Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin. Disusun oleh: Ignatius Pulung Nurprasetio Nathanael Panagung Tandian

Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin Disusun oleh: Ignatius Pulung Nurprasetio Nathanael Panagung Tandian

Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung 2008

KATA PENGANTAR Buku ini disusun untuk digunakan sebagai panduan praktikum mata kuliah MS4100 – Praktikum Fenomena Dasar Mesin di Program Studi Teknik Mesin, FTMD – ITB, guna memberi gambaran tentang berbagai percobaan yang akan dilakukan. Perlu ditekankan bahwa buku ini hanya memberi penjelasan ringkas mengenai berbagai percobaan yang akan dilakukan. Dengan adanya informasi awal mengenai berbagai eksperimen tersebut di atas, mahasiswa diharapkan secara praupaya melakukan persiapan yang lebih terarah dan mendalam dengan menggali literatur. Di samping itu, karena mata kuliah ini erat kaitannya dengan mata kuliah MS3100 – Pengukuran Teknik, mahasiswa diharapkan berusaha pula menyegarkan ingatan dengan mempelajari kembali berbagai alat ukur yang akan digunakan, di samping melakukan telaah prinsip dasar fenomena teknik mesin yang menjadi obyek kajian. Pada kesempatan ini, para penyusun menyampaikan terima kasih kepada Fakultas Teknologi Industri yang telah menyediakan dana pendamping untuk penyusunan panduan edisi tahun 2005. Selain itu, para penyusun juga menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada saudara Eka Febrian Sutanto dan saudara Christopher yang telah membantu memperbaiki panduan edisi tahun 2005. Meski dari waktu ke waktu telah dilakukan perbaikan dan penyuntingan ulang, kami menyadari bahwa panduan ini masih memerlukan banyak sentuhan. Oleh sebab itu, para penyusun senantiasa membuka diri untuk menerima berbagai usulan/saran/kritik membangun. Akhir kata, kami berharap agar buku ini bermanfaat bagi para penggunanya. Bandung, September 2008

Penyusun

i

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ...............................................................................................i DAFTAR ISI........................................................................................................ ii ATURAN PELAKSANAAN dan SISTEM PENILAIAN.................................................. iii MODUL 1.

Percobaan Lendutan Batang ............................................................1

MODUL 2.

Percobaan Tekuk (Buckling).............................................................5

MODUL 3.

Percobaan Giroskop ........................................................................9

MODUL 4.

Percobaan Pengatur (Governor) .....................................................13

MODUL 5.

Percobaan Pengukuran Regangan & Tegangan pada Bejana Tekan ...19

MODUL 6.

(a) Percobaan Getaran Bebas.........................................................27

MODUL 6.

(b) Percobaan Getaran Paksa .........................................................35

MODUL 7.

Pengujian Konduktivitas Thermal Bahan..........................................42

MODUL 8.

Percobaan Sirip.............................................................................47

MODUL 9.

Percobaan Bantalan Luncur............................................................55

MODUL 10.

Pengujian Kalorimeter Bom.........................................................61

MODUL 11.

Percobaan Sistem Aliran Fluida ...................................................66

MODUL 12.

Percobaan Saluran Udara Serbaguna...........................................73

MODUL 13.

