tinggi tempat)
|
Tinggi
tekanan
|
|
Tinggi
Kecepatan
|
8) Kerugian Minor
Kerugian minor diberikan
dalam bentuk koefisien
kerugian (loss coefficient), yang didefinisikan sebagai :
Sehingga, head loss:
Cara menentukan nilai
koefisien kerugian, K untuk berbagai
bentuk transmisi
pipa dan berbagai jenis komponen sistem pipa akan diperinci seperti di
bawah ini:
a) Ujung masuk
(inlet) dan ujung keluar (exit) pipa
Fluida mungkin
mengalir dari reservoir
ke dalam pipa
dengan bentuk ujung masuk
tertentu. Jika V
menyatakan kecepatan aliran
setelah masuk pipa,
maka nilai koefisien kerugian, K dari persamaan 56 untuk berbagai bentuk ujung masuk pipa yang
terhubung dengan reservoir
Untuk menghitung kerugian
pada ujung pipa
keluar, menurut Sularso
(1987)
digunakan rumus seperti persamaan:
dimana K = 1 dan V adalah kecepatan
rata di pipa keluar
b) Belokan pipa
lengkung
Belokan dalam pipa
menghasilkan kerugian head yang lebih besar daripada pipa yang lurus.
Kerugian disebabkan daerah
yang terpisah dari
aliran dekat bagian
dalam belokan (terutama jika tikungan tajam) dan aliran sekunder
berputar yang terjadi karena adanya
ketidakseimbangan gaya sentripetal
akibat kelengkungan garis
tengah pipa. Efek-efek dan
nilai-nilai terkait untuk besar
Reynolds Numbers yang mengalir melalui sebuah belokan
c) Komponen-komponen
pipa
Beberapa komponen pipa
yang tersedia secara
komersial (seperti katup,
siku, tee, dsb), nilai
koefisien kerugian K
sangat bergantung pada
bentuk komponen dan sangat
lemah pada bilangan
Reynolds yang besar.
Nilai-nilai khas K
untuk untuk komponen tersebut
diberikan dalam Tabel 2.4.
Tabel Nilai koefisien kerugian minor K berbagai komponen sistem perpipaan
d) Perubahan
penampang pipa mendadak
Pada kerugian yang terjadi karena perubahan penampang, secara sederhana nilai K merupakan
fungsi aspek rasio.
Aspek rasio adalah
perbandingan penampang yang lebih
kecil dengan penampang
yang lebih besar.
Untuk perubahan penampang
seperti pembesaran penampang pipa mendadak (sudden expansion) dan pengecilan penampang pipa mendadak
(sudden contraction).
Macam dan Aliran Fluida
Fluida yang
bergerak dapat diklasifikasikan ke
dalam beberapa katagori.
Apakah alirannya steadi atau tak steadi, apakah fluidanya kompresibel
(dapat mampat) atau inkompresibel (tak dapat mampat), apakah fluidanya viskos
atau non -viskos, atau apakah aliran fluidanya laminar atau turbulen. Jika
fluidanya steadi, kecepatan partikel fluida pada setiap
titik tetap terhadap waktu.
Fluida pada berbagai
bagian dapat mengalir dengan laju
atau kecepatan yang berbeda, tetapi fluida pada satu lokasi selalu mengalir
dengan laju atau kecepatan yang tetap.
Fluida inkompressibel adalah
suatu fluida yang
tak dapat dimampatkan.
Sebagian besar cairan
dapat dikatakan sebagai inkompressibel. Dengan
mudah anda dapat mengatakan
bahwa fluida gas
adalah fluida kompressibel, karena
dapat dimampatkan. Sedangkan fluida
viskos adalah fluida
yang tidak mengalir dengan mudah, seperti madu
dan aspal. Sementara
itu, fluida tak-viskos
adalah fluida yang mengalir
dengan mudah, seperti air.
Aliran fluida
dapat dibedakan menjadi
aliran laminar dan
aliran turbulen, tergantung pada
jenis garis alir yang dihasilkan oleh partikel-partikel fluida. Jika aliran
dari seluruh partikel fluida bergerak
sepanjang garis yang
sejajar dengah arah
aliran (atau sejajar dengan garis tengah pipa, jika fluida mengalir di
dalam pipa), fluida yang seperti ini dikatakan laminar.
