Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda
Disusun Oleh :
MEGA NOVITA SARI M 0205038
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA September, 2009
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Iwan Yahya, M.Si NIP. 19670730 199302 1 001
Ir. Ari Handono R, M.Sc, PhD NIP. 19610223 198601 1 001 ...................................
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari
: Selasa
Tanggal
: 27 Oktober 2009
Anggota Tim Penguji : 1. Ahmad Marzuki S.Si., Ph.D NIP. 19680508 199702 1 001
( …………………….. )
2. Drs. Syamsurizal NIP. 19561212 198803 1 001
( …………………….. )
Disahkan oleh: Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Dekan F MIPA UNS
Ketua Jurusan Fisika
Prof. Drs. Sutarno, M.Sc., Ph.D NIP. 19600809 198612 1 001
Drs. Harjana, M. Si, PhD NIP. 19590725 198601 1 001 ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “ Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda”, belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 3 September 2009
Mega Novita Sari
iii
MOTTO
” Bismillahirrohmanirrohim”
“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan, kerjakanlah dengan sungguh-sungguh urusan yang lain” (QS. Al Nasyrah: 6-7) “ Hendaklah kamu menjadi umat yang mengajak pada kebaikan dan mencegah pada kemungkaran” (QS. Ali ‘Imran : 104) “Barangsiapa menghendaki kebahagiaan dunia dan akhirat, maka kebahagiaan itu akan diperoleh dengan ilmu” (H.R. Ibnu Asakir) Jika engkau berputus asa manakala kecemasan yang menggenggam jiwa menimpa, Saat paling dekat dengan jalan keluar adalah ketika telah terbentur pada putus asa (Ali IbnAbi Thalib) Barangsiapa rajin bekerja maka beruntunglah dia. Dan barangsiapa yang dengan pekerjaannya tidak memberikan pengaruh berarti maka sekali-kali tidak memberikan pengaruh pula kata-katanya (Hasan Al-Banna) Optimislah, jangan berputus asa dan menyerah tanpa usaha, Baiksangkalah kepada Robb, dan tunggulah segala kebaikan dan keindahan dari-Nya (Laa Tahzan, ‘Aid al-Qarni)
iv
PERSEMBAHAN
Dengan sepenuh kasih sayang, karya ini ku persembahkan untuk : Papah Sarijon dan Ibu Sarinem tercinta Adikku, Mbah Kung, Bu Lek, dan keluarga yang menyayangiku Spiritku, dhe’ Henky dan Abang Iyan Semua orang yang membantu dalam penyelesaian skripsiku Teman-temanku dan adik-adikku semua Pembaca yang budiman
v
Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pola disribusi uap bertekanan (steam) melalui orifice silinder dengan berbagai variasi ukuran dan konfigurasinya. Orifice silinder yang digunakan berdiameter 1,6 mm; 2,02 mm; 2,95 mm; 3,47 mm; 4,76 mm dan 5,71 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar ukuran orifice silinder semakin besar kelajuan alirnya serta semakin cepat waktu yang digunakan untuk memenuhi permukaan jendela. Penelitian ini dilakukan dengan rentang kelajuan alir dengan bilangan Reynold antara 5,300x10 5 sampai 1,288x106. Uap bertekanan yang keluar melalui orifice silinder membentuk sudut semburan yang tegak lurus sehingga pola yang dibentuk adalah menutup bagian di atas dari orifice silinder yang terpasang. Konfigurasi penempatan orifice silinder juga berpengaruh terhadap pola distribusinya. Laju penutupan permukaan jendela ditentukan berdasarkan pola distribusi uap bertekanan.
Kata kunci : Pola Distribusi, Uap Bertekanan, Orifice Silinder
vi
Analysis of Steam Distribution Pattern Based On Configuration Form and Variously Size of Cylindrical Orifice on Double Layer Camber
ABSTRACT
The objective goal of this experiment is to know about the pattern of steam distribution through the use of cylindrical orifice with variously size and configuration form. The diameter of cylindrical orifice that the used are 1,6 mm; 2,02 mm; 2,95 mm; 3,47 mm; 4,76mm and 5,71 mm. The results showed that the larger size of cylindrical orifice become the flow rate is increase and the time used to full the surface window faster. This research was conducted with a range of flow rate with Reynolds numbers between 5.300 x 105 to 1.288 x 106. The steam that came out through a cylindrical orifice made spray angle, and the spray is perpendicular to that pattern formed on the closed section of cylindrical orifice installed. Placement cylindrical orifice configuration also affects the pattern of distribution. The rate of closure of the window is determined based on the distribution pattern of steam.
Keyword : Distribution pattern, Steam, Cylindrical Orifice
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan nikmat dan karunia-Nya. Shalawat dan salam semoga tetap tercurah kepada Nabi Muhammad SAW beserta keluarganya, para sahabatnya dan seluruh umatnya yang senantiasa istiqomah mengikuti sunahnya hingga akhir zaman. Merupakan nikmat yang besar bagi penulis, dapat menyelesaikan laporan skripsi ini yang berjudul “Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda”. Walaupun desain alat dalam penelitian ini sangat sederhana namun dapat memberikan hasil berupa gambaran pola distribusi uap bertekanan terhadap penggunaan orifice silinder. Agar hasil penelitian ini lebih bermanfaat bagi masyarakat maka pada bagian akhir skripsi penulis telah merekomendasikan tentang bagaimana bentuk pengembangannya ke depan. Banyak pihak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. Kepadanya karenanya penulis mengucapkan terima kasih. Ucapan terima kasih secara khusus karena jasa-jasanya yang sangat banyak kepada penulis akan penulis berikan kepada: 1.
Dekan F MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2.
Ketua jurusan fisika F MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.
Bapak Drs. Iwan Yahya, M.si., selaku pembimbing I yang dengan sabar dan penuh kebijaksanaan telah memberikan, motivasi, ide, pengajaran dan bimbingan kepada penulis.
4.
Bapak Ir. Ari Handono R, M.Sc, P.hD selaku pembimbing II atas segala masukkan dan bimbingannya selama ini.
5.
Ibu Viska Inda Variani, M.Si. selaku pembimbing akademik. Terima kasih atas perhatian dan pengarahan yang telah diberikan kepada penulis dari awal masuk kuliah sampai lulus.
6.
Semua dosen Fisika, terimakasih atas ilmu dan kesabarannya dalam misinya memberikan yang terbaik kepada anak didiknya. viii
7.
Staff jurusan fisika : Mas David, mbak Dwi dan mbak Ning. Terima kasih untuk semua hal.
8.
Kedua Orang Tua, Bapak Sarijon dan Ibu Sarinem, karena kasih sayang dan cintanya yang ikhlas mendidikku hingga sekarang.
9.
Abang Iyan, dhe’ Henky, terimakasih atas segala motivasi, dukungan dan bantuan serta do’anya.
10.
Teman-teman angkatan 2005 yang telah banyak membantu, khususnya Asthy Istika Anggarani (Mba Asthy) yang telah menjadi patner pengerjaan penelitian ini, Mayang, Mutik, Marizka, Siti, Lean, Aris, Rudi, Rais, terimakasih atas bantuannya.
11.
Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian ini dapat terselesaikan dengan baik.
Semoga Allah SWT memberikan balasan yang lebih baik atas kebaikan dan bantuan yang telah engkau berikan. Dalam penyusunan laporan penelitian ini, penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan baik dalam isi maupun cara penyajian materi. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna perbaikan di masa datang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.
Surakarta, 3 September 2009 Penulis
ix
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL..................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN.................................................................... HALAMAN PERNYATAAN...................................................................
ii iii
HALAMAN MOTO ............................................................................... HALAMAN PERSEMBAHAN ..............................................................
iv v
HALAMAN ABSTRAK............................................................................ HALAMAN ABSTRACT..........................................................................
vi vii
KATA PENGANTAR ............................................................................ DAFTAR ISI .........................................................................................
ix x
DAFTAR TABEL .................................................................................. DAFTAR GAMBAR ..............................................................................
xii xiii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... BAB I PENDAHULUAN ....................................................................
xiv 1
1.1. Latar Belakang Masalah ..................................................... 1.2. Perumusan Masalah ............................................................
1 2
1.3. Batasan Masalah................................................................. 1.4. Tujuan Penelitian ...............................................................
3 3
1.5. Manfaat Penelitian ............................................................. BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...........................................................
3 4
2.1. Steam ................................................................................ 2.1.1. Uap Bertekanan (Steam) .......................................... 2.2. Konsep Termodinamika ......................................................
4 4 6
2.2.1. Diagram Fase Zat Murni ........................................... 2.2.2. Sistem Termodinamika ............................................. 2.3. Fluida ................................................................................ 2.3.1. Fluida Statis ..............................................................
6 7 8 8
2.3.2. Fluida Dinamis ......................................................... 2.3.2a Persamaan Kontinuitas Dan Bernoulli ................. 2.3.2b. Fluida Yang Mengalir Pada Orifice .................... 2.4. Kaca Dan Arsitektur ..........................................................
9 9 11 16
2.4.1. Defenisi Kata ............................................................
16
x
2.4.2. Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah ......................... 2.4.3. Rancangan Jendela Berpenutup Ganda......................
17 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................ 3.1. Metode Penelitian .............................................................. 3.2. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................
19 19 19
3.3. Alat dan Bahan Yang Digunakan ....................................... 3.4. Prosedur Penelitian ...........................................................
19 21
3.4.1. Diagram Alir Penelitian ............................................ BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .........................
21 25
4.1. Pengukuran Tekanan Uap .................................................. 4.2. Konstruksi Instrumen.........................................................
25 27
4.2.1. Pembuatan Saluran Uap ............................................ 4.2.2. Pembuatan Kontrol Uap ............................................
27 30
4.3.3. Pembuatan Rancangan Jendela Berpenutup Ganda .... 4.3. Pengambilan Dan Pengolahan Data ...................................
32 33
4.3.1. Pengambilan Data ..................................................... 4.3.2. Pengolahan Data Gambar ..........................................
33 35
4.3.3. Pengolahan Data Pengukuran .................................... 4.4. Laju Penutupan Permukaan Jendela ...................................
38 40
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................. 5.1. Kesimpulan .......................................................................
43 43
5.2. Saran ................................................................................. DAFTAR PUSTAKA .............................................................................
44 45
LAMPIRAN – LAMPIRAN ..................................................................
48
xi
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1. Tabel Ukuran Orifice silinder Yang Digunakan ...................... 33 Tabel 4.2. Tabel Nilai kelajuan Air Volume Tiap Detik ..........................
35
Tabel 4.3. Tabel Nilai Kecepatan Alir pada pipa dan Orifice Silinder......
36
Tabel 4.4. Nilai Reynolds Dan Koofisien Discharge ................................
37
Tabel A.1. Hasil Pengukuran Tekanan Uap Air ........................................
48
Tabel C.1. Perhitungan Luas Penampang Orifice .....................................
59
Tabel C.2. Perhitungan Kelajuan Alir Melalui Orifice Silinder.................
59
Tabel C.3. Perhitungan Reynolds number Dan Koofisien Discharge........
60
Tabel C.4. Perhitungan Kecepatan Alir, Perbedaan Tekanan dan Kelajuan Alir Massa .............................................................................
xii
61
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Diagram Fase Perubahan Wujud Zat Cair .......................