Percobaan Entalpi dan Kualitas Uap Air........................................79

ii

ATURAN PELAKSANAAN dan SISTEM PENILAIAN 1. Nilai akhir ditentukan oleh kombinasi nilai Praktikum (70%) dan nilai Ujian (30%). Nilai Praktikum dihitung dari rata-rata nilai mata praktikum yang dijalani. Nilai tiap mata praktikum ditentukan oleh tiga hal, yakni persiapan (20%), keaktifan selama praktikum (30%), dan laporan (50%). Ujian dilaksanakan pada akhir semester sesuai jadwal yang telah ditentukan ITB. 2. Bila pada suatu kesempatan, jumlah praktikan yang hadir kurang dari tiga orang dalam satu kelompok, praktikum untuk kelompok tersebut akan dibatalkan dan semua praktikan akan mendapat nilai nol (0) untuk mata praktikum yang berhubungan. 3. Praktikan yang tak hadir tanpa alasan yang sah akan mendapat nilai nol (0) dan tidak memperoleh kesempatan untuk praktikum susulan. Hanya yang tak hadir dengan alasan sah yang diberi kesempatan untuk ikut praktikum susulan, sejauh jadwal masih memungkinkan. 4. Praktikan yang terlambat lebih dari 15 menit tidak diperkenankan ikut praktikum 5. Pada awal praktikum, dosen atau asisten penanggungjawab akan mengajukan sejumlah pertanyaan untuk menguji kesiapan praktikan. Bila suatu regu dinilai tidak melakukan persiapan yang memadai, praktikum untuk kelompok tersebut dapat dibatalkan dan semua praktikan mendapat nilai nol (0). 6. Salinan data pengamatan harus diserahkan pada dosen atau asisten penanggungjawab. 7. Setiap kelompok cukup menulis satu laporan hasil kerja bersama. Laporan harus ditulis rapi dengan komposisi sbb.: a. Judul percobaan e. Data pengamatan b. Tujuan percobaan f. Perhitungan dan analisis c. Landasan teoritis g. Diskusi dan kesimpulan d. Prosedur percobaan 8. Soft copy laporan (dalam format MS-Word) harus dimasukkan ke SIA (http://www.mesin.itb.ac.id/sis) pada hari ketiga sesudah praktikum selesai sebelum jam 17.00. 9. Kolaborasi yang tidak sehat dalam pembuatan laporan akan diberi penalti yang sepadan. Bila pada saat pemeriksaan dijumpai laporan yang identik (baik susunan kalimat, kata, maupun angka hasil perhitungan) untuk kelompok yang berbeda, laporan tersebut akan diberi nilai nol (0). Bila dijumpai praktikan yang melakukan pelanggaran akademik seperti yang disebutkan di atas lebih dari tiga kali, praktikan tersebut akan langsung diberi nilai D untuk mata kuliah MS4100, Praktikum Fenomena Dasar Mesin.

iii

MODUL 1. Percobaan Lendutan Batang I.

Tujuan Percobaan

II.

Mengetahui fenomena lendutan batang prismatik dan pemanfaatannya dalam eksperimen dengan konstruksi sederhana Membandingkan solusi teoretik dengan hasil eksperimen Landasan Teoretik

Batang kontinu yang ditumpu akan melendut (terdefleksi) bila diberi beban. Lendutan di setiap titik dapat ditentukan dengan metode baku seperti cara integrasi langsung atau metode luas diagram momen lentur. Solusi untuk kasus-kasus sederhana umumnya sudah ditabelkan (Popov, 1986). Salah satu pemanfaatan terpenting berbagai rumusan lendutan adalah pada pemecahan persoalan statis tak tentu. Sebagai ilustrasi, tinjau batang kontinu yang ditumpu dan dibebani seperti tertera pada Gambar 1 berikut: L/2

L/2

P

A

B

Gambar 1 Batang kontinu yang dijepit di ujung A dan ditumpu dengan rol di ujung B serta dibebani di tengah bentang batang antara A dan B

Diagram benda bebas batang AB dapat digambarkan sebagai berikut: MA AX AY

P

FB

Gambar 2 Diagram benda bebas batang AB

1

Dengan menggunakan hukum Newton, yang dapat langsung ditentukan hanyalah reaksi pada arah horisontal, Ax = 0. Gaya reaksi yang lain harus dicari dengan memanfaatkan persamaan defleksi di tumpuan B dan mengandaikan bahwa FB adalah gaya luar sedemikian sehingga defleksi total di B akibat gaya P dan FB sama dengan nol. Dengan memanfaatkan tabel di buku rujukan, dapatlah diturunkan bahwa: 11 P Ay = 16 13 MA = P L , dan 16 5 FB = P 16 Untuk melihat secara eksperimental, kita dapat melakukan simulasi dengan menyusun perangkat uji seperti konstruksi di Gambar 1. Hasil pengukuran kemudian dapat dibandingkan dengan solusi teoretik tersebut di atas. III.