Fluida laminar
kadang-kadang disebut dengan
fluida viskos atau
fluida garis
alir (streamline). Kata
laminar berasal dari bahasa latin lamina, yang berarti lapisan atau plat
tipis. Sehingga, aliran
laminar berarti aliran
yang berlapis-lapis. Lapisan-lapisan fluida akan saling
bertindihan satu sama lain tanpa bersilangan
seperti pada Gambar 2.5(atas).Jika gerakan partikel fluida tidak lagi
sejajar, mulai saling bersilang satu sama lain sehingga terbentuk pusaran di
dalam fluida, aliran yang seperti ini disebut dengan aliran turbulen, seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 (bawah).
Gambar Aliran laminar (atas)
dan aliran turbulen (bawah)
Karakteristik struktur
aliran internal (dalam
pipa) sangat tergantung
dari kecepatan rata-rata aliran
dalam pipa, densitas,
viskositas dan diameter
pipa. Aliran fluida (cairan
atau gas) dalam
pipa mungkin merupakan
aliran laminer atau
turbulen.Perbedaan antara aliran
laminar dan turbulen
secara eksperimen pertama
sekali dipaparkan oleh Osborne Reynolds
pada tahun 1883.
Eksperimen itu
dijalankan dengan menyuntikkan
cairan berwarna ke
dalam aliran air
yang mengalir di
dalam tabung kaca. Jika fluida bergerak dengan kecepatan cukup rendah,
cairan berwarna akan mengalir di
dalam sistem membentuk
garis lurus tidak
bercampur dengan aliaran
air.
Pada kondisi
seperti ini, fluida
masih mengalir secara laminar. Jadi
pada prinsipnya, jika fluida
mengalir cukup rendah seperti
kondisi eksperimen ini, maka terdapat
garis alir. Bila
kecepatan fluida ditingkatkan,
maka akan dicapai
suatu kecepatan kritis. Fluida
mencapai kecepatan kritis dapat ditandai dengan terbentuknya gelombang
cairan warna. Artinya garis alir tidak lagi lurus, tetapi mulai bergelombang
dan kemudian garis
alir menghilang, karena
cairan berwarna mulai menyebar secara seragam ke seluruh arah fluida air.
Perilaku ketika
fluida mulai bergerak
secara acak (tak
menentu) dalam bentuk arus-silang
dan pusaran, menunjukkan bahwa aliran air tidak lagi laminar. Pada kondisi
seperti ini garis
alir fluida tidak
lagi lurus dan
sejajar
Gambar Percobaan Reynold
tentang Aliran laminar (a) dan aliran turbulen (b)
Menurut Reynold,
untuk membedakan apakah
aliran itu turbulen
atau laminar
dapat menggunakan bilangan tak
berdimensi yang disebut dengan Bilangan Reynold.
Bilangan ini dihitung dengan
persamaan berikut :
dimana;
Re = Bilangan Reynold (tak berdimensi)
V = kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
D = diameter pipa (ft atau m)
v =
viskositas kinematik (m2/s)
Pada Re < 2300, aliran
bersifat laminer.
Pada Re > 4000, aliran
bersifat turbulen.
Pada Re = 2300-4000 terdapat
daerah transisi
Desain Alat
Desain alat yang digunakan
pada penelitian kerugian tekanan dalam sistem perpipaan
ini adalah desain alat yang
sederhana. Alat yang dibuat di desain untuk mengsirkulasikan fluida air, dari
bak air ke pipa pengujian dengan bantuan
pompa, dan untuk pengaturan debit aliran fluidanya
menggunakan katup pengatur (valve) seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar Skema
Alat Penguji
Pipa pengujian yang transparan
akan dapat membantu untuk melihat
aliran dari fluida tersebut.Untuk mendapatkan
data yang terbaik diperlukan ketelitian yang cukup baik
dalam mengamati dan proses pengambilan data, karena rangkaian seperti diatas
yang fluidanya mengalir dengan dorongan pompa membuat debit
maupun pembacaan perbedaan ketinggian sangat fluktuatif.
