Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
ANALISA PENGARUH VISCOSITAS LUMPUR DAN KECEPATAN ALIRAN FLUIDA DENGAN VARIASI SUDUT PIPA ISAP LUMUR TERHADAP KAPASITAS ALIRAN POMPA PENYEDOT LUMPUR Gatut Prijo Utomo1,Ponda Laksana2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
Abstract Today we meet in some places of the cities get flood frequently, it is happen due to several things namely the waterways too small that make water flowing exceed from those drainage, waterways clogged cause of pile of rubbish, as well as waterways become shallow result in mud sedimentation. From the problem mentioned above, then emerge an idea to design simple tools process that is pipeline installation on mud sucker pump. This research aims to analyzes the effect of mud viscosity and fluid current speed in various of mud suck pipe corner toward capacity of mud sucker pipe the higher of the flow then the higher of current average capacity, then in current average speed and the highest current average capacity happen in mud sucker corner 35° that is Vout = 2,168 m/s value of Qout = 0.000621 ,m3/s. While the higher of mud viscosity value then lower its current capacity, then otherwise the lower of mud viscosity value then higher its current capacity. In highest average viscosity ( ) = 1,3003 N.s/m2, the value of current capacity (Qout) is small happen in mud sucker pipe corner 60° = 0,000523 m 3/s. While smallest viscosity () = 1,1225N.s/m2, , the value of current capacity (Qout) is big happen in mud sucker pipe corner 35° = 0,000621 m3/s. And the value of current capacity is smaller then output current capacity is bigger, highest mud current capacity (Qin) happen in mud sucker pipe corner 35° that is (Q in) = 0,000281 m3/s and produce average (Qout) as high 0,000621 m3/s. Keywords : Mud sucker pump, mud sucker corner variation I.
PENDAHULUAN Pada saat ini sering kita jumpai beberapa tempat di kota–kota yang dilanda banjir, hal ini terjadi karena beberapa hal diantaranya yaitu kecilnya saluran air membuat air yang mengalir melebihi dari saluran tersebut, tersumbat saluran air dengan adanya sampah yang menumpuk, serta dangkalnya saluran air yang disebabkan oleh pengendapan lumpur. Untuk mengatasi terjadinya banjir berbagai upaya dilakukan oleh semua pihak, dengan bergotong royong melebarkan saluran air, membersihkan sampah yang ada di saluran air, dan mengambil (mengeruk) lumpur yang mengendap di saluran air. Dari salah satu kegiatan gotong royong diatas yaitu mengeruk lumpur, untuk saluran air yang mempunyai lebar dari 4 meter kita bias menggunakan mesin pengeruk (mesin bego) lalu yang menjadi permasalahnya adalah bagaimana jika lebar saluran air kurang dari 4 meter, apakah kita masih menggunakan alat tradisional (cankul, sekop, dll) untuk mengambil lumpur tersebut. Dari permasalahan diatas, maka timbul ide untuk membuat suatu alat yang sederhana yang dapat membantu meringankan proses pekerjaan gotong royong tersebut yaitu: mengeruk dan menyedot lumpur yang ada di selokan dengan cara dileburkan.
Dari permasalahan diatas, maka timbul ide untuk merancang proses pembuatan suatu alat yang sederhana yaitu instalasi perpipaan pada pompa penyedot lumpur. Dan penelitian ini bermaksud untuk untuk “Menganalisa pengaruh viscositas lumpurdan kecepatan aliran fluida dengan variasi sudut pipa isap lumpur terhadap kapasitas aliran pompa penyedot lumpur”, dan diharapkan diperoleh alat yang mampu untuk menanggulangi permasalahan–permasalahan diatas. II. DASAR TEORI 2.1. Pengertian Fluida Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus-menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser itu. Fluida secara umum bila dibedakan dari sudut kemampatannya (compresibility), maka bentuk fluida terbagi dua jenis, yaitu; compressible fluid dan incompressible fluid. 2.2. Sifat-sifat fluida Fluida sejati mempunyai atau menunjukan sifatsifat atau karakteristik-karakteristik yang penting. Diantaranya adalah kerapatan (density), laju aliran massa, viskositas.