Prosedur Percobaan

3.1

Kalibrasi Alat Ukur Gaya

Alat ukur gaya atau load cell yang digunakan bekerja secara mekanik. Berbeda dengan jenis elektrik, load cell ini tidak memberi penunjukan langsung besarnya gaya yang terukur. Cara kerja load cell dapat diterangkan sebagai berikut: Bila ujung mata pisau pada torak B terkena beban, torak akan menekan pegas G sehingga posisinya turun akibat defleksi pegas. Untuk mengetahui defleksi pegas, dasar D yang menyatu dengan selubung mikrometer F diputar sehingga ujung mata pisau kembali ke posisi semula. Sebagai indikator posisi mata pisau, digunakan jam-ukur yang dilekatkan di ujung B. Besar defleksi akan berkorelasi langsung dengan nonius mikrometer. Dengan memberi beban di ujung B dan mencatat besar nonius, dapat dicari konstanta kalibrasi load cell dalam [satuan skala nonius/N]. Dengan demikian, gaya yang terukur selanjutnya dapat diperoleh dari membagi harga pembacaan nonius dengan angka konstanta kalibrasi. Untuk keperluan kalibrasi, susun peralatan seperti tersaji pada Gambar 3 berikut.

2

Gambar 3 Tata letak peralatan untuk kalibrasi load cell

Sesudah itu, lakukan pengujian dengan prosedur sebagai berikut: 1. Pastikan bahwa ujung mata pisau, batang kontinu, dan jarum peraba jam-ukur terhubung dengan baik. 2. Atur posisi jarum jam-ukur pada angka nol dengan memutar piringan skala. 3. Beri beban secara bertahap, misalnya dengan gradasi 200 gram. Karena beban diletakkan tepat di tengah bentang batang, gaya yang jatuh di masing-masing load cell besarnya setengah beban yang dipasang. 4. Untuk setiap penambahan beban, putar piring mikrometer untuk mengembalikan posisi jarum jam-ukur kembali ke angka nol dan catat penunjukan nonius. 5. Sesudah mencapai beban terbesar yang akan digunakan, plot harga penunjukan nonius dan harga beban (dalam N) di bidang kartesian. Dalam hal ini, beban diletakkan di sumbu x dan penunjukan nonius diletakkan di sumbu y. 6. Tentukan konstanta kalibrasi load cell dengan menghitung kemiringan garis singgung yang terbentuk. Cara terbaik untuk menghitung konstanta kalibrasi adalah dengan memanfaatkan metode kuadrat terkecil. Gunakan konstanta ini untuk mengonversi penunjukan nonius load cell di eksperimen selanjutnya. 3.2

Contoh percobaan dengan konstruksi sederhana

Sebagai contoh, akan digunakan konstruksi seperti tersaji pada Gambar 1. Untuk itu, atur peralatan sesuai gambar berikut:

Gambar 4 Tata letak pengujian untuk konstruksi sederhana: batang yang dijepit di satu ujung dan ditumpu dengan rol (mata pisau) di ujung yang lain.

3

Sesudah itu, lakukan percobaan dengan prosedur sebagai berikut: 1. Pastikan semua peralatan sudah terangkai dengan baik. 2. Atur posisi jarum penunjuk jam-ukur pada angka nol (zero-setting). 3. Beri beban secara bertahap, misalnya dengan gradasi 200 gram. 4. Kembalikan posisi jarum jam-ukur ke angka nol dan catat penunjukan nonius untuk setiap tahap pembebanan. 5. Ubah harga pembacaan nonius menjadi gaya reaksi tumpuan (dalam [N]) dengan menggunakan konstanta kalibrasi load cell dan bandingkan dengan solusi teoretik.

IV.