Setup Alat
Alat yang
digunakan dalam penelitian
ini dirakit sendiri dengan mengacu pada referensi peneliti dan buku
mekanika fluida. Komponen- komponen yang
digunakan pada alat pengujian
ini adalah:
1. Rangka meja uji
Rangka meja
uji digunakan sebagai chassis dari peralatan uji
ini tempat meletakkan
segala komponen dari alat
uji. Rangka meja
uji ini terbuat dari
besi siku yang
dirangkai dengan menggunakan las.
Alas meja untuk
meletakkan pipa acrylic terbuat
dari triplek dan
alas meja untuk meletakkan bak
air terbuat dari papan kayu.
2. Pompa sentrifugal
Pompa
sentrifugal berfungsi sebagai media u ntuk mengalirkan fluida dari bak air ke
rangkaian alat penguji. Pompa sentrifugal yang digunakan adalah pompa slurry . Pompa slurry
adalah pompa yang digunakan
untuk mengalirkan fluida
cair dan padat. Pompa slurry dipasangkan
didalam bak air. Adapun spesifikasi dari
pompa slurry yang digunakan adalah:
- Merk dari pompa Nocchi DPV 160 / 6.
- Buatan dari Italia.
- Maximum head
6 m.
- Maximum debit 160 L / 1’.
- Liquid temperature 40°C.
- Frekuensi 50 HZ.
- Putaran 2850 rpm.
3. Pipa
pengujian
1. Pipa pengujian
yang digunakan adalah
pipa acrylic . Pipa acrylic yang digunakan sebanyak 3 pipa penguji yang
terdiri dari: pipa acrylic dengan diameter luar 38,1 mm (1,5 inci) dan
diameter dalam 32 mm (1,26 inci) dengan panjang 2 m.
2. pipa acrylic
dengan di ameter luar 25,4 mm (1 inci) dan diameter dalam 18 mm (0,71
inci) dengan panjang 2 m.
3. pipa acrylic
dengan diameter luar 12,7 mm (0,5 inci) dan diameter dalam 9,5 mm (0,37
inci) dengan panjang 2 m. Tujuan menggunakan pipa
acr ylic untuk penelitian karena
pipa acrylic pipa
yang transparan sehingga jalannya aliran fluida dapat dilihat.
4. Piezometric
Piezometric digunakan sebagai alat
ukur tekanan dengan cara mengukur beda tekanan yang terjadi diantara dua titik pada
pipa penguji. Piezometric dibuat dari
selang akuarium yang
diameter dalamnya 10 mm dan dipasang pada taping pipa acrylic. Piezometric
ini dipasang pada millimeter blok yang sudah diberi ukuran dan
ditempelkan pada triplek, tinggi triplek tersebut 2,35 m dari perm ukaan meja
penguji.
5. Rangkaian pipa PVC
Pipa PVC digunakan
untuk mengalirkan fluida dari bak air sampai pada sambungan
antara pipa PVC dengan pipa acrylic
, alasan
menggunakan pipa PVC dikarenakan
pipa PVC dianggap mempunyai permukaan dalam yang licin
(smooth)sehingga kerugian karena
losses dapat ditekan. Pipa
PVC yang digunakan
yaitu diameter ½”, diameter ½” digunakan dari bak air
sampai inletsuction pada
pompa dan diameter
½” juga digunakan pada discharge suction pada pompa.
6. Katup pengatur ( V alve )
Katup pengatur berfungsi
untuk mengatur kecepatan aliran
fluida pada pipa pengujian. Ada tiga
jenis katup pengatur pada pipa, diantaranya yaitu:
1. Katup pengatur pada pipa discharge pompa yang berfungsi untuk mengatur kecepatan
fluida yang masuk pada pipa uji.
2. Katup
pengatur pada by
pass pipe yang berfungsi untuk mengatur kecepatan
fluida pada by pass
pipe agar aliran
yang bersirkulasi pada rangkaian
konstan dan mencegah terjadinya
“water hammer”.
3. Katup pengatur pada percabangan sebelum
pipa uji
berfungsi untuk mengatur
fluida yang masuk pada salahsatu pipa pengujian.
7. Bak air
Bak air berfungsi sebagai media penyimpan fluida selama uji coba, bak air
yang digunakan terbuat dari plastik sehingga
tahan terhadap korosi. Kapasitas bak air yang digunakan 76 L.