5
Gambar 2.2. Kurva Steam Jenuh .........................................................
5
Gambar 2.3. Diagram Perubahan Fase Cair-Gas Pada Zat ...................
6
Gambar 2.4. Diagram Perubahan Fase Suatu Zat Murni ......................
7
Gambar 2.5. Aliran Fluida Melalui Pipa Venturi .................................
10
Gambar 2.6. Aliran Fluida melaluiSmall Cylindrical Orifice ...............
11
Gambar 2.7. Jenis Aliran Fluida Berdasarkan Besarnya Reynold Number
14
Gambar 2.8. Jenis-jenis Orifice ...........................................................
16
Gambar 2.9. Rancangan Jendela Oleh Carl Bookbinder ......................
18
Gambar 3.1. Set Up Alat penelitian .....................................................
20
Gambar 3.2. Diagram Alir Tahap-tahap Penelitian ..............................
21
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Tekanan Terhadap Kenaikan Temperatur
26
Gambar 4.2. Skema Set Up Alat Dengan Desain Mendatar..................
28
Gambar 4.3. Skema Set Up Alat Dengan Desain Membentuk Elevasi .
29
Gambar 4.4. Skema Set Up Alat Dengan Desain Kombinasi ...............
29
Gambar 4.5. Desain Kontrol Uap ........................................................
31
Gambar 4.6. Desain Double Layer Sampel Kaca Jendela ....................
33
Gambar 4.7. Skema Pengambilan Data dengan Kamera Video ............
34
Gambar 4.8. Contoh Pola Distribusi Steam Pada Waktu Tertentu ........
35
Gambar 4.9. Pengolahan Pola Distribusi Steam ..................................
36
Gambar 4.10. Pola Distribusi Steam Dengan Kotak-Kotak Skala .........
41
Gambar 4.11. Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela ....................
41
Gambar A.1. Grafik Hubungan Tekanan Terhadap Perubahan Temperatur
49
Gambar B.1. Pola Distribusi Steam Pada Tiap-tiap Waktu...................
50
Gambar B.2. Pola Distribusi Steam Secara Utuh .................................
53
Gambar B.3. Gambar Pola Distribusi Steam Pada Masing-masing Orifice Silinder ......................................................................... xiii
53
Gambar B.4a. Pola Distribusi Steam Terhadap Konfigurasi Orifice Silinder Berada Di Tengah Rancangan Jendela ...........................
54
Gambar B.4b. Pola Distribusi Steam Terhadap Konfigurasi Orifice Silinder Berada Di Bagian Kanan Rancangan Jendela ................
54
Gambar D.1. Gambar Alat-alat Penelitian ..........................................
62
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran A. Pengukuran Tekanan Uap ...................................................
48
Lampiran B.
Gambar Pola Distribusi Uap Bertekanan ...........................
50
Lampiran C.
Perhitungan Kelajuan Alir .................................................
58
Lampiran D. Gambar Alat Penelitian ......................................................
62
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah Air merupakan jenis fluida yang dapat mengalami perahan fase. Bila air
dipanaskan, maka air menjadi mendidih. Pada tekanan atmosfir temperaturnya mencapai 100°C. Jika temperaturnya terus dinaikan, air mendidih tersebut menimbulkan steam (uap bertekanan) yang menyerupai asap mengepul. Jika tekanannya bertambah, maka terjadi penambahan panas dan peningkatan temperatur tanpa mengalami perahan fase (Spiraxsarco, 2006). xv
Steam telah banyak dimanfaatkan dalam proses industri dan hingga kini merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Steam merupakan salah satu perahan fase dari air (H2 O), sehingga memiliki sifat-sifat seperti fluida lainnya, misalnya dapat mengalir. Bila steam dialirkan pada sebuah pipa dan diletakkan saluran pemicu, maka steam yang mengalir akan membentuk pola distribusi steam yang memancar melalui pemicu tersebut. Pola distribusi ini dapat diamati antara lain dengan menggunakan sebuah media berupa model jendela berpenutup ganda. Dalam bidang arsitektur, penelitian dan inovasi dengan menggunakan model jendela berpenutup ganda telah dan sedang dikembangkan. Model jendela berpenutup ganda digunakan untuk menciptakan sebuah bilik yang dapat membuat kondisi di dalam bilik tetap stabil. Salah satu penelitian dengan model ini adalah US Patent nomor 4390240 pada tahun 1983 oleh Carl Bookbinder. Dalam hal ini desain jendela difungsikan sebagai cermin yang dapat digunakan untuk mengumpulkan energi matahari yang diserap, desain yang dikembangkan yaitu model double layer chamber (bilik) yang dialiri fluida akibat peningkatan tekanan air raksa pada reservoir. Sebuah hasil pengujian pendahuluan dan rancang bangun berbeda untuk analisis distribusi uap bertekanan disajikan dalam laporan ini. Invensi Carl Bookbinder mendasari penelitian ini, namun fluida yang dialirkan bukan air raksa melainkan steam. Penggunaan steam dimanfaatkan karena lebih mudah untuk didapatkan, lebih ekonomis, dan belum dimanfaatkan secara terintegrasi dalam bidang arsitektur. Adapun material kaca sudah tidak asing lagi karena telah banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti sebagai jendela, atap dan pintu (Hindarto, 2008). Rancangan jendela berpenutup ganda dapat memicu terjadinya perbedaan temperatur di dalam bilik dan lingkungan di sekitarnya. Akibatnya apabila steam dialirkan di dalam bilik maka dapat timbul titik-titik embun di dalamnya, sehingga steam membuat kaca menjadi tampak lebih buram pada salah satu sisinya. Fenomena inilah yang menjadi prinsip dalam penelitian.
xvi
Untuk kepentingan pengujian digunakan model bilik berbentuk persegi dengan dinding berupa kaca. Pada celah diantara kedua dinding diletakkan pipa untuk mengalirkan steam dan pada pipa diletakkan lubang pemicu (orifice), sehingga steam dapat mengalir dan membentuk pola distribusi dan dapat diamati pada kaca. Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat diketahui besarnya kelajuan alir dan pola distribusi steam dari berbagai konfigurasi dan variasi ukuran orifice. Orifice yang digunakan berbentuk orifice silinder. Penelitian ini juga dilakukan untuk menjaga agar steam tidak cepat mengalami kondensasi dan berubah menjadi air kembali, selama terkungkung di dalam bilik.
1.2 Perumusan Masalah Dari uraian di atas telah diketahui bahwa air dapat berubah fase jika temperaturnya dinaikkan. Bila temperatur air dinaikkan hingga mencapai titik didih maka menghasilkan uap yang disebut steam. Fase steam ini yang digunakan dalam penelitian. Dari distribusi steam dapat diketahui suatu pola sebaran yang terbentuk akibat adanya konfigurasi dan variasi ukuran lubang pemicu berbentuk silinder (cylindrical orifice) yang terdapat pada saluran uap. Untuk mengetahui besarnya kelajuan dan kecepatan alir perlu dilakukan pengukuran. Selain itu, uap yang dihasilkan umumnya dalam jumlah yang banyak sehingga perlu adanya suatu alat yang dapat mengkontrol uap berlebih, apabila uap telah terkontrol dengan baik selanjutnya diperlukan cara agar uap yang terkungkung di dalam tetap dalam fase steam dan tidak cepat mengalami perubahan fase.
1.3
Batasan Masalah Permasalahan pada tugas akhir ini hanya dibatasi pada pengukuran kelajuan
alir, pola distribusi steam terhadap konfigurasi dan variasi ukuran orifice silinder serta laju penutupan permukaan jendela berpenutup ganda. Pola ini berupa sebaran uap yang terkungkung di dalam bilik dan menempel pada kaca.
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah : xvii
1.
Menganalisa pola distribusi uap secara maksimal terhadap konfigurasi dan variasi ukuran orifice silinder (lubang pemicu).
2.
Menghitung kelajuan alir steam pada saat terjadinya pola sebaran steam pada model kaca jendela berpenutup ganda.
1.5
Manfaat Penelitian Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat memanfaatkan steam
yang dialirkan melalui orifice yang menjadikan kaca tampak lebih buram pada salah satu sisinya yang dapat digunakan sebagai inovasi arsitektur pada kaca jendela rumah yang diaplikasikan sebagai pengganti dinding tembok seperti pada umumnya. Penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut, dengan memanfaatkan energi alternatif selain energi listrik untuk menghasilkan sejumlah energi yang digunakan untuk membuat pemanas air yang dapat menghasilkan steam.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Steam (Uap Bertekanan) Sebuah molekul merupakan jumlah terkecil unsur atau senyawa, yang
masih memiliki semua sifat-sifat kimia bahan tersebut. Molekul tersusun dari partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom merupakan elemen dasar seperti hidrogen dan oksigen. Kombinasi spesifik unsur atom tersebut membentuk senyawa. Salah satu contoh senyawa yaitu H2O (air), senyawa ini memiliki molekul yang tersusun dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Hampir seluruh mineral dapat berada pada tiga keadaan fisiknya atau fasenya yaitu padat, cair dan uap. Istilah es, air dan steam digunakan untuk menunjukan ketiga fase masing-masing. Dalam es, molekul terkunci dan tersusun dalam pola struktur geometris yang hanya dapat bergetar. Dalam fase padatnya, pergerakan molekul pada pola geometris merupakan getaran posisi ikatan tengah di mana jarak molekulnya kurang xviii
dari satu diameter molekul. Penambahan panas secara terus menerus menyebabkan getaran yang dapat mengakibatkan beberapa molekul akan terpisah dari tetangganya, dan bahan padat mulai meleleh menjadi bentuk cair. Dalam fase cair, molekulnya bergerak bebas, namun jaraknya masih kecil dari suatu diameter molekul karena seringnya terjadi tarik-menarik dan tumbukan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi yang cukup untuk meninggalkan fase cairan menjadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, bahwa densitas steam lebih kecil daripada air, sebab molekul uap bertekanan terpisah jauh satu dengan yang lainya (Spiraxsarco,2006) Analisis perubahan wujud pada es yang dipanaskan hingga menghasilkan steam dapat dilakukan dengan pendekatan grafik berdasarkan persamaan transfer panas selama terjadi perubahan fase (Alljabbar,2008), seperti disajikan dalam Gambar (2.1).
Gambar 2.1. Diagram fase perubahan wujud zat cair Sumber: (Alljabbar,2008)
Jika tekanannya tetap, penambahan panas tidak mengakibatkan kenaikan temperatur, namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Temperatur air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama, akan tetapi energi panas persatuan massanya lebih besar pada steam.
xix
Pada tekanan atmosfir temperatur jenuhnya adalah 100°C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan terdapat penambahan lebih banyak panas yang mengakibatkan peningkatan temperatur tanpa perubahan fase (Spiraxsarco,2006). Hubungan antara temperatur jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva uap jenuh yang disajikan pada Gambar (2.2).
Temperature ( 0 C)
400 300
Steam Saturation curve 200 100 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Tekanan (Pa)
Gambar 2.2 Kurva Uap Jenuh Sumber: (Spiraxsarco,2006) Air dan uap bertekanan dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada temperatur jenuh. Uap bertekanan pada kondisi di atas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/ uap bertekanan lewat jenuh.