Tugas Sesudah Praktikum

1. Turunkan secara lebih rinci solusi teoretik gaya reaksi tumpuan untuk konstruksi batang kontinu yang anda telaah di percobaan ini. 2. Jelaskan manfaat jam-ukur pada percobaan ini dan terangkan cara kerja jamukur. 3. Jelaskan bagaimana cara mengompensasi kesalahan akibat pengabaian berat penggantung dan anak penggantung beban. 4. Jelaskan prinsip kerja alat ukur gaya yang dipakai di percobaan ini. 5. Dari pengolahan data, dapat dipastikan bahwa hasil uji akan mempunyai perbedaan dengan solusi teoretik. Menurut anda, mana yang lebih bisa dipercaya? Beri argumentasi secukupnya. Selain itu, coba anda uraikan berbagai sumber yang berkontribusi terhadap perbedaan hasil tersebut di atas.

V.

Rujukan

Popov, E.P., Mekanika Teknik (Mechanics of Materials), terjemahan Zainul Astamar, Penerbit Erlangga, 1986.

4

MODUL 2. Percobaan Tekuk (Buckling) I.

Tujuan

Percobaan tekuk bertujuan untuk menunjukkan peristiwa tekuk (buckling) dan kebenaran rumus tekuk Euler. Dalam percobaan ini, tumpuan ujung batang dapat dibuat engsel-engsel, jepit-jepit, atau jepit-engsel. II.

Landasan Teoretis

Tekuk dapat terjadi pada batang yang mendapat beban tekan. Pada batang yang langsing, yaitu batang yang mempunyai perbandingan panjang batang terhadap jarijari girasi penampang yang besar, dapat terjadi peristiwa tekuk sebelum tegangan normal yang diijinkan tercapai. Peristiwa tekuk dapat dianalisis secara matematis dan menghasilkan rumus Euler yang dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 1 Rumus tekuk Euler untuk berbagai kondisi tumpuan

Tumpuan

Engsel-engsel P

Gambar Pembebanan

Jepit Engsel

P

P

l

P

Pkritis

Jepit-jepit

Pkr = π 2

l

P

EI l2

Pkr = 4 π 2

l

P

EI l2

Pkr = 2,05π 2

EI l2

5

III.

Deskripsi Peralatan

Sketsa peralatan dapat dilihat pada Gambar 1. Selongsong (2) dapat dijepitkan pada kaki (1) di setiap posisi yang dikehendaki sesuai dengan panjang batang uji (7). Batang pembebanan (5) ditumpu engsel di sebelah kiri. Ujung kanan batang ini ditumpu diberi pemberat (12) dengan perantaraan tali (13) dan katrol. Besar pemberat (12) diatur sedemikian rupa sehingga dapat mengimbangi berat batang pemberat dan semua berat yang bekerja pada batang ini. Alat ukur gaya (10) sudah dikalibrasi sedemikian rupa sehingga menunjukkan gaya yang sebenarnya bekerja pada sumbu batang uji.

9 4

5

6 13 7

10

2 8

12 1

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

14

Kaki Selongsong Pegas Selongsong Pengatur Batang Pembeban Tumpuan Batang Uji

11

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Jam ukur (dial gauge) Water pass Penunjuk Gaya Roda Tangan Pemberat Tali Pemberat

Gambar 1 Sketsa Alat Uji Percobaan Tekuk

IV.

Prosedur Percobaan 1. Atur posisi selongsong sesuai dengan panjang batang uji. 2. Atur supaya batang pemberat mempunyai posisi horisontal, yang dapat dilihat dengan waterpass (9) dengan mengatur pemberat (12). 6

3. Pemberat (14) diberikan sebesar 150 g pada batang uji 500 mm dan 600 mm dan sebesar 300 g pada batang uji 400 mm, 450 mm. Beban diberikan dengan memutar roda tangan berulir (power screw) (11). Pemberat (14) memberikan inisiasi tekuk. 4. Besarnya lendutan dan gaya dicatat setelah posisi batang pemberat dikembalikan ke posisi horisontal sesuai posisi selongsong pengatur (4). Besar gaya yang ditunjukkan sudah dikalibrasi sesuai konstruksi alat. 5. Sesudah pembebanan mendekati kondisi kritis, batang uji dan jam ukur dilepas dari tempatnya. Kondisi ini dapat dilihat dari pertambahan lendutan yang relatif besar untuk penambahan beban yang kecil. Selain itu, tekanan jari pada arah melintang batang uji dapat mengakibatkan perubahan lendutan secara cepat menjadi arah sebaliknya (bayangan cerminnya). 6. Percobaan dapat dilakukan pada beberapa batang yang panjangnya 400 mm, 450 mm, 500 mm, 600 mm, dan 750 mm dengan berbagai kondisi tumpuan. Untuk masing-masing batang, catat besar gaya pada kondisi kritis. Hasil ini kemudian dibandingkan dengan besar Pkritis Euler. Di samping itu, dapat pula digambarkan hubungan antara σkritis dan faktor kelangsingan l/k (l = panjang batang, k = jari-jari girasi penampang)