Semua peralatan komponen diatas dirangkai menjadi instalasi seperti pada
gambar . Setelah peralatan dirangkai
menjadi instalasi, maka baru
diadakan penelitian. Pada penelitian tersebut diperlukan juga
peralatan pembantu untuk mengukur variabe l- variabel lainnya, yaitu:
·
Gelas ukur
Gelas ukur
digunakan untuk mengetahui volume fluida dalam waktu tertentu, dari volume
fluida yang didapat akan digunakan untuk mengetahui
debit fluida
yang mengalir.
·
Stopwatch
Stopwatch digunakan
untuk mengukur waktu yang diperlukan untuk mengisi gelas
ukur.
·
Thermometer
Thermometer digunakan untuk mengetahui suhu fluida
selama pengujian. Hal ini diperlukan karena suhu sangat berpengaruh
terhadap viskositas
fluida.
·
Busur
derajat
Busur
derajat digunakan untuk mengetahui besar
pembukaan pada katup.
Unit
Pengujian
Unit pengujian
yang dilakukan pada penelitian ini adalah
1.
Unit
Pengujian Langsung
Unit pengujian langsung adalah semua variabel yang
diukur langsung pada saat
penelitian,nilainya bis a langsung
dapat diketahui tanpa
diperlukan perhitungan lebih lanjut.
Unit pengujian langsung pada penelitian ini terdiri dari pengukuran suhu
(°C), beda ketinggian (m), volume
fluida yang tertampung (ml)
dan waktu penampungan (s).
Seluruh nilai unit pengujian langsung digunakan sebagai
input data untuk
mendapatkan nilai unit pengujian
tidak langsung.
2.
Unit
Pengujian Tidak Langsung
Unit
pengujian tidak langsung adalah semua variabel yang nilainya didapat dari
perhitungan dan digunakan untuk bahan
pengamatan analisa. Pada pengujian ini unit pengujian langsung
terdiri dari debit (Q),
kecepatan (V), bilangan Reynolds
(Re), dan koefisien gesek (λ).
Persiapan Pengujian
Persiapan yang
dilakukan dalam melakukan pengujian adalah:
· Menyiapkan tempat untuk ruang pengujian. Tempat untuk ruang penguijian
tidak sempit dan cukup luas
supaya pengujian dapat
· dilakukan dengan baik.
· Membuat rangka tempat untuk meletakkan
· peralatan pengujian, sehingga
peralatan dapat disusun dan
menghindari terjadi getaran pada waktu pengujian.
· Membuat rangkaian alat pengujian dengan menggunakan 3 pipa diameter yang
berbeda dan permukaan yang licin (smooth),
pompa, katup, dan bak
penampung sedemikian
sehingga membentuk loop
tertutup serta pembiasan air yang
tersirkulasikan.
· Untuk pipa acrylic diameter dalam 9,5 mm (0,37 inci),
pipa acrylic dilubangi
dengan diameter 1 mm
yang berjarak 0,5 m dari
ujung pipa (tempat aliran masuk).
· Untuk pipa acrylic d iameter dalam 32 mm (1,26 inci),
pipa acrylic dilubangi
dengan diameter 2 mm
yang berjarak 1
m dari lubang pertama
dengan diameter lubang 2 mm.
Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian
yang dilakukan pada saat pengambilan data adalah sebagai
berikut:
· Memasukkan fluida kedalam
bak air dengan volume 76 L.
· Menghidupkan pompa, sehingga fluida dapat
mengalir melalui instalasi pipa sehingga terjadi sirkulasi
aliran fluida.
· Menampung fluida yang
keluar dari pipa pengujian dengan
gelas ukur dan mencatat waktunya dengan menggunakan stopwatch
· Mengamati tinggi air
pada kedua Piezometric sesuai
dengan bukaan katup, mengamati
sampai tinggi keduanya relatif
stabil (dalam keadaan tidak naik turun
air yang ada
dipiezometric lurus).
· Kemudian mencatat tinggi h 1 dan h
2 pada
piezometric lurus.
· Mengulangi pengambilan data dengan mengatur
bukaan katup dari minimal sampai maksimal.
· Pengambilan data yang
dilakukan dimulai dari aliran
dengan bilangan Reynolds kecil
(laminar) sampai dengan bilangan
Reynolds besar (turbulen) , dan
· Untuk pengambilan data
berikutnya adalah dengan
mengalirkan fluida ke pipa penguji dengan diameter berbeda
dan permukaan pipa
yang licin (smooth) , proses
pengambilan data sama dengan
proses pengambilan awal.