2.2 KONSEP TERMODINAMIKA 2.2.1 Diagram Fase Zat Murni Zat murni misalkan air dapat berwujud fase padat, cair, atau gas. Air berubah fase menjadi gas pada temperatur sekitar 100 oC apabila tekanannya 1 atm. Gambar (2.3) dibawah menunjukkan diagram perubahan fase padat-cair-gas pada suatu zat, dengan koordinat tekanan dan temperatur (Halliday et.al,1993). Dari sifat tersebut di atas dapat digambarkan diagram perubahan fase dari suatu zat murni secara lengkap, yaitu pada semua lingkup keadaan zat murni tersebut. Contoh diagram perubahan fase lengkap diperlihatkan pada Gambar (2.4a) dengan koordinat P-v dan Gambar (2.4b) untuk koordinat T-v. Garis fase berbentuk lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis di sebelah kiri adalah garis liquid jenuh xx
dan garis di sebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik puncaknya merupakan titik kritis, dimana di atas titik tersebut kondisi fase liquid dan gas bersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14oC. Daerah di antara garis liquid jenuh dengan garis uap jenuh adalah daerah terjadinya campuran antara fase cair dan fase gas.
Gambar 2.3 Diagram perubahan fasa cair – gas pada zat
(a) Koordinat P-v
(b) Koordinat T-v
Gambar 2.4. Diagram perubahan fasa suatu zat murni Sumber: (Sujito,dkk., 2004) Garis putus-putus pada Gambar (2.4a) menunjukkan lintasan proses penguapan zat murni pada tekanan konstan P1 dan P2 (dengan P2 > P1). Garis a-b menunjukkan pemanasan pada fase liquid sampai mencapai titik cair jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada temperatur konstan dan tekanan konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c adalah kondisi campuran antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d xxi
adalah 100% fase gas. Selanjutnya garis c-d menunjukkan pemanasan lanjutan dari uap, sehingga kondisi uapnya disebut uap panas lanjut (superheated steam). Panas yang dibutuhkan untuk pemanasan air pada garis a-b dan pemanasan uap pada garis c-d disebut panas sensibel, sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c disebut panas laten. Terlihat pada Gambar (2.4) bahwa semakin tinggi tekanan fluida (juga temperaturnya), semakin pendek garis penguapan (garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang dibutuhkan. Garis putusputus pada Gambar (2.4b) adalah garis isothermis diagram penguapan dengan koordinat T-v (Sudjito,dkk., 2004).
2.2.2
Sistem Thermodinamika Terdapat dua jenis sistem termodinamika, yaitu sistem tertutup dan sistem
terbuka. Pada sistem tertutup yang melewati garis batas (boundary layer) hanyalah aliran kalor dan kerja saja, sedangkan pada sistem terbuka, fluida kerja melintasi batas dari sistem. Dalam analisis termodinamika pada sistem tertutup biasanya digunakan massa atur (control mass) dan pada sistem terbuka digunakan volume atur (control volume). Perubahan keadaan pada substansi kerja menunjukan proses termodinamika. Pada sistem tertutup proses termodinamika disebut proses tanpa aliran (non-flow processes), untuk proses sistem terbuka disebut proses dengan aliran (Mitrakusuma,2004). Energi dapat melintasi batas dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work). Panas didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat berpindah antara dua sistem (atau dari sistem ke lingkungan) dengan sifat perbedaan temperatur. Dalam termodinamika panas diistilahkan dengan transfer panas (heat transfer) (Sudjito,dkk.,2004). Kerja adalah suatu bentuk interaksi antara sistem dan lingkungan. Kerja didefinisikan sebagai energi transfer yang berhubungan dengan gaya yang menempuh sebuah jarak.
2. 3. FLUIDA
xxii
Fluida didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir yaitu zat cair dan zat gas (termasuk gas yang terionisasi atau plasma). Secara umum fluida dibedakan menjadi 2 bagian yaitu fludia statis dan fluida dinamis.
2.3.1
Fluida Statis Fluida statis salah satunya adalah membahas mengenai tekanan. Tekanan
didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida pada satu satuan unit luas area. Secara matematik tekanan P dirumuskan :
(2.1)
dF PdA
dengan dF : gaya yang dialami oleh elemen luas (N) dA : elemen luas dari permukaan fluida (m2) P : tekanan fluida (N/m2)
Secara mikroskopik gaya ini merupakan pertambahan momentum per satuan waktu yang disebabkan oleh tumbukan molekul-molekul fluida di permukaan tersebut. Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1 N/m2. Dalam analisis termodinamika satuan tekanan umumnya digunakan kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut : 1 bar = 105 Pa = 100kPa, 1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar (Sudjito, dkk.,2004).
2.3.2 Fluida Dinamis Fluida dinamis adalah mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Fluida dinamis membahas mengenai persamaan kontinuitas dan Bernoulli.
2.3.2.a Persamaan Kontinuitas dan Bernoulli
xxiii
Pada fluida dalam keadaan bergerak persamaan kontinuitas menyatakan hubungan antara kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatakan (Halliday et.al,1993):
V1 A1 V2 A2 Q
(2.2)
dalam hal ini Q : debit air yaitu jumlah volume cairan per satuan waktu (m3/s) V1 : kecepatan fluida pada ujung 1 (m/s) V2 : kecepatan fluida pada ujung 2 (m/s) A1 : luas permukaan pada ujung 1 (m2) A2 : luas permukaan pada ujung 2 (m2) Persamaan kontinuitas tidak mempertimbangkan tekanan dan ketinggian dari ujung-ujung pipa maka persamaan kontinuitas diperluas menjadi persamaan Bernoulli (Tippler,1991).
P1
1 1 V12 .g.h1 P2 V22 .g.h2 2 2
(2.3)
dengan P1 : tekanan pada ujung 1 (N/m2) P2 : tekanan pada ujung 2 (N/m2) V1 : kecepatan fluida pada ujung 1 (m/s) V2 : kecepatan fluida pada ujung 2 (m/s) h 1 : tinggi ujung 1 (m) h 2 : tinggi ujung 2 (m)
: densitas atau massa jenis (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2)
Sedangkan fluida yang mengalir pada pipa mendatar (h1=h2) sehingga persamaan (2.3) dapat dituliskan menjadi :
xxiv
P1 P2
1 (V22 V12 ) 2
(2.4)
atau Persamaan (2.4) dapat dituliskan dalam bentuk yang lain : 2 V22 V1 1 P 2 V2
(2.5)
Fluida yang mengalir pada pipa yang mengalami penyempitan penampang atau dikenal dengan pipa Venturi seperti Gambar (2.5), kelajuan alirnya dihitung dengan persamaan Bernoulli. Kelajuan alir ini dipengaruhi besarnya tekanan dan luas penampang (Serway et. al.,2004) .
Gambar 2.5. Aliran Fluida Melalui Pipa Venturi Sumber: (Serway et. al.,2004) 2.3.2.b Fluida Yang Mengalir Melalui Orifice Apabila fluida yang mengalir pada sebuah pipa mendatar yang telah diberi lubang pemicu (orifice) seperti pada Gambar (2.6) pada prinsipnya adalah sama degan fluida yang mengalir pada pipa Venturi. Orifice ini berpengaruh terhadap penurunan tekanan akibat adanya perbedaan luas penampang.
Gambar 2.6. Aliran Fluida Melalui Small Cylindrical Orifice Sumber : (LMNO Engineering,2002) xxv
Maka laju aliran melalui orifice yang kecil seperti pada Gambar (2.6) di atas adalah dengan cara mengukur tekanan differensial (P1–P2) yang melintasi lempeng orifice. Kecepatan alir fluida melalui orifice dapat dihitung dengan persamaan (LMNO Engineering,2002) :
V2
2( P1 P2 ) A 2 1 2 A 1
(2.6)
Adapun jumlah massa yang mengalir melintasi sebuah orifice per satuan waktu disebut mass flow rate (laju aliran massa) dan dinotasikan dengan Qm . Jika fluida mengalir masuk dan keluar melalui pipa, massa yang masuk adalah proporsional terhadap luas permukaan (A) dari pipa, densitas dan kecepatan dari fluida. Laju aliran massa dapat dihitung dengan persamaan (2.7) (Allen,2006)
Qm VA
(2.7)
Untuk menghitung laju aliran massa melalui orifice silinder, kecepatan alir yang digunakan adalah V2 (kecepatan alir pada orifice) dan luas penampang orifice lebih kecil dari luas penampang pipa (A2 < A1), sehingga dengan substitusi persamaan (2.6) pada persamaan (2.7) diperoleh persamaan kelajuan alir massa ideal yang dapat dirumuskan (Allen,2006; Efunda,2009) :
Qmideal 2 P
A2 A 1 2 A1
(2.8)
2
dengan Qmideal : laju aliran massa per satuan waktu (kg/s)
xxvi
P
: perbedaan tekanan (N/m2)
: densitas atau massa jenis (kg/m3)
A1
: luas permukaan pipa (m2)
A2
: luas permukaan orifice (m2)
Persamaan (2.8) ini merupakan persamaan laju aliran massa fluida taktermampatkan tanpa adaya nilai viskositas yang hilang (Allen,2006). Persamaan ini juga disebut persamaan laju aliran secara teoritis yang menyatakan hubungan antara laju aliran massa dengan penurunan tekanan pada alat ukur secara tidak langsung. Dengan kondisi penampang yang berbeda, maka karakteristik aliran juga berbeda sehingga dibutuhkan faktor koreksi untuk angka Reynold dan perbandingan diameter dari alat ukur, yakni koefisien discharge (Cd) (Mahandari,2009), sehingga persamaan (2.8) dapat dimodifikasi menjadi :
Qmactual Cd 2 P
A2 A 1 2 A1
2
(2.9)
Untuk mempermudah dalam pernyataan persamaan yang digunakan, terdapat parameter yang menyatakan perbandingan besarnya diameter orifice (D2) dengan diameter pipa (D1), rasio diameter dinotasikan denan β dan dituliskan:
A D 2 , sehingga 4 2 D1 A1
2
(2.10)
Parameter lain yang digunakan untuk mempermudah pernyataan persamaan laju aliran yaitu faktor pendekatan kelajuan alir (K) dapat dinyatakan :
K
Cd
(2.11)
1 4 xxvii
Dengan substitusi persamaan (2.11) pada persamaan laju aliran ideal (2.9) maka diperoleh persamaan :
Qma ctual KA1 2 P
(2.12)
Faktor pendekatan kelajuan alir (K), koefisien discharge (Cd) dan perbandingan diameter () merupakan parameter yang tidak berdimensi yang digunakan untuk mempermudah pernyataan mengenai laju aliran (Efunda,2009). Kecepatan alir volume (kapasitas) tiap detik dari suatu fluida juga dapat dihitung dengan mengembangkan persamaan laju aliran massa terhadap jenis fluida. Sehingga yang mempengaruhi kecepatan alir volume tiap detik adalah densitas dari fluida yang mengalir. Kecepatan alir volume tiap detiknya dapat dituliskan dengan persamaan (2.13) :
Qa Cd
2 P
A2 A 1 2 A1
(2.13)
2
dalam hal ini Qa
: kecepatan alir volume tiap detik (m3/s)
Cd
: koefisien discharge
: densitas atau massa jenis (kg/m3)
Untuk mengetahui sifat aliran fluida yang mengalir umumnya dinyatakan dengan suatu parameter yang disebut Reynold number (angka Reynold). Reynolds number (Re) ini merupakan parameter yang tidak berdimensi yang digunakan untuk mengklasifikasikan jenis aliran fluida, Re dirumuskan (Allen,2006) :
Re
DV
(2.14)
xxviii
Di mana merupakan nilai viskositas mutlak dari suatu fluida. Bila nilai Re < 2000, maka aliran tersebut berupa aliran laminer, dan bila Re > 3000 aliran ini bersifat turbulen, dan bila 2000 < Re < 3000 maka aliran ini bersifat transisi atau tidak stabil (Djuhana,2006). Fluida bergerak melalui dengan laju aliran yang meningkat mengakibatkan partikel bergerak dengan gerakan acak dan kompleks, kecepatan gerakkan acak ini disebut kecepatan kritis. Gambar (2.7) di bawah ini memperlihatkan jenis-jenis aliran fluida berdasarkan nilai Re.