Gambar 2 Tata letak pengujian untuk kondisi tumpuan engsel-engsel. 7

Keterangan l (mm)

l/k

400

461.9

450

519,6

500

577,4

600

692,8

750

866,05

E batang uji = 206 GPa V.

Tugas Sesudah Praktikum 1. Turunkan besar harga Pkritis untuk kondisi tumpuan yang dicoba saat praktikum. 2. Bandingkan Pkritis hasil pengukuran dan Pkritis teoretis sesuai rumus yang diturunkan di nomor 1. Beri penjelasan secukupnya bila ada perbedaan. 3. Pada prosedur percobaan, dikatakan bahwa penunjukan timbangan sudah di’kalibrasi’. Jelaskan apa maksud perkataaan di’kalibrasi’, tunjang dengan analisis statika struktur yang memadai. 4. Beri contoh pemanfaatan pengetahuan tentang tekuk (buckling) dalam hidup sehari-hari.

VI.

Rujukan

Popov, E.P., Mekanika Teknik (Mechanics of Materials), terjemahan Zainul Astamar, Penerbit Erlangga, 1986.

8

MODUL 3. Percobaan Giroskop I.

Tujuan Percobaan

Untuk mendemonstrasikan efek giroskop dan membuktikan besaran momen yang ditimbulkan akibat efek giroskop. II.

Landasan Teoretis

Prinsip giroskop sudah lama diketahui dan dimanfaaatkan oleh banyak orang. Perhatikan Gambar 1 yang menunjukkan sebuah giroskop mainan. Giroskop ini terdiri dari sebuah massa putar yang ditumpu di cincin tumpu datar yang berputar pada kecepatan sudut tertentu yang disebut kecepatan sudut spin (ωs). Tangkai cincin tumpu datar menumpu di atas permukaan yang diasumsikan tanpa gesekan.

Gambar 1 Ilustrasi fenomena Giroskop dengan mainan (gangsing)

Observasi sesaat seolah menyatakan bahwa momen akibat gaya berat unit akan menyebabkan massa jatuh vertikal ke bawah. Namun, hasil analisis yang dikonfirmasikan hasil penelitian menyatakan bahwa massa melakukan gerak berputar yang berlawanan dengan reaksi pertama, yaitu sumbu poros putar berputar terhadap sumbu z vertikal dengan kecepatan sudut yang lain yang disebut kecepatan sudut presesi (ωp). Timbulnya efek giroskop seperti di atas dapat kita ketahui dari aturan tangan kanan yang menyatakan arah torsi, kecepatan sudut presesi, dan kecepatan sudut spin. Relasi vektor torsi, kecepatan sudut presesi, dan kecepatan sudut spin dinyatakan di gambar 2. 9

Gambar 2 Relasi vektor torsi, kecepatan sudut presesi, dan kecepatan sudut spin sesuai aturan tangan kanan pada efek giroskop.

Pada dasarnya ada empat besaran yang saling berhubungan, yaitu: a) kecepatan sudut spin (ωs) b) kecepatan sudut presesi (ωp) c) momen luar (M) d) momen inersia massa motor terhadap sumbu poros (I) Hubungan keempat besaran tersebut adalah sebagai berikut:

M = I ⋅ ω s ⋅ ωp

(1)

Pada pengujian ini, harga I besarnya tetap, sedangkan harga ωs, ωp, dan M bisa divariasikan sesuai persamaan (1). Penurunan persamaan (1) disajikan di rujukan (Holowenko, 1955). Harga momen inersia rotor (I) ditentukan dengan melakukan percobaan getaran torsional, di mana rotor digantung pada seutas kawat baja. Kemudian, harga I ditentukan dengan rumus berikut: I= Di persamaan (2) di atas,: I G l T J

= = = = =

T2 G J 4 π2 l

(2)

momen inersia rotor [kg m2] modulus geser baja [Pa] panjang kawat baja [m] periode osilasi [s] momen inersia polar [m4]

10

Gambar 3 Alat Uji Percobaan Giroskop

III.

