KERUGIAN JATUH TEKAN (PRESSURE DROP) PIPA MULUS ACRYLIC Ø 10MM Muhammmad Haikal Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma
ABSTRAK Kerugian jatuh tekanan (pressure drop) memiliki kaitan dengan koefisien gesek dan merupakan hal penting dari sistem aliran fluida di dalam pipa karena berhubungan dengan penggunaan energi. Air murni merupakan salah satu dari fluida-fluida sederhana yang digunakan pada penelitian kerugian jatuh tekan. Air merupakan fluida newtonian dimana viskositasnya hanya berpengaruh oleh perubahan temperatur. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui kerugian jatuh tekan yang terjadi pada aliran fluida di dalam pipa acrylic Ø 10mm, Bilangan Reynolds dan koefisien gesek. Aliran fluida memiliki karakteristik pokok (laminer atau turbulen). Nilai Bilangan Reynolds 20004000 menunjukan aliran laminer dan diatas nilai 4000 menunjukan turbulen. Nilai Bilangan Reynolds yang tinggi berarti ada kecepatan aliran yang tinggi, perluasan fluida dan viskositas yang kecil. Gesekan antara fluida dan dinding pipa dapat diabaikan karena yang digunakan adalah pipa mulus dan koefisien gesek adalah antara partikel fluida yang diam dan yang bergerak. Dari pengujian ini didapatkan data debit aliran, perbedaan ketinggian air, kecepatan aliran dan viskositas fungsi temperatur. Spesifikasi dari alat pengujian yang diperlukan juga didapatkan untuk diolah menggunakan persamaan-persamaan empiris sehingga didapatkan hasil pengolahan, tampilan grafik hasil pengolahan yang akan dibandingkan dengan grafik secara teoritis. Grafik yang ditampilkan merupakan hubungan antara Bilangan Reynolds dan koefisien gesek dimana semakin kecil Bilangan Reynolds (laminer) maka akan semakin tinggi koefisien gesek pada. Perbedaan ketinggian air melalui alat ukur (pressure gauge) juga menunjukan besar kecilnya kerugian energi tersebut. Semakin tinggi perbedaan ketinggian air antar tiap titik alat pengukur tekanan maka kerugian energi semakin besar (semakin besar nilai koefisien gesek). fluida disebut kerugian jatuh tekanan. Kerugian jatuh tekanan yang membutuhkan energi dapat direduksi dengan pengurangan hambatan dalam aliran.
1. Pendahuluan Ilmu mekanika fluida sangat berperan penting dalam mengetahui karakteristik fluida saat mengalir. Secara umum fluida terbagi menjadi 2 yaitu fluida Newtonian : fluida yang kekentalannya hanya dipengaruhi temperatur dan fluida nonNewtonian : fluida yang kekentalannya bukan saja dipengaruhi oleh temperatur tetapi dipengaruhi juga oleh perubahan kecepatan aliran dan waktu pemakaian. Fluida dapat mengalir di dalam pipa dengan kecepatan yang diinginkan bila hambatan yang terjadi di dalam pipa tersebut dapat diatasi. Kerugian energi yang di butuhkan untuk memindahkan
Tekanan Hidrostatik Tekanan hidrostatis (Ph) adalah tekanan yang dilakukan zat cair pada bidang dasar tempatnya. Dirumuskan dengan :
Rumus ini menyatakan hubungan antara tekanan p dan kedalaman h. Hubungan ini juga menyatakan bahwa tempat-tempat 1
2
yang mempunyai posisi vertikal sama akan mempunyai tekanan yang sama.
Laju Aliran Volume Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :
Dimana nilai Q tergantung dari luas penampang (A) dari fluida mengalir dan kecepatan aliran fluida (V). Selain itu debit aliran (Q) bisa juga didapat dari persamaan :
Dimana debit adalah jumlah volume fluida yang mengalir dalam periode waktu tertentu. Viskositas Viskositas (kekentalan) adalah ukuran ketahanan fluida terhadap tegangan geser pada dinding dimana fluida tersebut mengalir. Viskositas fluida ini dipengaruhi oleh banyak hal, misalnya temperature, konsentrasi larutan, bentuk partikel, dll. Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk, antara lain : a) Viskositas dinamik Viskositas dinamik adalah perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besar nilai viskositas dinamik tergantung dari faktor seperti yang dijelaskan sebelumnya. b) Viskositas kinematik Viskositas kinematik adalah perbandingan viskositas dinamik terhadap density (kerapatan) massa jenis dari fluida tersebut. Fluida Newtonian akan terus mengalir dan viskositas fluida tidak berubah sekalipun terdapat gaya yang bekerja pada fluida. Viskositas fluida akan berubah jika terjadi perubahan temperatur.