Metode Pengambilan Data
Metode pengambilan data yang
dilakukan pada penelitian ini ada dua macam yaitu:
1. Dengan
cara mengurutkan sesuai dengan debit yang diperoleh kemudian mengurutkannya kembali
sesuai dengan urutan ditinjau
dari bilangan Reynold yang
diperoleh.
2. Pengujian dilakuk an pada pipa acrylic diameter dalam 9,5 mm (0,37 inci), 18
mm (0,71 inci) dan 32 mm (1,26 inci) dengan
permukaan pipa licin. Pengujian ini dilakukan dengan secara berulang
yaitu sebanyak tiga kali untuk setiap bukaan katup. Berikut ini urutan pengambilan
data:
1. Pengujian koefisien
gesek pada pipa acrylic
diameter dalam 9,5
mm (0,37 inci) permukaan pipa licin dengan
fluida air.
2. Pengujian
koefisien gesek pada pipa
acrylic diameter dalam
18 mm (0,71 inci) permukaan pipa licin
dengan fluida air.
3. Pengujian
koefisien gesek pada
pipa acrylic diameter dalam 32
mm (1,26 inci) permukaan pipa
licin dengan fluida air.
Selama proses pengujian pengecekan suhu fluida
harus sering dilakukan
guna mengetahui viskositas fluida
aktual dari fluida
dan untuk mendapatkan hasil yang
benar dan kerja alat penguji sambil dicek agar tidak terjadi penyimpang
Metode Pengolahan Data
Untuk kemudahan pengambilan
data, maka diambil asumsi- asumsi sebagai berikut:
1. Fluida
yang digunakan termasuk
kedalam fluida incompressib le
(tak mampu mampat) sehingga persamaan yang digunakan adalah persamaan
untuk aliran tak mampu mampat.
2. Fluida yang
digunakan adalah fluida yang termasuk fluida Newtonian.
3. Fluida
yang mengalir pada
pipa tidak mengalami kebocoran
sehingga volume dalam rangk aian
dianggap tetap.
4. Permukaan yang diamati untuk pipa acrylicdiameter dalam 9,5 mm (0,37 inci), 18
mm (0,71 inci), dan 32 mm (1,26 inci) dengan permukaan pipa yang licin
(smooth).
Pada pengolahan
data ini kembali
pada tujuan penelitian, maka pengolaha n data dilakukan guna memperoleh
hubungan antara:
1. Bilangan
Reynolds (Re) dengan
koefisien gesek (λ).
2. Koefisien
gesek ( λ ) dengan
kecepatan (V) aliran fluida air.
3. Koefisien
gesek ( λ ) dengan
beda kerugian tinggi tekan (∆H).
4. Koefisien
gesek ( λ ) dengan
diameter (D) pipa pengujian.
PEMBASAHAN
Pengujian dilakukan
pada pipa pengujian Diameter 12,7 mm (0,5 inci) dan
38,1 mm (1,5 inci) dengan 13 kali
bukaan katup, diantaranya:
bukaan katup 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85°,
90°. Dari setiap katup dilakukan sebanyak 3 kali dan hasilnya dirata -
ratakan. Pengujian dilakukan dengan mengukur temperatur fluida
air terlebih dahulu dengan menggunakan termometer
air. Pengukuran temperatur bertujuan
untuk mendapatkan nilai temperaturnya (T).
Temperatur (T) fluida air
didapat maka akan mendapatkan
nilai viskositas (v )
fluida airnya. Lalu fluida
disirkulasikan ke pipa
pengujian dengan menggunakan pompa.
Supaya stabil, fluida dibiarkan beberapa
menit untuk bersirkulasi.
Setelah fluida bersikulasi stabil,
volume fluida ditampung kedalam gelas
ukur selama 10
detik. Maka volume fluida yang masuk kedalam gelas ukur
selama 10 detik didapat. Ini bertujuan untuk menghitung debit (Q) fluida
airnya. Karena diameter dalam pipa (D) sudah diketahui, maka dapat menghitung
luas penampang pipa (A). Sehingga bisa
untuk menghitung kecepatan dari fluida air. Nilai volume (V),
diameter dalam (D ) pipa, dan
viskositas ( v ) fluida
air akan digunakan
untuk mencari nilai bilangan
Reynold nya (Re). Sedangkan data perbedaan head tekanan
digunakan untuk mencari nilai koefisien
gesek ( λ ). Dibawah
ini adalah contoh perhitungan.