(a) Aliran Laminer
(b) Aliran Turbulen
Gambar 2.7. Jenis Aliran Fluida Berdasarkan Besarnya Reynolds Number Sumber : (Djuhana,2006)
Aliran laminer terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinu dan tidak saling berpotongan, terjadi apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan mempunyai kekentalan besar. Pada aliran turbulen, partikel-partikel bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan, terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen (Ridwan,2008). Nilai perbandingan diameter orifice terhadap diameter pipa (), dan angka Reynold juga mempengaruhi besarnya koefisien discharge (Cd). Untuk menghitung koefisien discharge (Cd) pada orifice pada posisi corner taps :
Cd 0.5959 0.0312 2.1 0.184 8
xxix
91.71 2.5 Re 0.75
(2.15)
Dimana besarnya Cd menentukan besarnya laju aliran pada tiap-tiap bentuk orifice. Cd juga merupakan ukuran bukaan (jet) suatu bentuk orifice. Koefisien discharge ini juga merupakan rasio antara laju aliran aktual terhadap laju aliran ideal (Septiadi, 2008). Apabila sebuah aliran fluida yang telah diberi orifice, maka aliran tersebut dapat menghasilkan sebuah pola tertentu, di mana pola ini dipengaruhi oleh jenis atau bentuk serta ukurannya. Terdapat 3 jenis orifice yang umumnya digunakan yaitu cylindrical orifice, cone orifice, dan juga streamline orifice. Pada orifice sehingga pemasangan ini akan menimbulkan efek tertentu pada pola alirannya (Begenir, et. al, 2003).
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.8. Jenis – jenis Orifice (a) Cone Up Orifice (b) Cone Down Orifice (c) Cylindrical Orifice (d) Streamline Orifice Sumber : (Wang, et. al,2007; Begenir, et. al,2003) Dari berbagai macam jenis orifice yang digunakan seperti pada Gambar (2.8) di atas maka akan dapat diketahui jenis aliran fluida yang mengalir padanya. Untuk mengetahui termasuk dalam jenis aliran laminer, turbulen, atau transisi maka dapat dihitung besarnya Re (Wang, et. al,2007). Dari berbagai macam orifice yang telah dijelaskan sebelumnya maka masing-masing orifice bila dilalui fluida dapat menghasilkan sudut semburan (spray angle) yang berbeda-beda. Perbedaan spray angle ini dipengaruhi oleh besarnya luas penampang dan juga jenis orifice. Dengan luas penampang orifice yang semakin besar maka nilai Re juga semakin besar maka aliran fluida yang melaui orifice menjadi bersifat turbulen. Sifat aliran ini mempengaruhi besarnya spray angle yang dihasilkan dari orifice maupun nozzle (Tafreshi et. al,2003).
xxx
2.4. KACA DAN ARSITEKTUR Kaca merupakan material bangunan yang memungkinkan untuk melihat objek yang berada dibaliknya, sehingga mata dapat melihat lebih jauh, meskipun secara ruang terbatasi oleh kaca. Kaca dapat mengakomodir kebutuhan fungsional seperti memasukkan cahaya, fungsi estetis, ekspresi bangunan dan lain-lain sehingga penggunaannya
menjadi
sangat
lazim
dalam
struktur
bangunan
modern
(Hindarto,2008).
2.4.1 Definisi Kaca Dalam perspektif kajian material, kaca bersifat amorf, thermoplastic dan dapat dibentuk pada temperatur di atas 2300 oF (1216 oC). Dalam keadaan cair, kaca merupakan persenyawaan kimia, tetapi jika dibiarkan lama dalam keadaan cair, maka beragam senyawa tersebut menghambur. Keadaan menghambur ini, disebut dengan istilah membeku. Untuk mencegahnya, kaca harus melewati temperatur kristalisasi secepat mungkin sehingga menjadi amorf, benda solid yang keras, transparan, dan lembam kimiawi (Gusriharjo,1999). Beberapa sifat-sifat kaca secara umum (Ladelta,2007) a.
Padatan amorf (short range order).
b.
Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu)
c.
Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 1012 Pa.s)
d.
Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluorida. Karena itulah kaca banyak dipakai untuk peralatan laboratorium.
e.
Efektif sebagai isolator.
f.
Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan.
2.4.2
Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah Karena sifatnya yang unik penggunaan kaca bervariasi antara lain sebagai
atap, dinding, lantai, jendela dan pintu serta anak tangga. Kaca memiliki berbagai spesifikasi yang bervariasi sehingga mempermudah dalam penggunaannya untuk berbagai keperluan.
xxxi
Penggunaan kaca untuk dinding misalnya, dapat memberikan keleluasaan pandangan baik dari dalam ke luar maupun sebaliknya. Pada desain yang tepat guna, keleluasaan pandangan ini dinilai sangat bermanfaat, misalnya antara ruang keluarga dan taman, sehingga taman dapat dinikmati secara penuh dari dalam rumah (Hindarto,2008) Dinding kaca memberikan efek serupa cermin. Fungsinya bukan untuk memantulkan bayangan ruang, namun lebih pada "meniadakan" batas antar ruang. Kaca-kaca transparan berukuran besar dapat membawa suasana alami ke dalam ruang. Dengan dinding transparan, batas antara ruang luar dan dalam seolah hilang (Anissa,2009).
2.4.3. Rancangan Jendela Berpenutup Ganda Dalam bidang arsitektur, penelitian dengan menggunakan rancangan jendela berpenutup ganda telah dan sedang dikembangkan. Rancangan ini menggunakan dua buah kaca yang diatur jaraknya sehingga terdapat celah antara dua kaca yang disatukan tersebut atau rancangan ini sering disebut dengan double layer chamber. Salah satu penelitian yang dilakukan dengan rancangan ini adalah penelitian oleh Carl Bookbinder. Adapun desain dari invensi Carl Bookbinder (1983) adalah seperti terlihat pada Gambar (2.9)
Gambar 2.9. Rancangan Jendela oleh Carl Bookbinder Sumber: (US Patent No. 4390240,1983) xxxii
Invensi oleh Carl Bookbinder telah dipatenkan dan dipublikasikan dalam paten Amerika nomor 4390240 pada tahun 1983. Penelitiannya
menggunakan
desain jendela yang difungsikan sebagai cermin, yaitu dengan menggunakan dua kaca yang didesain dengan model double layer chamber yang dialiri fluida yang dihasilkan dari peningkatan air raksa pada reservoir sehingga air raksa dapat membuat kaca berfungsi menjadi cermin, invensinya ini juga untuk menghasilkan jendela yang mampu merefleksikan dan menyerap energi matahari secara maksimal.
BAB III METODELOGI PENELITIAN
3.1.
Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu metode
eksperimental. Adapun kegiatan dalam penelitian meliputi pengukuran tekanan uap, konstruksi instrumen, pengambilan data, pengolahan data hasil pengamatan dan pengukuran, pembuatan pola distribusi steam yang terbentuk. Pengukuran tekanan uap dilakukan untuk mengetahui perbedaan tekanan antara steam dengan tekanan air. Konstruksi instrumen meliputi pembuatan saluran uap, pembuatan kontrol uap dan pembuatan rancangan jendela berpenutup ganda. Pengukuran laju aliran uap melalui orifice silinder dilakukan dengan penghitungan secara eksprimental dan perhitungan menggunakan persamaan sesuai pada literatur yang terdapat pada pembahasan sebelumnya.
xxxiii
Pengolahan data dilakukan dengan menggunakan software GOM Player yang digunakan untuk memotong (capture) hasil rekaman video pola distribusi steam pada tiap-tiap waktu. Pembuatan pola distribusi steam dilakukan dengan menggabungkan beberapa gambar hasil pengolahan data pada tiap-tiap waktu yang telah didapatkan sebelumnya dengan menggunakan software Adobe Photoshop CS3 Portable.
3.2.
Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Bengkel Jurusan Fisika Fakultas
MIPA dan di Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret mulai dari bulan Maret 2009 sampai dengan bulan Juni 2009.
3.3
Alat dan Bahan Yang Digunakan Alat-alat yang digunakan dalam penelitian antara lain: pemanas air (heater) untuk menghasilkan steam, sampel kaca jendela sebagai media untuk mengetahui pola distribusi steam, pipa aluminium untuk mengalirkan steam, sponge (busa) dengan dua permukaan (halus dan kasar) untuk media penyaring uap, kasa strimin untuk penyangga busa, kaleng bekas untuk menampung air pada kontrol uap, karet polypropylene (PP) sebagai petutup heater dan kontrol uap, kamera video SONY Cyber-shot tipe DSC – S730 dengan resolusi 7.2 megapixel untuk merekam video distribusi steam, perangkat komputer dengan software GOM player dan Adobe Photoshop CS3 Portable, stopwatch, jangka sorong, gelas ukur, pressure gauge dengan manometer untuk mengukur tekanan
xxxiv
uap, thermometer, kayu tripleks untuk menyangga saluran uap, acrylic untuk menyangga sampel kaca, klem paku, serta alat tulis Sedangkan bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian antara lain : air, polimer untuk lem acrylic, bahan perekat, sillikon gel untuk merekatkan orifice silinder pada pipa saluran uap, tissue untuk mebersihkan sisa uap yang terdapat pada kaca jendela. Adapun set up alat penelitian disajikan pada Gambar (3.1).
D
B C
A
E
Gambar 3.1 Set up Alat Penelitian
Keterangan : A
: rancangan jendela berpenutup ganda (model bilik)
B
: kayu tripleks penyangga saluran uap
C
: kontrol uap
D
: saluran uap dari pipa aluminium
E
: heater (pemanas air)
3.4.
Prosedur Penelitian
3.4.1.
Diagram Alir penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti disajikan dalam
diagram alir pada Gambar (3.2). Mulai xxxv Penyiapan alat dan bahan
Pengukuran tekanan uap
Gambar 3.2. Diagram alir tahap-tahap penelitian Keterangan dari diagram alir tahap-tahap penelitian adalah sebagai berikut:
3.4.1a
Penyiapan Alat Penyiapan alat dalam penelitian meliputi pencarian serta pengumpulan alat
dan bahan yang akan digunakan dalam pembuatan alat penelitian. Alat yang xxxvi
digunakan adalah pemanas air sebagai penghasil steam, pipa aluminium sebagai saluran uap, kaca sebagai media untuk melihat pola distribusi steam, orifice silinder berbagai ukuran, kamera video sebagai penangkap pola distribusi steam dan beberapa alat dan bahan penunjang yang lain.