Pada fluida Non-Newtonian viskositasnya ditentukan oleh Apperant Viscosity (kekentalan sesaat) karena fluida NonNewtonian tersebut memiliki suatu sifat histerisis, hal ini disebabkan sulitnya mencari viskositas aslinya. Aliran Laminar dan Turbulen Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan dengan saling bertukar momentum secara molekuler saja. Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam habis oleh gayagaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relatif lapisanlapisan fluida yang bersebelahan. Dalam aliran turbulen, partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, dengan mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain. Aliran turbulen dapat berskala kecil yang terdiri dari sejumlah besar pusaranpusaran kecil yang cepat yang mengubah energi mekanik menjadi ketidakmampubalikan melalui kerja viskos, atau dapat berskala besar seperti pusaran-pusaran besar yang berada di sungai atau hempasan udara. Pusaranpusaran besar membangkitkan pusaranpusaran yang kecil yang pada gilirannya menciptakan turbulensi berskala kecil. Aliran turbulen berskala kecil mempunyai fluktuasi-fluktuasi kecil kecepatan yang terjadi dengan frekuensi yang tinggi. Pada umumnya, intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya Bilangan Reynolds. Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds adalah bilangan yang tak berdimensi yang digunakan untuk menentukan sifat pokok aliran, apakah laminar atau turbulen. Reynolds menemukan bahwa aliran selalu menjadi laminar bila kecepatannya diturunkan sedemikian sehingga bilangan Re lebih kecil dari 2000. Untuk instalasi
3
pipa biasa, aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen dalam daerah bilangan Re dari 2000 sampai 4000 (Steeter, V.L., 1996). Di atas nilai 4000 akan menghasilkan aliran turbulen dan intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya Bilangan Reynolds. Untuk pipa bundar yang mengalir penuh berlaku persamaan :
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Pipa bulat mulus acrylic Ø 10mm Pompa sentrifugal Tangki air Katup bola/ball valve Pressure gauge Termometer Gelas ukur Stopwatch Timbangan Pipa penyalur (PVC)
Hambatan Gesek Hambatan gesek menyebabkan kerugian jatuh tekanan, ∆h. Nilai ∆h ini didapatkan dari persamaan Darcy dan Weisbach (1806-1871) :
Dimana f adalah koefisien gesek Darcy. untuk aliran laminar dapat ditentukan dengan persamaan : 64 . f Re Untuk aliran turbulen dapat digunakan persamaan Blassius :
2. Metode Penelitian dan Alat Uji Alat uji adalah sebuah pipa acrylic dengan panjang pipa 2 m, diameter luar (Ø out) 15 mm dan diameter dalam (Ø in) 10 mm. Pipa ini dihubungkan dengan pipa penyalur (PVC) yang terhubung dengan pompa. Pompa digunakan untuk menggerakan air yang berada di dalam tangki untuk dialirkan ke dalam pipa acrylic. Pada alat uji dipasang tiga buah pressure gauge untuk mendapatkan nilai perbedaan ketinggian (h) dalam mmH2O. Pressure gauge pertama terpasang pada jarak 30xD-in, pressure gauge kedua 120xD-in dan pressure gauge ketiga terpasang 300 mm dari ujung keluaran pipa (lihat gambar 1) Komponen alat uji sebagai bagian dari percobaan adalah :
Gambar 1. Rangaian alat uji Penelitian dilakukan dengan cara merangkai alat-alat percobaan seperti gambar, kemudian fluida (air) ditampung di dalam tangki. Fluida di dalam tangki dialirkan dengan pompa melalui pipa penyalur (PVC) menuju pipa uji. Bukaan Katup bola (ball valve) diatur bervariasi untuk menghasilkan aliran fluida yang sangat lambat hingga sangat cepat. Dari percobaan didapatkan ketinggian air (h), perbedaan ketinggian (∆h), debit aliran dan temperatur fluida hingga didapatkan nilai friksi dan Re (Bilangan Reynolds).