Prosedur Percobaan dan Pengukuran

Penentuan momen inersia

a. Tentukan momen inersia dari poros rotor (armature) dan cakram (disc) dengan mengukur periode osilasi getaran rotasi. Untuk itu, armature dan disc digantungkan pada seutas kawat (fine wire) yang dipasangkan pada lengan kantilever seperti tersaji di gambar 4. Selanjutnya, beri kondisi awal berupa defleksi sudut yang kecil, ukur periode osilasi, dan tentukan momen inersia massa rotor dengan persamaan (2). Panjang kawat dapat diatur dengan menariknya melalui chuck, lalu dikencangkan. Untuk kemudahan, ukur periode untuk 20 osilasi (misalnya). Variasi lain, percobaan dapat juga diulangi untuk panjang kawat yang berbeda. Gambar 4 Susunan pengukuran periode getaran rotasi poros rotor (armature) dan cakram (disc)

cantilever arm chuck

fine wire armature

disc

11

Percobaan Giroskop

b. Pastikan semua kabel yang menghubungkan alat percobaan dengan control unit terpasang pada tempatnya. c. Pasang pemberat pada ujung rotor dan catat besarnya momen luar. d. Kecepatan sudut spin ωs dapat diatur dengan memutar tombol di control unit. Besar kecepatan putar spin (dalam rpm) dapat dibaca di tachometer yang terpasang pada instrumen. e. Kecepatan sudut presesi ωp dapat dihitung secara manual dengan menentukan periode putaran (dengan menggunakan stopwatch) sesuai jumlah putaran pada pencacah (counter) atau sesuai perhitungan manual. Catat data periode putaran yang berhubungan dengan kecepatan presesi. f. Percobaan dilakukan dengan membuat salah satu parameter berikut: M, ωs, atau ωp konstan. IV.


1. Turunkan kedua rumus yang diberikan dalam teori. 2. Apa manfaat giroskop dan tahukah anda tentang kerugian yang dapat ditimbulkan oleh adanya efek giroskop? 3. Prediksi bentuk grafik yang menyatakan relasi beberapa parameter berikut ini dan beri analisisnya: ωs versus (1/ωp), untuk M konstan M versus ωs, untuk ωp konstan M versus ωp, untuk ωs konstan 4. Jelaskan cara kerja tachometer dan pencacah putaran yang digunakan dalam percobaan ini

V.

Rujukan

Holowenko, A.R., Dynamics of Machinery, John Wiley, 1955

12

MODUL 4. Percobaan Pengatur (Governor) I.

Tujuan Percobaan

Pada dasarnya, pengujian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik pengatur (governor) dengan membuat grafik yang menyatakan hubungan antara kecepatan poros, ω , dengan posisi sleeve, untuk berbagai beban atau berbagai berat bandul. Dari grafik-grafik tersebut dapat disimpulkan di daerah mana suatu pengatur stabil dan tidak stabil. II.