4.2 Data yang diketahui sebagai
berikut:
Diameter pipa pengujia n :
diameter luar 12,7 mm (0,5 inci) dan
diameter dalam 9,5 mm (0,37 inci). Suhu fluida air pada saat pengujian :
29°C.Volume fluida air
pada gelas ukur:
2260 ml =2,26×10-3 m3.
La manya fluida air tertampung
(t): 10 detik.
Tinggi fluida air di
piezometrik 1 (h1 ) : 1252 mm =1,252 m.
Tinggi fluida air di
poezometrik 2 (h2 ) : 416 mm = 0,416 m.
Jarak antara piezometrik 1 dan 2 (L) : 1000 mm = 1 m.
Viskositas kinematik
( v ) air pada
suhu 29°C : 8,23×10-7 m2/s
(dari tabel).
Dari data- data yang sudah
diketahui diatas, maka kita dapat menghitung data- data dibawah ini
·
Debit (Q)
fluida air
·
Luas p
enampang pipa pengujian (A)
Diameter dalam (D) pipa = 9,5 mm = 9,5 × 10-3 m.
·
Kecepatan
(V) fluida air
·
Bilangan
Reynold (Re)
·
Koefisien
gesek sepanjang pipa (λ )
Hasil Perhitungan Data Analisa Aliran Fluida Air Pada Pipa Pengujian
Data penelitian
yang diambil dari
hasil
percobaan
pada pipa pengujian dengan menggunakan:
1. Pipa acrylic diameter luar 12,7
mm (0,5 inci) dan Diameter dalam 9,5 mm 0,37
inci) dengan permukaan licin.
2. Pipa acrylic diameter luar 38,1 mm (1,5 inci) dan diameter dalam
32 mm (1,26
inci) dengan permukaan licin.
Tabel Aliran Fluida Air Pada Pipa Pengujian Diameter 12,7 mm (0,5 inci)
Dengan Permukaan Licin
Tabel 4.2. Aliran Fluida Air Pada Pipa Pengujian Diameter 38,1 mm(1,5 inci)
Dengan Permukaan Licin
Gambar Grafik Re- λ Pipa Acrylic
Diameter 12,7 mm (0,5 inci) Dengan Permukaan Licin
Gambar Grafik Re- λ Pipa Acrylic
Diameter 38,1 mm (1,5 inci)
Dengan Permukaan Licin
Gambar Grafik Re - λ Gabungan Pipa
Acrylic Diameter 12,7 mm
( 0,5 inci) Dan Diameter Dalam 38,1 mm (1,5 inci) Permukaan Licin
PENUTUP
Dari hasil analisa aliran
fluida air pada pipa acrylic berdiameter 12,7 mm (0,5 inci) dan 38,1 mm (1,5
inci) dengan permukaan licin berdasarkan grafik Re - λ , dapat disimpulkan
bahwa :
1. Pada
pipa pengujian berdiameter 12,7
mm (0,5 inci) dengan permukaan
licin alirannya termasuk kedalam
aliran turbulen, koefisien
gesek (λ) terletak pada persamaan
Blassius λ = 0.3164Re -1/4 dengan grafik
Re - λ yang lurus.
2. Pada
pipa pengujian berdiameter 38,1
mm (1,5 inci) dengan permukaan
licin alirannya termasuk kedalam aliran turbulen, grafik Re- λ melengkung mendekati
lurus.
3. Nilai bilangan Reynold (Re) pada pipa pengujian berdiameter 12,7 mm
(0,5 inci) lebih besar dari nilai bilangan
Reynold (Re) pada pipa pengujian
berdiameter 38,1 mm (1,5 inci). Karena semakin bertambahnya nilai
bilangan Reynold (Re) semakin kecil nilai koefisien geseknya
(λ), maka nilai koefisien gesek
(λ) pada pipa
pengujian berdiameter 12,7 mm (0,5 inci) lebih kecil dari nilai koefisien
gesek (λ) pada
pipa pengujian berdiameter 38,1
mm (1,5 inci).