101
Analisa Pengaruh Viscositas Lumpur Dan Kecepatan Aliran Fluida Dengan Variabel Sudut Pipa Isap Lumpur Terhadap Kapasitas Aliran Pompa Penyedot Lumpur (Gatut Prijo Utomo Dan Ponda Laksmana)
2.2.1. Kerapatan (density) Kerapatan (density) adalah merupakan jumlah atau kuantitas dari suatu zat, nilai kerapatandipengaruhi oleh temperatur.Semakin tinggi temperatur maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karna disebabkan gaya kohesi dari molekulmolekul fluida semakin berkurang. Kerapatan (density) dapat dinyatakan dalam tiga bentuk : 1. Mas density () 2. Berat spesifik/berat jenis (specific weight) () 3. Kekentalan (viscosity) 1. Mass density ( ) satuan dalam SI adalah kg/ . Mass density adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut. Sifat ini ditentukan dengan cara menghitung ratio massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. Hubungannya dapat dinyatakan sebagai berikut: =
………………………..
Keterangan: = massa density (kg/ m = massa fluida (kg) V = volume fluida ( )
Gambar 2.1 Gaya-gaya yang bekerja pada benda yang bergerak dalam fluida
(2.1)
)
2. Berat spesifik / berat jenis (specific weight) ( ) Berat spesifik adalah massa jenis dari suatu zat yang dipengaruhi gaya tarik bumi atau gravitasi, satuan dalam SI adalah N/ . Jadi hubungannya dapat dinyatakan sebagai berikut : =
F = gaya (N) A = luasan fluida yang bersinggungan dengan setiap lempengan (m²) v = kecepatan fluida (m/s) L = jarak lempengannya (m) 3. Viscosimter Bola Jatuh Apabila benda bergerak dalam zat cair atau sebaliknya akan timbul gaya yang besarnya berbanding lurus dengan kecepatannya. Bila sebuah bola (gambar 2.1) yang massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis fluida dan berjari-jari r, dimasukkan ke dalam suatu fluida zat cair, maka bola tersebut akan jatuh dipercepat sampai suatu saat kecepatannya maksimum (Vmaks). Pada kecepatan Vmaks ini, benda akan bergerak beraturan karena gaya beratnya sudah diimbangi oleh gaya gesek fluida
. g …………………………… (2.2)
Keterangan: = berat spesifik (N/ = massa density (kg/ ) g = percepatan gravitasi (9,8 m/ ) 3. Kekentalan (viscosity) Kekentalan didefinisikan sebagai gesekan internal atau gesekan fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan atau gas, dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan ketika bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan wadah tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesif antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara molekul-molekul tersebut. Untuk fluida yang berbeda, fluida yang kental, diperlukan gaya yang lebih besar. Tetapan kesebandingan untuk persamaan ini didefinisikan sebagai koefisien kekentalan :
FL = ……………… Av
(2.5)
Menurut George Stokes besarnya gaya gesek pada fluida inilah yang disebut gaya stokes dengan koefisien viskositasnya η dengan konstanta k = 6πrSehingga gaya gesek (gaya stokes) dapat dirumuskan sebagai : FS = k V FS = 6r V Pada percobaan viscosimeter bola jatuh, bola dijatuhkan pada cairan yang diukur kekentalaannya. Mula – mula bola akan mengalami percepatan dikarenakan gravitasi, namun karena kekentalan cairan percepatan berkurang dan akhirnya nol. Pada saat itu kecepatan bola tetap (kecepatan terminal V m). Pada saat kecpatan terminal tercapai, berlaku keadaan:
Gambar 2.2 Gaya-gaya yang bekerja pada benda yang bergerak dalam fluida
dimana : = koefisien kekentalan (Pa.s)
102
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
Fy 0 Fa Fs W
oVg 6rV (4 r3 )g 3
Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, yaitu :
Dimana : Vm η r ρ ρo g
jika :
(2.7)
= kecepatan terminal (cm/detik) = Viscositas (gr/cm.detik) = jari – jari bola (cm) = rapat massa bola (gr/cm3) = rapat massa cairan (gr/cm3) = percepatan gravitasi (9,8 m/ )
2r 2g g
(2.11)
Keterangan : Q = laju aliran fluida ( /s) A = luas penampang aliran ( ) v = kecepatan rata-rata aliran fluida ( m/s)
maka persamaan (2.6) menjadi :
2r 2g Vm ( o ) 9 …………..
Q = A . v …………………….
….. (2.6)
III. METODOLOGI PENELITIAN MULAI
STUDY PUSTAKA
STUDY LAPANGAN
PEMBUATAN ALAT PENYEDOT LUMPUR
PENGUJIAN ALAT DENGAN VARIABEL :
…………………. (2.9)
1. 2. 3.