Landasan Teoretis

Setiap alat yang memiliki kemampuan mengatur elemen mesin pada suatu keadaan tertentu disebut governor. Terdapat banyak macam governor, namun umumnya tergantung pada karakteristik gerak rotasi yang diadaptasi dari pendulum sederhana. Ketika beban dari motor bakar (misalnya diesel) meningkat, tentunya pasokan bahan bakar ke motor harus ditambah untuk mempertahankan kecepatan poros engkol (crankshaft). Governor merasakan perubahan kecepatan motor dan secara otomatis menyesuaikan pasokan bahan bakar sesuai beban motor. Pemakaian governor yang paling populer adalah di Pembangkit Listrik Tenaga Diesel. Selain di motor diesel, governor juga digunakan pada turbin uap, turbin air, dan turbin gas. Pada turbin air misalnya, governor akan membuka katup fluida ketika putaran turbin mulai menurun. Berdasarkan cara kerjanya, pengatur atau governor dibedakan menjadi dua, yaitu - Pengatur sentrifugal (centrifugal governor) - Pengatur inersia (inertia governor) Pengatur sentrifugal bekerja berdasarkan gaya sentrifugal, sedangkan pengatur inersia bekerja berdasarkan momen inersia yang timbul karena terjadinya percepatan sudut. Karena lebih rumit, jenis yang kedua ini tidak banyak digunakan, walaupun reaksinya lebih cepat. Dalam percobaan ini yang dibahas hanya pengatur sentrifugal. Di percobaan ini dapat diuji tiga jenis governor sesuai konstruksinya, yaitu: •

Pengatur Porter Pengatur ini mempunyai bandul (massa) yang dihubungkan dengan mekanisme seperti tersaji di Gambar 1. Gaya sentrifugal (gaya inersia) yang terjadi akibat gerak melingkar beraturan bandul ditahan oleh batang bagian atas dan batang bagian bawah.

13

Untuk pengatur Porter, keadaan seimbang dicapai bila persamaan berikut terpenuhi: W (1 + k ) + w g 2 2 ω = w h

(1)

Rumus yang identik dapat diturunkan untuk pengatur yang lain. ω W w g h k

= = = = =

kecepatan putar [rad/s] gaya berat rangka pengatur [N] gaya berat bandul [N] percepatan gravitasi [m/s2] jarak pemberat dari titik perputaran atas [m] = tan β/ tan α

Gambar 1 Pengatur Porter

•

Pengatur Proell Pengatur Proell mempunyai konstruksi yang hampir sama dengan pengatur Porter, tetapi bandul pada pengatur ini dikait ke satu batang saja, yaitu batang bagian bawah. Karena hanya ditahan oleh batang bagian bawah, yang ditambah pengaruh gaya berat bandul, gaya ke atas pada rangka pengatur governor Proell lebih besar dibandingkan gaya ke atas pada pengatur Porter untuk kecepatan putar yang sama.

14

Gambar 2 Pengatur Proell

•

Pengatur Hartnell Pengatur Hartnell memakai pegas untuk menahan gerakan ke atas, sehingga dibutuhkan kecepatan putar yang lebih besar (atau gaya centrifugal yang lebih besar) untuk mengangkat rangka pengatur.

Gambar 3 Pengatur Hartnell

Data:

a = 120 mm b = 60 mm k = 2,56 N/mm untuk pegas dengan 10 ulir k = 1,79 N/mm untuk pegas dengan 5 ulir

Suatu governor dikatakan stabil apabila perubahan posisi sleeve proporsional dengan perubahan kecepatan putar poros.

15

III.

Prosedur Percobaan dan Pengukuran

Yang diukur dalam pengujian ini adalah: 1. Kecepatan putar poros, diukur dengan memakai tachometer optik 2. Posisi sleeve, diukur dengan menghitung skala yang terdapat di poros 3. Berat bandul yang dipasang, seperti tertera di bandul. Percobaan dapat dilakukan dengan tiga macam pengatur, yaitu Porter, Proell, dan Hartnell.

A. B. C. D.

Main Unit Pengatur Porter Beban 1 kg Pengatur Hartnell

E. F. G. H.

Pegas Pengatur Proell Beban 400 g Beban 500 g

Gambar 3 Peralatan Uji Pengatur

IV.


a. Turunkan persamaan yang identik dengan persamaan (1) untuk ketiga macam pengatur yang sudah disebutkan. b. Sebutkan contoh spesifik dimana governor dipakai sebagai pengatur kecepatan. c. Jelaskan yang dimaksud dengan stabilitas pengatur. V.