4
3. Pembahasan dan Perhitungan
11
Dari percobaan yang telah dilakukan didapatkan data berupa perbedaan ketinggian pada pressure gauge ( h), volume fluida (V), waktu pengambilan volume fluida (t), massa fluida yang diambil dan temperatur fluida. Dari perbedaan ketinggian ( h) kemudian didapatkan perbedaan tekanan ( P), dari volume dan waktu didapatkan debit aliran (Q) dan kecepatan aliran fluida (U). Massa jenis fluida didapatkan dari massa fluida berbanding dengan volume fluida tersebut dan dari temperatur fluida dapat diketahui viskositas fluida menurut tabel sifat fisika air. Data-data yang ada digunakan untuk menghitung friksi yang terjadi dan Re (Bilangan Reynolds).
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Dapat kita lihat bahwa dengan meningkatnya nilai dari Bilangan Reynolds, maka friksi (f) yang terjadi akan mangalami penurunan. Bila kita membandingkannya friksi (f) yang didapat dari hasil percobaan dengan teori dengan Bilangan Reynolds yang sama, maka friksi dari hasil percobaan memiliki nilai lebih besar dari pada teorinya. Tabel 1. Data hasil percobaan pipa acrylic Ø 10mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
f turbulen
26 27
3917
0,0400
-
0,0431
0,0406
5010
0,0376
-
0,0451
0,0410
5898
0,0361
-
0,0415
0,0378
6465
0,0353
-
0,0425
0,0397
6892
0,0347
-
0,0420
0,0386
7794
0,0337
-
0,0384
0,0351
8773
0,0327
-
0,0361
0,0340
9941
0,0317
-
0,0369
0,0325
10483
0,0313
-
0,0364
0,0333
11549
0,0305
-
0,0349
0,0324
12920
0,0297
-
0,0333
0,0315
13167
0,0295
-
0,0332
0,0310
14057
0,0291
-
0,0328
0,0301
15183
0,0285
-
0,0307
0,0284
16023
0,0281
-
0,0304
0,0280
18645
0,0271
-
0,0305
0,0277
19664
0,0267
-
Jika hasil percobaan diplot ke dalam grafik maka akan didapatkan hasil berupa grafik hubungan Re – f (grafik 1). f = 64/Re
f laminer 0,1186
f13
f23
Re
0,1470
0,1365
540
0,1209
0,1093
648
-
0,0988
0,0889
0,0804
975
-
0,0656
0,0816
0,0788
1049
-
0,0610
-
25
0,0498
f = 0.3164*Re^-0.25 f 1-3 f 2-3
0,1
f
bukaan katup
24
0,0518
0,01
103
104
Re
0,0652
0,0575
1263
-
0,0507
0,0508
0,0473
1430
-
0,0447
0,0522
0,0454
1642
-
0,0390
0,0525
0,0454
1774
-
0,0361
0,0427
0,0369
1967
-
0,0325
0,0645
0,0576
2103
0,0467
--
Grafik 1. Hubungan antara Re dengan f dari perbandingan percobaan dan teori. 4. Kesimpulan Dari hasil penelitian fluida air murni dapat disimpulkan bahwa friksi percobaan (Darcy dan weisbach) berada diatas garis friksi teoritis (laminar atau turbulen/blassius). Pada kondisi aliran
5
turbulen pada Re ± 104 beberapa titik friksi percobaan (f2-3) berada berhimpit dengan garis friksi teoritisnya (garis f Blassius). Daftar Referensi Munson, B.R., Fundamentals of Fluid Mechanics 4th Ed, John Wiley & Sons, Inc. 2000 Smits, A.J., A, Physical Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, Inc. 2000 Kumar, K.L., Engineering Fluid Mechanics, Eurasia Publishing House Ltd., 2000 Gerhart M Philip, Fundamentals of Fluid Mechanics. Addison Wesley Publishing Company. 1985. P.443. Watanabe, K., Yanuar., and H Udagawa, “Drag Reduction of Newtonian fluid in a Circular Pipe with Highly Water-Repellent Wall.” Journal of Fluid Mech., p. 225. 1999. Etmad, S. Gh. (2004). Turbulent Flow Friction Loss Coefficients of fittings for Purely Viscous nonNewtonian Fluids. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 31, 763 Crane Co. (1976). Flow of Fluids Through Valves, Fittings and Pipe. Tech. Peper No. 410, 16th prinying. Crane Co., 300 Park Avenue, NY