3.4.1b
Pengukuran Tekanan Uap Pengukuran tekanan uap dilakukan untuk mengetahui berapa besar tekanan
steam yang digunakan dalam penelitian ini. Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan steam ini adalah pressure gauge. Pengukuran tekanan steam digunakan untuk mengetahui besarnya tekanan steam bila dibandingkan dengan tekanan air. Pengukuran tekanan uap dilakukan pada saat air mulai mendidih pada pemanas air hingga temperaturnya maksimum.
3.4.1c
Konstruksi Instrumen Konstruksi instrumen pada penelitian ini adalah pembuatan saluran uap,
pembuatan kontrol uap yang digunakan untuk mengkontrol jumlah uap berlebih dan pembuatan rancangan jendela berpenutup ganda. Set up alat didesain sedemikian sehingga steam yang mengalir tidak mengandung titik-titik air, karena dapat berpengaruh terhadap pola distribusi steam yang dihasilkan menjadi tidak maksimum. Pada rancangan jendela berpenutup ganda, bilik antara dua kaca difungsikan untuk meletakkan pipa saluran uap, di mana pada pipa ini diletakkan suatu orifice silinder untuk memicu pola distribusi steam.
3.4.1d Pengambilan Data Rekaman Video Pola Distribusi Steam Pengambilan data berupa rekaman video pola distribusi steam yang melalui orifice silinder. Pengambilan video ini dilakukan dengan menggunakan kamera video SONY Cyber-shot tipe DSC – S730. Rekaman video ini digunakan untuk mempermudah dalam mengetahui pola yang dibentuk. Waktu pengambilan rekaman video adalah saat steam mulai mengalir pada orifice silinder hingga permukaan kaca menjadi buram karena tertutup oleh steam.
xxxvii
3.4.1e
Pengukuran Laju Secara Eksperimen Pengukuran laju aliran secara eksperimen dilakukan dengan mengukur debit
air, yaitu dengan pengukuran perbedaan volume air sebelum dan sesudah dipanaskan terhadap waktu yang digunakan steam pada saat memancar dari orifice silinder hingga steam memenuhi bilik pada rancangan jendela berpenutup ganda secara maksaimal.
3.4.1f
Pengolahan Hasil Rekaman Video Dengan Software GOM Player Pada kegiatan sebelumnya didapatkan hasil rekaman video distribusi steam,
untuk mempermudah melihat pola distribusi yang dibentuk pada waktu yang dikehendaki digunakan software GOM Player. Software ini digunakan karena dapat memutar video dan dapat memotong atau mengambil gambar pada waktu yang dikehendaki, sehingga format video semula (AVI) berubah menjadi format gambar (JPG). Gambar yang diperoleh dari pemotongan video adalah gambar pada waktu yang dikehendaki.
3.4.1g Penghitungan Laju Aliran Secara Teoritis Laju aliran steam yang melalui orifice silinder dapat dihitung dengan menggunakan persamaan matematis yang telah dibahas pada pembahasan sebelumnya. Laju aliran ini disebut laju aliran secara teori, dan laju secara eksperimen didapatkan dari pengukuran sebelumnya.
3.4.1h Pengolahan Data Gambar dengan Software Photoshop CS3 Portable Setelah diperoleh gambar distribusi steam pada interval waktu tertentu, selanjutnya gambar tersebut diolah dengan software Adobe Photoshop CS3 Portable untuk memberikan warna pada pola distribusi steam pada waktu tertentu. Pemberian warna pada gambar distribusi steam adalah untuk mempermudah dalam mengetahui dan membedakan bentuk pola distribusi steam yang terjadi pada waktu tertentu.
3.4.1i
Pola Distribusi Steam Melalui Orifice Silinder xxxviii
Pola distribusi steam melalui orifice silinder merupakan gabungan dari beberapa pola distribusi pada interval waktu tertentu. Adapun cara penggabungan gambar pola distribusi adalah dengan cara menumpang-tindihkan semua gambar pola distribusi steam yang terjadi menjadi satu kesatuan pola distribusi steam secara utuh. Sehingga hasil akhir dari penggabungan gambar adalah sebuah pola distribusi dari awal steam mulai memancar dari orifice silinder hingga steam memenuhi bilik pada rancangan jendela berpenutup ganda.
3.4.1j
Laju Penutupan Permukaan Jendela Maksimal Laju penutupan permukaan jendela secara maksimal dapat diketahui dengan
cara menghitung luasan area distribusi steam pada tiap-tiap waktu. Luasan area distribusi diketahui dengan cara menambahkan skala (grid) pada pola distribusi yang terjadi. Dengan diketahui besarnya laju penutupan jendela secara maksimal maka dapat diketahui ukuran orifice silinder dan konfigurasi yang tepat digunakan untuk menghasilkan pola distribusi steam secara maksimal.
BAB IV HASIL PENELITIAN dan PEMBAHASAN
Penelitian ini dilakukan untuk dapat mengetahui dan menganalisa pola distribusi steam berdasarkan konfigurasi dan variasi ukuran orifice silinder pada rancangan jendela berpenutup ganda. Orifice silinder digunakan untuk mengetahui pola geomerti yang dibentuk dari sebaran steam yang melaluinya. Kegiatan dalam penelitian meliputi pengukuran tekanan steam, konstruksi instrumen, pengambilan data, pengolahan data hasil pengamatan dan pengukuran, pembuatan pola distribusi steam serta laju penutupan permukaan jendela berpenutup ganda. Orifice silinder yang digunakan terdiri dari berbagai ukuran. Pada penelitian ini konfigurasi orifice silinder juga divariasikan untuk menghasilkan suatu pola xxxix
distribusi steam yang berbeda. Adanya perbedaan ukuran ini dapat digunakan untuk mengetahui perbedaan bentuk geometri dari distribusi steam, sedangkan konfigurasinya digunakan untuk mengetahui perubahan efek geometris dari distribusi steam tersebut. Hasil penelitian ini berupa pola geometris dari distribusi steam yang melalui sebuah orifice silinder. Distribusi steam ditentukan dari besarnya kelajuan alirannya dan distribusi ini dapat mempengaruhi besarnya laju penutupan permukaan jendela berpenutup ganda. Dengan pola geometris yang terbentuk dapat diketahui ukuran dan konfigurasi orifice silinder yang tepat digunakan untuk menghasilkan pola distribusi secara maksimal. 4.1
Pengukuran Tekanan Uap Bertekanan (Steam) Dalam penelitian dilakukan pengukuran tekanan air pada temperatur ruang
dan tekanan steam. Alat yang digunakan yaitu pressure gauge. Pengukuran tekanan dilakukan dengan memanaskan air sebanyak 8,00 x 10-4 m3 pada cawan pemanas dengan kondisi cawan pemanas terbuka, karena pressure gauge yang digunakan pada bagian tabung harus tercelup ke dalam air agar skala tekanan pada manometer dapat terbaca. Pengukuran tekanan dilakukan pada temperatur ruang yaitu 28 0C hingga mencapai temperatur 98 0C. Hasil pengukuran disajikan dalam Gambar (4.1). 1.250
P (Tekanan) dalam Kgf / cm 2
1.225 1.200 1.175 1.150 1.125 1.100 1.075 1.050 1.025 1.000 20
30
40
50
60
70
T (Temperatur) dalam 0C
xl
80
90
100
110
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Tekanan Terhadap Kenaikan Temperatur Dari grafik di atas tampak bahwa tekanan pada temperatur ruang atau 280C adalah sebesar 1,040 Kgf/cm2. Setelah itu air dipanaskan hingga mencapai titik didihnya pada temperatur 98 0C. Pada keadaan ini dihasilkan uap maksimal dan tekanan yang terukur adalah 1,220 Kgf/cm2. Hasil pengukuran tekanan secara lengkap disajikan dalam Lampiran 1. Berdasarkan tren grafik di atas diketahui bahwa peningkatan tekanan sebanding dengan kenaikkan temperatur. Bila temperaturnya dinaikkan maka tekanan yang terbaca pada manometer juga bertambah. Namun bila temperatur air telah mencapai titik didihnya, peningkatan temperatur dan tekanan tidak mengakibatkan perubahan fase. Uap yang dihasilkan merupakan jenis steam. Steam yang dihasilkan dari pemanas air digunakan dalam penelitian, dengan mengalirkannya melalui saluran uap hingga mencapai kontrol uap dan air yang mengalir bersama steam sebagian terjebak di dalam kontrol uap dan sebagian steam mengalir kembali menuju segmen saluran uap berikutnnya hingga menuju rancangan jendela berpenutup ganda, kemudian tersembur melalui orifice silinder. Semburan tersebut akan memenuhi bilik dan membuat kaca tampak lebih buram. Semburan ini membentuk pola geometris tertentu yang dihasilkan dari distribusi tersebut. Tekanan uap terukur adalah tekanan uap dalam cawan yang masuk menuju saluran berbentuk pipa. Sementara tekanan steam yang keluar dari semburan oleh orifice silinder pada penelitian ini tidak dilakukan, karena dibutuhkan alat khusus yang difungsikan untuk mengukur tekanan pada orifice dengan ukuran kecil. Namun pada penelitian ini perbedaan tekanan steam pada pipa dan orifice silinder dapat ditentukan dari pengukuran laju aliran dengan menggunakan persamaan Bernoulli dan kontinuitas yang telah dijelaskan pada literatur. Selain itu pengukuran tekanan uap juga digunakan untuk menentukan besarnya Reynold number guna mengetahui jenis aliran yang dihasilkan.
4.2
Konstruksi Instrumen Dalam penelitian ini telah berhasil dibuat sebuah alat yang dapat digunakan untuk melihat pola distribusi steam yang melalui sebuah orifice xli
silinder. Pembuatan alat ini meliputi pembuatan saluran uap, pembuatan kontrol uap, dan pembuatan rancangan jendela berpenutup ganda.
4.2.1 Pembuatan Saluran Uap Saluran uap dalam penelitian ini meliputi segmen penghubung cawan pemanas dengan kontrol uap dan segmen kontrol uap menuju bilik serta segmen untuk pembuangan titik-titik air berlebih. Ketiga segmen saluran tersebut terbuat dari bahan pipa aluminium berdiameter 9,246 x 10-3 m. Pipa aluminium digunakan karena sifatnya yang tidak cepat mengalami korosi (pengkaratan) karena pipa ini digunakan secara terus-menerus dan di dalamnya dialirkan steam, apabila pipa berkarat maka dapat mempengaruhi laju aliran steam tersebut. Khusus pada pipa aluminium yang terletak pada bilik terdapat lubang di permukaannya untuk meletakan orifice silinder. Rancang bangun saluran uap sangat penting untuk diperhatikan guna memastikan tidak terdapat titik air berlebih di dalam saluran uap maupun bilik. Desain pembuatan saluran ini mengalami beberapa kali perubahan. Pada awalnya set up alat didesain mendatar seperti pada Gambar (4.2). B 2 4
1
5
3
A
C D
Gambar 4.2 Skema Set Up Alat dengan Desain Mendatar xlii
Keterangan : 1. Pemanas air 2. Saluran uap 3. Kontrol uap 4. Kayu tripleks penyangga saluran uap 5. Rancangan Jendela berpenutup ganda A. Saluran inlet kontrol uap B. Saluran outlet kontrol uap C. Orifice Silinder D. Saluran pembuangan uap berlebih
Dari bentuk desain mendatar seperti pada Gambar (4.2) di atas, steam dan uap air yang dihasilkan lebih cepat naik dan menuju ke saluran uap menjadi tidak tertampung oleh pengontrol uap karena jumlahnya yang berlebih. Hal ini mengakibatkan air dalam kontrol uap kembali mengalir pada segmen saluran uap yang menuju ke dalam bilik, sehingga orifice silinder tidak hanya memancarkan steam tetapi juga mengalirkan titik-titik air yang terbawa bersamanya. Oleh karena itu di dalam bilik terdapat titik-titik air yang lebih banyak dan menempel di permukaan kaca pada rancangan jendela. Karena itu desain mendatar ini perlu
xliii
diubah dengan desain saluran uap yang membentuk elivasi sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar (4.3).