4. Pada
kecepatan yang sama (V =
konstan), jika semakin besar diameter
(D) pipa pengujiannya , maka nilai koefisien
geseknya (λ) akan
naik. Begitu juga sebaliknya,
jika semakin kecil diameter (D) pipa pengujiannya,
maka nilai koefisien geseknya (λ)
akan menurun.
DAFTAR PUSTAKA
Ridwan, seri diktat kuliah MEKANIKA FLUIDA DASAR , Penerbit Gunadarma,
Jakarta, 1999.
Olson.M.Reuben., Wright.J.Steven., diterjemahkan Alex Tr
i Kanjtono Widodo, DASAR – DASAR MEKANIKA FLUIDA TEKNIK , Edisi Kelima,
Cetakan 1, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.
Streeter.V.L., Wylie
Benyamin.E., diterjemahkan Arko
Priyono, MEKANIKA FLUIDA ,
Edisi Kedelapan, Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1999.
Daugherty.L.R., and
J.B. Franzini, FLUID MECHANICS, 6th edition, Mc
Graw Hill, Newyork, 1965.
www.yahoo.co.id/mekanika
fluida/16_fluida.pdf
Sularso., Tahara
Haruo., Pompa &
Kompresor: Pemilihan,
Pemakaian dan Pemeliharaan,
PT. Paradnya Paramita, Jakarta, 2004.
Giles.V.Ranald., diterjemahkan
Herman Widodo Suemitro, MEKANIKA DAN HIDRAULIKA , Edisi kedua, Erlangga,
Jakarta, 1996.
Alleborn, 1977, Further
Contribution on the two dimensional flow in sudden expansion, International Journal Fluid Mechanics, vol. 330, pp 169-188, Cambridge University Press.
Carsoni, 2002 , Studi
Eksperimental Aliran Searah Gas-Cair
pada Belokan, Tesis, Program Pascasarjana,
UGM, Yogyakarta.
Collier, J.G., 1981,
Convective Boilling and Condensation,McGraw-Hill Book Company, New York.
Collier, J.G., 1977, Single
phase and Two- Phase Flow Behaviour in Primary
Circuit Components, dalam Kakac
(Ed), Two Phase Flow and Heat
Transfer, Washington, Hemisphere
Publishing Corporation.
Christine Darve, 2000,
US-IT-HXTU Pressure drop distribution, http://WWW_bdNew.fnal.Gov/Cryo_darve/heat
exchanger.
Giot, M., 1981, Singular
Pressure Drops, dalam Delhaye (Ed),Thermohydro
lics of Two-Phase System for Industrial Design and Nuclear Engineering,
Washington,
Hemisphere Publishing
Corporation.Hetsroni, G., 1982, Handbook of Multiphase Systems, Hemisphere
Publishing Corporation, McGraw-Hill
Book Company, New York.Incroperra,
D. Hewitt, 1996,
Fundamentals of Heat and Mass
Transfer,Fourth Edition, John Wiley and Sons, New York. Koestoer, R.A., 1992, Aliran Dua Fase
dan
Fluks Kalor Kritis, Pradnya
Paramita, Jakarta.
Muhajir, K., 2004, Studi
Eksperimental Aliran Gas-Cair Fluida Viskos
Searah Pada Belokan Pipa U, Tesis
Program Pasca sarjana, UGM, Yogyakarta.
Oshinowo, T., Charles, M.E.,
1974, Vertical Two-Phase Flow, Part I Flow Pattern Correlations, The Journal of
Chemical Engineering, Vol. 52, pp. 25-35.
Sarjito, 2002, Studi Aliran
Dua-Fase Gas- Cair Melewati Pembesaran Saluran
SecaraMendadak Pada Penampang Lingkaran,Tesis
S-2, Jurusan Teknik Mesin Universitas Gajah
Mada, Yogyakarta.
Sheen, 1977, Flow patterns for
an annular flow over an axisymmetric sudden
expansion,International Journal Fluid Mechanics, Vol 350, pp 177-188,
Cambridge University Press.
This is dummy text. It is not meant to be read. Accordingly, it is difficult to figure out when to end it. But then, this is dummy text. It is not meant to be read. Period.
2 komentar
Click here for komentarlike dis
Replywoww sangat membantu
ReplyConversionConversion EmoticonEmoticon