Bila ρ dan ρo diketahui serta r dan Vmdiukur maka dengan menggunakan persamaan (6) η dapat ditentukan. 2.3. Pengertian Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal adalah suatu mesin kinetis yang mengubah energi mekanik menjadi energi fluida menggunakan gaya sentrifugal (Sularso, 2004), pompa sentrifugal terdiri dari sebuah impeller yang berputar di dalam sebuah rumah pompa (Casing). Pada rumah pompa dihubungkan dengan saluran hisap dan saluran keluar. Sedangkan impeller terdiri dari sebuah cakram dan terdapat sudu-sudu, arah putaran sudu-sudu itu biasanya dibelokkan ke belakang terhadap arah putaran. 2.4. Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Kecepatan dipengaruhi oleh penampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan. Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume ( /s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s).
Viscositas rata – rata lumpur :
SUDUT PIPA ISAP LUMPUR : 35O 45O 60O
1. 2. 3.
1,1225 N.s/m2 1,1849 N.s/m2 1,3003 N.s/m2
PENGUMPULAN DATA
ANALISA DATA
KESIMPULAN
SELESAI
Metode penulisan yang dipakai dalam mengerjakan proposal tugas akhir ini adalah studi pustaka, sehingga ada beberapa referensi yang dibutuhkan untuk mendukung terselesainya tugas akhir ini. Studi lapangan yaitu penulis melakukan kegiatan penelitian dan pengukuran di lapangan. Setelah mendapatkan hasil penelitian dan pengukuran di lapangan kemudian melakukan proses metode kuantitatif melalui perhitungan – perhitungan dari dasar teori yang didapat. IV. PEMBAHASAN 1. Data Hasil Perhitungan No
Sudut pipa isap air dengan pipa isap lumpur
1
θ = 35o
2
θ = 45o
3
θ = 60o
Viscositas rata-rata lumpur (N.s/m2) 1,1225 1,1849 1,3003 1,1225 1,1849 1,3003 1,1225 1,1849 1,3003
Putaran Poros Pompa (rpm) 2810 2785 2746 2802 2787 2766 2746 2625 2607
Qin rata-rata (lumpur) (m3 / s) 0,000281 0,000267 0,000248 0,000265 0,000263 0,000254 0,000262 0,000258 0,000250
Qout rata - rata (air + lumpur) (m3 / s) 0,000621 0,000597 0,000558 0,000568 0,000556 0,000534 0,000546 0,000537 0,000523
Vout rata - rata (air + lumpur) (m/s) 2,168 2,084 1,948 1,983 1,941 1,864 1,909 1,875 1,826
103
Analisa Pengaruh Viscositas Lumpur Dan Kecepatan Aliran Fluida Dengan Variabel Sudut Pipa Isap Lumpur Terhadap Kapasitas Aliran Pompa Penyedot Lumpur (Gatut Prijo Utomo Dan Ponda Laksmana)
2. Grafik hasil perhitungan Grafik 4.1
Grafik 4.2
Grafik 4.3
3. ANALISA DATA Berdasarkan hasil perhitungan data dan grafik di atas, debit aliran (Qout) rata-rata tertinggi dalam pengujian yaitu sebesar 0,000621 /s, dengan kecepatan aliran (Vout) rata-rata sebesar 2,168 m/s terjadi di variasi sudut pipa isap lumpur 35 o. Hal ini menunjukkan hubungan antara debit dan kecepatan aliran adalah, semakin tinggi debit maka semakin
tinggi pula kecepatan aliran. Seperti yang ditunjukkan pada grafik 4.1. Viscositas rata-rata lumpur yang berbeda – beda ternyata juga berpengaruh terhadap debit aliran (Qout) rata – rata. Pada sudut pipa isap lumpur 35o untuk viscositas rata – rata tertinggi = 1,3003 N.s / m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000558 m3/s. Sementara pada viscositas rata – rata 1,1849 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0,000597 m3/s, untuk viscositas rata – rata 1,1225 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000621 m3/s. Pada sudut pipa isap lumpur 45o untuk viscositas rata – rata tertinggi = 1,3003 N.s / m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000534 m3/s. Sementara pada viscositas rata – rata 1,1849 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0,000556 m3/s, untuk viscositas rata – rata 1,1225 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000568 m3/s. Pada sudut pipa isap lumpur 60o untuk viscositas rata – rata tertinggi = 1,3003 N.s / m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000523 m3/s. Sementara pada viscositas rata – rata 1,1849 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0,000537 m3/s, untuk viscositas rata – rata 1,1225 N.s /m2 debit aliran (Qout) rata – rata mencapai 0.000546 m3/s. Dapat disebutkan bahwa satu percobaan sudut pipa isap lumpur, semakin tinggi viscositas rata – rata lumpur maka debit aliran (Qout) rata – rata semakin rendah, Atau dapat dikatakan bahwa nilai (η) berbanding terbalik dengan nilai debit aliran rata – rata. seperti yang ditunjukkan pada grafik 4.2 Pada hasil perhitungan data dan grafik di atas, debit aliran (Qin) rata-rata lumpur tertinggi pada sudut pipa isap lumpur 35o dalam pengujian yaitu sebesar 0,000281 m3/s dan menghasilkan (Qout) rata – rata sebesar 0,000621 /s. Sedangkan di sudut pipa isap lumpur 45o debit aliran (Qin) rata-rata lumpur tertinggi = 0,000265 m3/s menghasilkan (Qout) = 0,000568 m3/s. Dan pada sudut pipa isap lumpur 60o, debit aliran (Qin) rata-rata lumpur tertinggi yaitu 0,000262 m3/s menghasilkan debit aliran (Qout) rata-rata = 0,000546 m3/s. hal ini menunjukkan bahwa semakin kecil sudutnya maka debit aliran rata –rata lumpur (Qin) semakin besar dan menghasilkan debit aliran rata –rata (Qout) semakin besar pula, hal ini dapat dilihat pada grafik 4.3 V. KESIMPULAN Dari hasil penghitungan dan analisa yang telah dilakukan pada pengaruh viscositas lumpur dan kecepatan aliran fluida pada variasi sudut pipa isap lumpur terhadap kapasitas aliran fluida, maka dapat diambil kesimpulan bahwa: 1. Pada setiap pengujian variasi sudut pipa isap lumpur semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula kapasitas aliran rata - rata. Dengan kecepatan aliran rata – rata tertinggi pada tiap sudut pipa isap lumpur, pada Vout = 2,168 m/s nilai Qout = 0,000621 m3/s (θ = 35o), Vout = 1,983 m/s nilai Qout = 0,000568 m3/s (θ = 45o), Vout = 1,909 m/s nilai Qout = 0,000546 m3/s (θ = 60o).
104
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
sehingga pada kecepatan aliran rata – rata dan kapasitas aliran rata – rata tertinggi terjadi pada sudut isap lumpur 35o yaitu Vout = 2,168 m/s nilai Qout = 0,000621 m3/s. 2.
Semakin tinggi nilai viscositas lumpur maka semakin kecil kapasitas alirannya, begitu juga sebaliknya semakin rendah viscositas lumpur maka semakin besar kapasitas aliranya. Pada viscositas rata-rata tertinggi (η) = 1,3003 N.s /m2, nilai kapasitas alirannya (Qout) kecil terjadi pada sudut pipa isap lumpur 60o = 0,000523 m3/s. sedangkan viscositas terkecil (η) = 1,1225 N.s /m2, nilai kapasitas alirannya (Qout) besar terjadi pada sudut pipa isap lumpur 35o = 0,000621 m3/s.
Semakin kecil sudut pipa isap lumpur maka semakin besar kapasitas aliran outputnya. kapasitas aliran (Qin) rata-rata lumpur tertinggi terjadi pada sudut pipa isap lumpur 35o yaitu sebesar (Qin) = 0,000281 m3/s dan menghasilkan (Qout) rata – rata sebesar 0,000621 /s. DAFTAR PUSTAKA Hilmy Achmad, dkk.(1996), Buku Panduan Praktikum Mekanika Fluida, Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin – Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya. Jack B. Evett, Cheng Liu. Fundamentals of Fluids Mechanics. Dalam Chapter II Fluida.pdf-USU Institutional Reposity- universitas sumatera utara. Purtomo Tjahjo.(2014), Buku Pedoman Praktikum Fisika Dasar, Fakultas Teknik Laboratorium Fisika Dasar – Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya. Ram S. Gupta. Hydrology and Hydraulic Systems. Dalam Chapter I.pdf-USU Institutional Reposityuniversitas sumatera utara. Sularso. Dan Haruo Tahara.2000.”Pompa dan kompresor : pemilihan, pemakaian dan pemeliharaan”.Cetakan-7. Jakarta: Pradnya Paramita. Streeter V. L., Wylie E. B., dan Prijono A.(1999) Mekanika Fluida, ed-8, Penerbit Erlangga, Jakarta.
105