B 2
4 5
1 33 A
C
D
Gambar 4.3 Skema Set Up Alat dengan Desain Membentuk Elivasi.
Rancang bangun yang telah diperbaiki dapat mengalirkan uap dengan fraksi titik-titik air yang lebih sedikit dari pada rancangan semula. Namun demikian menyertakan dampak waktu untuk mencapai bilik menjadi lebih lama. Hal ini dikarenakan, uap membutuhkan gaya dan tekanan yang lebih besar untuk dapat mengalir dan naik melalui saluran ini. Adanya titik-titik air di dalam bilik menyebabkan pola distribusi steam menjadi tidak maksimal. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka telah dikembangkan rancang bangun versi ketiga
xliv
sebagaimana tampak pada Gambar (4.4). Rancangan ini diberi nama rancangan kombinasi.
B 2
4
5
1 3 C
A
D
Gambar 4.4 Skema Set Up Alat dengan Desain Kombinasi. Rancang bangun kombinasi ini mampu mengurangi jumlah titik air yang terbawa dan mengalir bersama steam. Kontrol uap juga dapat berfungsi maksimal dalam mengkontrol steam yang mengalir. Sehingga rancang bangun kombinasi digunakan dalam penelitian karena mampu membuat steam dan titiktitik air yang memiliki tekanan dan gaya cukup yang mampu membuatnya naik ke atas menuju saluran uap, kemudian gaya tersebut dilepaskan untuk masuk ke dalam kontrol uap dan titik-titik air menjadi mudah turun dan masuk ke dalam kontol uap. Di dalam kontrol uap, titik-titik air yang kembali naik terlebih dahulu diserap oleh busa yang terdapat dalam konrtol uap dan sebagian titik air tersebut dapat terkungkung di dasar kontrol uap sehingga hanya steam dengan tekanan xlv
cukup yang mampu mengalir kembali pada saluran uap berikutnya. Oleh karena itu rancang bangun versi ketiga ini mampu mendistribusikan steam secara maksimal, dan pada permukaan kaca fraksi titik-titik air menjadi lebih sedikit dibandingkan dengan kedua rancang bangun sebelumnya.
4.2.2. Pembuatan Kontrol Uap Kontrol uap berfungsi sebagai tempat pengontrol jumlah uap berlebih yang dihasilkan dari pemanas air, selain itu kontrol uap merupakan tempat yang digunakan untuk menampung uap dan air yang mengalir dari segmen saluran uap dari cawan pemanas dan mengalirkannya kembali menuju ke saluran uap berikutnya. Kontrol uap terbuat dari kaleng bekas dan berdiameter 0,151 m yang telah dirancang sedemikian sehingga mampu menampung air dan mengalirkan sebagian steam untuk diteruskan menuju segmen saluran berikutnya. Pada kontrol uap ini terdiri dari dua segmen saluran yaitu saluran masukkan (inlet) dan saluran keluaran (outlet). Salutan inlet merupakan saluran yang menghubungkan cawan pemanas air menuju kontrol uap, sedangkan saluran outlet menghubungkan kontrol uap dengan saluran uap yang menuju bilik pada rancangan jendela berpenutup ganda. Adapun rancang bangun kontrol uap mempengaruhi banyaknya air dan steam yang mampu ditampung di dalamnya. Pada penelitian ini rancang bangun kontrol uap mengalami beberapa perkembangan untuk mendapatkan kontrol uap yang berfungsi secara maksimal. Rancang bangun kontrol uap tersebut dapat disajikan seperti tampak pada Gambar (4.5).
h 2h
2h
xlvi
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.5 Rancang Bangun Kontrol Uap (a) Model Awal; (b) Model Kedua; (c) Model Akhir
Rancang bangun kontrol uap model awal seperti tampak pada Gambar (4.5a), kontrol uap tersebut terbuat dari kaleng bekas yang mempunyai ukuran ketinggian 0,10 m dan berdiameter 0,151 m dan pada bagian atas kaleng ditutup menggunakan karet polypropylene yang berfungsi sebagai penutup kontrol uap agar temperatur di sekitarnya tidak dapat mempengaruhi temperatur steam yang berada di dalamnya. Pada kontrol uap terdapat dua saluran uap yang berfungsi mengalirkan steam, posisi pipa inlet dan pipa outlet mempunyai kedalaman yang sama di dalam kontrol uap. Di dalam kontrol uap terdapat kasa filter akuarium yang dibuat berlapis, digunakan untuk menyerap air dan steam yang masuk ke dalam kontrol uap. Model ini belum mampu menampung titik air dalam jumlah banyak dan kasa filter tidak dapat menyerap titik air secara maksimal. Oleh karena itu, model ini diganti dengan model kedua seperti terlihat pada Gambar (4.5b). Model kedua dari rancang bangun kontrol uap juga terbuat dari kaleng bekas berdiameter 0,151 m dan tinggi kaleng yang digunakan tersebut dua kali tinggi kaleng yang digunakan pada kontrol uap sebelumnya, sehingga ketinggian kaleng bekas pada kontrol uap model kedua menjadi 0,20 m. Kotrol uap ini juga
xlvii
ditutup menggunakan karet polypropylene, di dalamnya tidak lagi menggunakan kasa filter akuarium karena ketidakmampuannya menyerap air secara maksimal, maka penggunaanya diganti dengan menggunakan busa (sponge) dengan ketebalan 0,05 m. Busa ini terdiri dari dua lapisan permukaan yaitu lapisan permukaan yang halus dan lapisan permukaan yang kasar. Fungsi busa adalah untuk menyerap dan menyaring uap dan air yang masuk dan keluar. Agar terdapat jarak antara busa dengan dasar kontrol uap digunakan penyangga berupa kasa strimin. Jarak ini berfungsi sebagai tempat menampung air yang masuk. Model ini juga belum berfungsi secara efektif dalam mengurangi jumlah air yang keluar dari kontrol uap, hal ini disebabkan karena posisi saluran inlet dan outlet mempunyai kedalaman yang sama. Pengembangan dari model kedua dengan posisi saluran inlet dan outlet yang berbeda ketinggiannya disajikan pada Gambar (4.5c), model ini dinamakan model ketiga. Posisinya inlet dibuat lebih dalam dari pada posisi outlet-nya, hal ini berfungsi untuk mengalirkan steam dan air secara langsung menuju bagian dasar kontrol uap tanpa melalui dan terserap terlebih dahulu oleh sponge penghalang. Sedangkan saluran outlet dibuat lebih dangkal dari bagian penutup kontrol uap, agar air dari dasar kontrol uap tidak secara langsung naik akan tetapi tersaring dan diserap oleh pori-pori pada busa tersebut, untuk kemudian dapat mengalir menuju segmen saluran berikutnya. Hal ini terbukti bahwa jumlah air setelah melalui kontrol uap model ketiga menjadi lebih sedikit, sehingga model ini menjadi lebih efisien dibandingkan rancangan sebelumnya. Oleh karena itu
xlviii
model ketiga dari rancang bangun kontrol uap yang digunakan dalam penelitian ini.
4.2.3. Pembuatan Rancangan Jendela Berpenutup Ganda Rancangan jendela berpenutup ganda sering disebut sebagai double layer chamber, karena diantara dua kaca terdapat jarak yang merupakan bilik (chamber). Kaca yang digunakan merupakan jenis kaca yang lazim digunakan sebagai kaca jendela, kaca yang digunakan berbentuk persegi dengan ukuran sisi-sisinya yaitu 0,20 m x 0, 20 m dan ketebalan 5 x 10-3 m. Bilik yang terdapat pada rancangan ini dihasilkan
dari
dua
kaca
yang
direkatkan
dengan
menggunakan
karet
polyprophyline. Bilik ini mampu membuat uap tidak dapat keluar dari rancangan jendela, yang berakibat uap yang mengalir terkungkung di dalamnya. Pada bagian bawah rancangan jendela diletakkan pipa saluran uap dengan orifice silinder. Untuk menyangga rancangan jendela agar sampel kaca tetap tegak digunakan acrylic di bagian depan, belakang dan bawah dari rancangan jendela berpenutup ganda. Gambar (4.6) merupakan rancangan jendela berpenutup ganda.
Keterangan :
d e
a
a : Kaca Transparan b : Acrylic
c
c : Pipa Saluran Uap d : Bilik
b
e : Orifice silinder
xlix
Gambar 4.6 Desain Double layer Sampel Kaca Jendela
4.3
Pengambilan dan Pengolahan Data Pengambilan data penelitian meliputi dua jenis kegiatan antara lain pengambilan data distribusi steam dan pengukuran kelajuan alirnya secara eksperimen. Pengolahan data distribusi steam digunakan software GOM Player dan diolah kembali menggunakan software Adobe Photoshop CS3 Portable untuk menghasilkan suatu gambaran pola distribusi steam. Sedangkan data hasil pengukuran yang diperoleh, dibandingkan dengan perhitungan sesuai dengan literatur pada pembahasan sebelumnya.
4.3.1 Pengambilan Data Data distribusi steam diperoleh dari rekaman video. Untuk mendapatkan rekaman video distribusi steam digunakan kamera video SONY Cyber-shot tipe DSC-S730. Penggunaan kamera video hanya untuk mempermudah melihat efek dari pola distribusi steam yang dihasilkan setelah melalui orifice silinder. Kamera ini diletakkan tepat di depan rancangan jendela berpenutup ganda untuk dapat mengamati secara langsunng pola yang dibentuk dari distribusi steam. Data rekaman video disesuaikan dengan waktu yang digunakan steam untuk memenuhi bilik rancangan jendela penutup ganda ini. Dengan waktu rekaman video ini dapat diamati pola distribusi yang terbentuk. Adapaun skema pengambilan data rekaman video seperti yang tampak pada Gambar (4.7).
l
A
B
Keterangan : A : Rancangan jendela berpenutup ganda B : Kamera video
Gambar 4.7 Skema Pengambilan Data dengan Kamera Video
Pengambilan data secara eksperimen dilakukan untuk mengetahui laju alir volume tiap detiknya. Laju alir volume tiap detik ditentukan dengan cara mengukur jumlah volume air sebelum dan sesudah dialirkan terhadap waktu yang dibutuhkan steam untuk mengalir hingga memenuhi bilik. Pada penelitian digunakan jenis orifice silinder yang bervariasi ukuran, agar diketahui perbedaan kelajuan alir masing-masing orifice yang digunakan. Orifice silinder yang digunakan terbuat dari bahan yang mudah didapatkan di pasaran dan terbuat dari bahan plastik berbentuk pipa silinder. Ukuran orifice silinder disajikan dalam Tabel (4.1).
Tabel 4.1 Tabel Ukuran Orifice Silinder yang Digunakan Jenis Orifice
Diameter Orifice (m)
li
Orifice Silinder 1
1,60 x 10 -3
Orifice Silinder 2
2,02 x 10 -3
Orifice Silinder 3
2,95 x 10 -3
Orifice Silinder 4
3,47 x 10 -3
Orifice Silinder 5
4,76 x 10 -3
Orifice Silinder 6
5,71 x 10 -3
4.3.2 Pengolahan Data Gambar Data hasil penelitian berupa rekaman video distribusi dan pengukuran parameter-parameter yang digunakan untuk menghitung kelajuan alir steam. Rekaman video merupakan rekaman distribusi steam dari keadaan mulai mengalir hingga mencapai bilik dan steam dapat memenuhi permukaan kaca. Untuk mengetahui pola distribusi steam, hasil rekaman video diolah dan diubah dalam format penyajiannya, yaitu dari bentuk format video (AVI) menjadi format gambar (JPG). Pengubahan format dari video ke gambar digunakan software GOM Player. Dengan software ini distribusi steam tiap waktu dapat disajikan dengan cara memotong dan mengambil (capture) video saat ditampilkan, pengambilan gambar pada waktu tertentu sesuai yang dikehendaki. Video tersebut dapat menghasilkan beberapa gambar yang menyajikan pola distribusi steam pada masing-masing waktu tergantung banyaknya gambar yang dipotong dan diambil sesuai dari banyaknya video saat capture. Gambar yang diperoleh dari hasil capture merupakan pola distribusi pada waktu capture yang telah dikehendaki. Pada penelitian ini waktu capture lii
adalah setiap 5 detik pada saat steam mulai memancar hingga steam memenuhi bilik dan menjadikan buram pada permukaan kaca. Contoh gambar distribusi steam yang diperoleh dari proses capture disajikan seperti Gambar (4.8a). Kemudian gambar steam yang memancar dari orifice silinder diberikan warna untuk membedakan pola distribusi steam pada tiap-tiap waktu seperti terlihat pada Gambar (4.8b).
(a) Pola distribusi hasil proses capture
(b) Pola distribusi dengan warna
Gambar 4.8. Contoh pola distribusi steam pada waktu tertentu Setelah semua gambar yang diperoleh diberikan warna untuk pola distribusi, selanjutnya gambar-gambar tersebut digabungkan menjadi satu gambar, dengan cara menumpang tindih antara gambar pola distribusi satu dengan yang lainnya seperti pada Gambar (4.9a) hingga semua gambar distribusi steam menjadi satu kesatuan gambar distribusi steam yang utuh. Proses
liii
penumpukan gambar ini dilakukan untuk lebih mudah dalam mengetahui bentuk pola distribusi steam melalui orifice silinder. Penggabungan gambar diolah dengan menggunakan software Adobe Photoshop CS3 Portable. Software ini juga digunakan untuk mengubah warna semburan uap sehingga untuk membedakan pola yang dibentuk tiap waktunya digunakan indeks warna. Pola distribusi steam melalui orifice silinder secara utuh disajikan dalam Gambar (4.9b).
(a) Penggabungan pola distribusi
(b) Pola distribusi steam lengkap
Gambar 4.9. Pengolahan pola distribusi steam
Pola distribusi steam yang dibentuk masing-masing orifice silinder dapat disajikan dalam gambar yang terdapat pada lampiran 2a. Dari gambar liv
diketahui bahwa pola distribusi steam dipengaruhi oleh besarnya diameter orifice silinder. Semakin besar diameter orifice maka pola yang dibentuk akan semakin luas, dan waktu yang digunakan untuk memenuhi bilik menjadi semakin cepat. Misalkan gambar pola distribusi untuk orifice silinder yang berdiameter 1,60 x 10-3 m, pola yang dibentuk tiap waktunya lebih rapat bila dibandingkan dengan pola distribusi yang dibentuk dari orifice silinder dengan diameter 5,71 x 10 -3 m, sehingga dengan orifice silinder yang berdiameter 5,71 x 10-3 m permukaan jendela yang tertutup steam membutuhkan waktu yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan yang lainnya. Dengan menggunakan orifice silinder, sudut semburan yang dibentuk (spray angle) adalah tegak lurus (90 0), karena steam yang memancar keluar melalui orifice terdistribusi dan menutup daerah yang berada di atasnya. Kemudian steam bergerak menjauhi arah semburan dan memenuhi bagian atas dari bilik selanjutnya bergerak turun untuk memenuhi bagian di tepi dari rancangan jendela ini. Daerah yang berada di sisi orifice silinder merupakan daerah yang sulit dijangkau oleh distribusi steam, karena tertutup oleh permukaan orifice silinder yang terpasang, sehingga pada penelitian ini hasil yang didapatkan dari proses distribusi tidak mampu menghasilkan 100 % area permukaan kaca terpenuhi oleh steam. Adapun konfigurasi orifice silinder berpengaruh terhadap pola distribusi steam yang terbentuk. Pola distribusi dengan adanya konfigurasi dapat disajikan pada gambar yang terdapat pada lampiran 2b. Pada gambar yang disajikan, saat orifice silinder pada konfigurasi di tengah saluran uap semburan yang dibentuk lv
steam bergerak lurus ke atas, kemudian setelah penuh steam didistibusikan ke arah kanan dan kiri dengan sudut semburan (spray angle) yang tegak lurus, namun saat orifice silinder diletakkan pada konfigurasi pada bilik bagian kanan dari rancangan jendela berpenutup ganda diperoleh pola distribusi yang berbeda. Sudut semburan yang keluar dari orifice silinder menjadi lebih besar, karena steam yang terdistribusi menjangkau bagian bilik sebelah kiri. Dari pola distribusi yang dihasilkan membuktikan bahwa konfigurasi orifice silinder berpengaruh terhadap pendistribusian steam. Selain itu konfigurasi orifice juga berpengaruh terhadap kecepatan distribusi steam, semakin dekat letak orifice silinder dengan sisi kaca maka waktu yang digunakan juga semakin cepat. Dengan adanya konfigurasi orifice silinder ini dapat diprediksikan bentuk pola distribusi steam yang akan dihasilkan, sehingga konfigurasi ini sangat bermanfaat untuk menentukan penempatan orifice untuk menghasilkan pola distribusi sesuai dengan pola yang dikehendaki. 4.3.3 Pengolahan Data Pengukuran Data hasil penelitian diperoleh antara lain : besarnya tekanan yang masuk ke dalam pipa saluran uap, diameter orifice silinder dan pipa saluran, volume air sebelum dan sesudah dipanaskan dan waktu yang dibutuhkan steam untuk mengalir dari cawan pemanas hingga memenuhi bilik. Besarnya volume dan waktu digunakan untuk menghitung nilai kelajuan alir secara eksperimen yang digunakan untuk mengetahui perbedaan tekanan uap. Secara matematis bila nilai perbedaan tekanan diperoleh, maka kelajuan alir massa tiap detik dapat dihitung menggunakan persamaan yang telah lvi
dijelaskan pada pembahasan sebelumnya. Besarnya kelajuan alir juga dipengaruhi oleh besarnya diameter orifice silinder seperti disajikan dalam Tabel (4.2).
Tabel 4.2 Tabel Nilai Kelajuan Alir Volume Tiap Detik Kelajuan Alir Volume Diameter Orifice (Qv) (m) (m3/s) 1,60 x 10-3
1,869 x 10 -07
2,02 x 10-3
2,614 x 10 -07
2,95 x 10-3
4,598 x 10 -07
3,47 x 10-3
6,579 x 10 -07
4,76 x 10-3
1,250 x 10 -06
5,71 x 10-3
1,622 x 10 -06
Dari tabel di atas diketahui bahwa besarnya diameter adalah sebanding dengan nilai kelajuan alir volume tiap detik. Dengan kata lain, steam yang keluar dari orifice silinder berdiameter besar, lebih cepat memenuhi permukaan jendela. Secara lengkap perhitungan kelajuan alir dapat dilihat dalam Tabel yang terdapat pada lampiran 3. lvii
Nilai kelajuan alir yang disajikan diatas, digunakan untuk mengetahui besarnya kecepatan alir baik pada pipa maupun kecepatan alir yang melalui orifice silinder. Besarnya kecepatan alir pada masing-masing orifice silinder tampak pada Tabel (4.3).
Tabel 4.3 Tabel Nilai Kecepatan Alir pada Pipa dan Orifice Silinder Kecepatan Alir
Kecepatan Alir pada
pada Pipa (V1)
Orifice Silinder (V2)
(m/s)
(m/s)
Diameter Orifice (m)
1,60 x 10 -3 2,02 x 10 -3 2,95 x 10 -3 3,47 x 10 -3 4,76 x 10 -3 5,71 x 10 -3
2,785 x 10 -3
9,30115 x 10-2
3,896 x 10 -3
8,16199 x 10-2
6,850 x 10 -3
6,73019 x 10-2
9,803 x 10 -3
6,96030 x 10-2
1,863 x 10 -2
7,0279 x 10-2
2,416 x 10 -2
6,33589 x 10-2
Tabel di atas menunjukkan bahwa orifice silinder dapat mengakibatkan kecepatan alir steam menjadi semakin cepat, oleh karena itu orifice silinder berfungsi sebagai pemicu untuk menaikkan kecepatan alir. Semakin kecil ukuran diameter orifice silinder yang digunakan maka semakin cepat orifice tersebut lviii
memicu steam yang mengalir melaluinya, karena tekanan yang dihasilkan dari orifice silinder semakin besar. Dari data yang diperoleh dapat dihitung nilai dari Reynold number (Re) dan koefisien discharge (Cd). Kedua parameter berpengaruh terhadap distribusi steam. Besarnya nilai Reynold number (Re) dan juga besarnya koefisien discharge (Cd) disajikan pada Tabel (4.4). Nilai Reynold Number (Re) dan koefisien discharge (Cd) merupakan suatu parameter yang tidak berdimensi, namun besarnya nilainya berpengaruh terhadap distribus dan kelajuan alir steam. Nilai Cd dipengaruhi oleh besarnya nilai Re. Sedangkan Re menunjukkan sifat dari aliran distribusi steam. Dari tabel yang disajikan, dapat disimpulkan bahwa jenis aliran steam pada penelitian ini termasuk jenis aliran turbulen, karena nilai Re > 3000, atau aliran yang diakibatkan partikel-partikel yang bergerak bebas. Tabel 4.4 Tabel Nilai Reynold Number (Re) dan Koefisien Discharge (Cd) Reynold Number
Koefisien Discharge
(Re)
(Cd)
Diameter Orifice
1,60 x 10 -3 meter 2,02 x 10 -3 meter 2,95 x 10 -3 meter 3,47 x 10 -3 meter 4,76 x 10 -3 meter
5,300 x 10 5
5,96742 x 10-1
5,872 x 10 5
5,97275 x 10-1
7,071 x 10 5
5,98934 x 10-1
8,601 x 10 5
6,00109 x 10-1
1,191 x 10 6
6,03431 x 10-1
lix
5,71 x 10 -3 meter
1,288 x 10 6
6,04996 x 10-1
4.4 Laju Penutupan Permukaan Jendela Setelah diketahui gambar pola distribusi steam, maka dapat dihitung besarnya laju penutupan permukaan jendela yaitu dengan cara menghitung luasan daerah (area) bilik yang dipenuhi steam pada waktu tertentu. Untuk menghitung luasan daerah digunakan bantuan skala (grid) untuk mempermudah dalam menentukan berapa persen (%) steam yang terdistribusi. Grid atau skala yang digunakan mempunyai ukuran 10 kolom x 10 baris sehingga total kotak yang digunakan berjunlah 100, hal ini dilakukan untuk mempermudah dalam pernyataan luasan area yang dibentuk. Sehingga bila pola distribusi steam yang memenuhi kotak berjumlah 10, maka area yang dibentuk dari pola tersebut adalah 10 %. Penghitungan luas daerah yang terdistribusi dilakukaan secara sederhana, dengan menghitung jumlah luasan warna pola distribusi yang menempati daerah pada kotak–kotak skala dan dihitung secara manual. Bila warna pola distribusi yang menempati satu kotak tersebut mencapai setengah bagian atau lebih maka area tersebut dihitung memenuhi satu kotak, sedangkan bila kurang dari itu warna yang mengisi kotak tersebut dianggap tidak ada. Sehingga pernyataan luasan area dinyatakan dalam persen. Gambar (4.10) memperlihatkan bentuk pola distribusi steam yang telah diberikan kotak-kotak skala untuk mempermudah pernyataan luas area yang dipenuhi oleh pola distribusi. lx
Gambar 4.10. Pola distribusi steam dengan kotak-kotak skala
Adapun laju penutupan permukaan jendela untuk masing-masing orifice silinder dapat disajikan pada Gambar (4.11).
Luas Permukaan Jendela (%)
Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
d=1,60mm d=2,02mm d=2,95mm d=3,47mm
lxi
d=4,76mm d=5,71mm
Gambar 4.11 Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela Grafik di atas menunjukkan bahwa semakin besar diameter orifice silinder maka pada waktu yang sama memiliki laju penutupan yang lebih besar. Sehingga semakin cepat lajun penutupannya maka waktu yang dibutuhkan steam untuk memenuhi bilik menjadi semakin cepat. Dari pengamatan mengenai laju penutupan dan pola distribusi dapat diketahui jenis orifice yang tepat untuk digunakan secara efisien dalam menghasilkan pola distribusi yang maksimal. Selain faktor kelajuan, juga harus diperhitungkan faktor kualitas steam, tidak hanya kuantitas dari penyebarannya. Kualitas yang dimaksud adalah kualitas steam yang tidak mengandung titik air yang mengakibatkan distribusi steam menjadi tidak maksimal. Semakin besar lxii
diameter orifice silinder titik air yang keluar bersama steam menjadi lebih mudah. Apabila air yang keluar dari orifice cukup banyak maka pada jendela terdapat titik air yang menyebabkan kaca tidak menjadi buram. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pola distribusi steam dipengaruhi oleh bentuk, ukuran dan konfigurasi dari orifice yang digunakan. Apabila steam dialirkan terus menerus ke dalam bilik, steam jumlahnya menjadi berlebih yang berakibat steam mudah mengalami perubahan fase menjadi fase cair, sehingga perubahan fase ini mengakibatkan di dalam bilik dipenuhi titiktitik air dan dapat berpengaruh terhadap pola distribusi steam menjadi tidak maksimal.
lxiii
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian mengenai distribusi uap bertekanan yang dialirkan pada rancangan jendela berpenutup ganda dengan melalui sebuah penghalang berupa orifice silinder dapat disimpulkan beberapa hal, antara lain : 1.
Pola distribusi uap bertekanan bergantung pada bentuk, ukuran, serta konfigurasi penempatan orifice silinder yang digunakan. Semakin besar ukuran orifice yang digunakan, uap bertekanan yang keluar melaluinya juga semakin banyak yang menyebabkan waktu yang digunakan untuk memenuhi permukaan juga semakin cepat.
2.
Besarnya nilai kelajuan alir volume (Qv) dan kecepatan alir pada orifice silinder dipengaruhi ukuran serta konfigurasi dari orifice silinder. Semakin besar dimeter orifice maka kelajuan alir volumenya juga semakin besar. Karena semakin besar ukuran diameter, volume yang mengalir tiap detik menjadi semakin banyak.
3.
Koefisien discharge (Cd) dan Reynold number (Re) merupakan koefisien tidak berdimensi. Nilai koefisien discharge (Cd) berpengaruh terhadap laju aliran dan besarnya Reynold number dapat menentukan jenis aliran dari fluida yang mengalir.
4.
Pada penelitian diperoleh nilai koefisien discharge yaitu sebesar < 1. Cd merupakan faktor koreksi untuk Reynold number perbandingan diameter dari alat ukur, dan menyatakaan ukuran bukaan (jet) dari suatu orifice.
5.
Reynold number dari aliran uap bertekanan adalah > 1 x 10 5. Dari nilai tersebut dapat disimpulkan bahwa jenis aliran dari uap bertekanan melalui orifice silinder tersebut adalah bersifat turbulen.
6.
Laju penutupan permukanan jendela ditentukan dengan cara menghitung luasan daerah (area) yang dipenuhi oleh uap bertekanan pada waktu tertentu. Semakin besar diameter orifice silinder yang digunakan maka laju penutupan permukaan jendela juga semakin cepat. lxiv
5.2 Saran Untuk penelitian lebih lanjut mengenai pola distribusi uap bertekanan, penulis menyarankan beberapa saran terkait penelitian ini : 1. Perlu adanya penelitian lanjutan mengenai bentuk konfigurasi yang tepat agar tercipta distribusi uap bertekanan yang maksimum, misalnya dengan mengkombinasikan jenis orifice silinder dengan jenis orifice yang lain dan mengkonfigurasikannya. 2. Untuk mengetahui pengaruh adanya orifice terhadap distribusi tekanan pada saluran uap, maka perlu adanya sensor tekanan yang diletakkan pada saluran uap sebelum dan sesudah masuk ke dalam kontrol uap serta sensor tekanan pada orifice yang digunakan. 3. Penelitian lebih lanjut disarankan untuk mengukur kelajuan alir dari steam dengan suatu alat yaitu orifice flowmeter, untuk mendapatkan hasil pengukuran kelajuan lebih akurat.
Daftar Pustaka
Allen, J.S., 2006, Determining the mass flow rate of steam through an orifice, Diakses 14 Mei 2009, dari http://www.me.mtu.edu/~jstallen/courses/ MEEM3210 orifice_plate.pdf
Alljabbar, 2008, Kalor, Dunia Fisika wordpress.com, Diakses 18 Februari 2009, dari http://alljabbarwordpress.com/2008/03/23/kalor.htm
lxv
Annisa, 2009, Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah, Kompas edisi 14 Januari 2009, Diakses pada 4 Februari 2009 dari http://www.kompas.com/ read/xml/2009/01/14/14284272/aplikasi.kaca.pada.dinding.rumah
Begenir, A., Tafreshi, H.V. and Pourdeyhimi, B. 2003. Effect of Nozzle Geometry on Hydroentangling Water Jets: Experimental Observations, Textile Research Journal, 74: 178–184
Bookbinder,Carl. 1983. Window Mirror. Philadelphia : United State Patent No. 4390240. Di akses dari http://www.freepatentsonline.com/window tanggal 11 Sepetember 2008
Caihua Wang, Xiangyu Jin and Shanyuan Wang. 2007. Effect of Nozzle Geometry on the Flow Dynamics of Hydroentangling Jet: Journal of Industrial Textiles 2007, 37: 79–89
Coki Prapti Mahandari, 2009, Pengukuran Aliran, Universitas Gunadarma, Diakses 10 Februari 2009, dari http://www.coki.staff.gunadarma.ac.id/ download/files/1223/Mekflu4.doc
Dede Djuhana, 2006, Fluida Statistik dan Dinamik, Kuliah Fisika Dasar Universitas Indonesia, Universitas Indonesia, Diakses 20 Mei 2009 dari http://elisa.ugm.ac.id/file/Ijoel_mipa/q9P7IhDj/kuliah-fluida.pdf
Efuda.2009. Orifice Flowmeter Calculator. Engineering Fundamental. Diakses dari http://www.efunda.com/formulae/fluids/orifice_floemeter.cfm pada tanggal 2 Februari 2009 Halliday,D., Resnick,R., Walker,J. 1993, Fundamental of Physics, John Wiley & Sons, Inc.
LMNO Engineering. 2002. Small Diameter Orifice Flow Meter Calculation for Liquid Flow. LMNO Engineering. Diakses pada 2 Februari 2009 dari http://www.lmnoeng.com/small_orifice.htm
Probo Hindarto, 2008, Penggunaan Kaca Untuk Rumah. Astudio.id Diakses tanggal 1 Februari 2009. http://www.astudio.id.or.id/artikel67-kaca-rumah-houseglass.htm lxvi
Rahmat Gusriharjo, 1999, Kaca dan Arsitektur, Tinjauan Bangunan Masa Gothik dan Modern, Makalah AR – 406 Bahan Arsitektur, Jurusan Teknik Arsitektur, Institut Teknologi Bandung
Ridwan, 2008, Karakteristik Aliran Fluida, Kuliah Mekanika Fluida, Diakses 20 April 2009 dari http://www.ridwan.staff.gunadarma.ac.id/download/ file/karakteristik.aliran.doc
Searway, R.A., Jewett, J.W., 2004, Physics for Scientists and Engineers 6th Edition, Thomson Brooks Cole
Spiraxsarco, 2006, Chapter - Steam Distribution and Utilization ( Terjemahan), United Nations Environment Programme (UNEP), Diakses 11 September 2008, http://www.spiraxsarco.com/steam_distribution/steam.pdf
Sudjito, Saefudin Baedoewie, dan Agung Sugeng, 2003, Property Zat Murni Dan Karakteristik Gas Ideal, Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya, Diakses 22 Maret 2009, dari http://www.mesin.brawijaya.ac.id/ diktat_ajar/data/02_c_bab1n2_termo1.pdf
Tafreshi, H.V., Pourdeyhimi, B., Holmes, R. and Shiffler, D, 2003, Simulating and Characterizing Water Flows Inside Hydroentangling Orifices, Textile Research Journal, 73(3): 256–262
Tipler, A. Paul, 1999, Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 1 Edisi ketiga (Terjemahan), Penerbit Erlangga, Jakarta Viko Ladelta, 2007, Beberapa Fakta Seputar Kaca, Disadur dari Chemistry.org, Diakses 3 April 2009 dari http://www.ChemIsTry.Org/Situs_Kimia/ beberapa.fakta.seputar.kaca.htm
Wayan Nata Septiadi, 2008, Studi Eksperimental Orifice Flowmeter Dengan Variasi Tebal dan Posisi Pengukuran Beda Tekanan Aliran Melintasi Orifice Plate, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM, Vol.2 No.1, Juni 2008 : 01-08
lxvii
Windi Hermawan Mitrakusuma, 2004, Dasar Thermodinamika dan Perpindahan Panas, Diakses 21 Maret 2009, dari http://www.geocities.com/windyhm/ kuliah/Dasar Refrigerasi/B2 termodinamika_dan_perpindahan_panas.pdf
lxviii