Petunjuk Tambahan

Geometri pengatur Porter disajikan di Gambar 4 dan hubungan antara jari-jari lintasan bandul, r, dan jarak bandul ke engsel atas, h, sebagai fungsi pembacaan skala disajikan di Gambar 5. 16

Gambar 4 Geometri Pengatur Porter

Gambar 5 Kalibrasi Pengatur Porter 17

Gambar 6 Geometri Pengatur Proell

VI.

Rujukan

Holowenko, A.R., Dynamics of Machinery, John Wiley, 1955

18

MODUL 5. Percobaan Pengukuran Regangan & Tegangan pada Bejana Tekan I.

Tujuan Percobaan

Percobaan ini bertujuan untuk mengukur tegangan dan regangan pada bejana tekan dengan menggunakan strain gage. Hasil pengukuran kemudian dibandingkan dengan perhitungan teoretis. Untuk keperluan ini dipakai bejana mini (Do = 210 mm, L = 350 mm) dengan tekanan kerja maksimum 10 atm. II.

Landasan Teoretis

Dari mekanika kekuatan material, telah dipelajari bahwa struktur akan mengalami perubahan bentuk bila dibebani. Sebagai contoh, ambil kasus batang yang ditarik seperti tersaji di Gambar 1.

Force (F)

Force (F)

L ΔL Gambar 1 Defleksi pada batang yang mengalami beban tarik

Perubahan panjang yang terjadi dapat diturunkan dari Hukum Hooke (Popov, 1986): σ=Eε

(1)

dimana σ = F/A menyatakan tegangan yang terjadi [MPa], F: gaya aksial [N], A: luas penampang [m2], ε = ΔL/L menyatakan regangan yang terjadi, ΔL: perubahan panjang [m], L: panjang mula-mula [m]. Dengan demikian: ΔL =

F ⋅L A ⋅E

(2)

Yang ingin diketahui dari pengukuran adalah besarnya tegangan (stress level). Manfaat pengukuran tegangan antara lain adalah: memperoleh konfirmasi perhitungan teoritis memperoleh besar tegangan di tempat yang sulit dihitung secara teoretis

19

Masalahnya, tegangan tak bisa diukur secara langsung, karena merupakan efek yang dialami bagian dalam benda. Yang bisa diukur (diindera) adalah perubahan bentuk. Dengan demikian, prinsip dasar pengukuran tegangan adalah memanfaatkan hasil pengukuran perubahan bentuk dan mengubahnya menjadi tegangan (atau gaya) melalui relasi atau hukum dasar mekanika. Sensor Regangan: Strain Gage

Sensor atau alat ukur regangan lazim disebut strain gage (Doebelin, 1990; Dally & Riley, 1991). Di antara sekian banyak jenis, yang paling populer adalah strain gage jenis tahanan listrik. Sketsa strain gage jenis ini disajikan di Gambar 2.

Gambar 2 Strain gage jenis tahanan listrik

Pada saat digunakan, strain gage jenis ini dilekatkan (dengan lem khusus) ke permukaan bagian struktur yang akan diukur regangan/tegangannya. Dengan andaian bahwa perlekatannya baik, perubahan bentuk permukaan struktur dapat diikuti oleh strain gage. Dengan demikian perubahan tersebut dapat membuat strain gage terdefleksi (bertambah panjang). Perubahan panjang ini yang menyebabkan perubahan tahanan pada strain gage, yang dapat dijelaskan pada rumus berikut: R= di mana: R ρ L A

= = = =

ρ ⋅L [ohm] A

(3)

Tahanan [ohm] Tahanan spesifik material [ohm-m] Panjang [m] Luas penampang [m2]

Akibat perubahan panjang dan luas penampang karena pembebanan, nilai tahanan strain gage akan berubah proporsional dengan regangan yang terjadi. Prinsip kerja di atas dinyatakan di Gambar 3.

20

(a)

(b)

(c)

Gambar 3 (a) kondisi awal (b) penurunan tahanan akibat tekanan (c) penambahan tahanan akibat tarikan

Untuk strain gage jenis tahanan listrik, berlaku relasi sebagai berikut: ΔR/R = Sg × ε

(4)

Pada relasi di atas, ΔR/R menyatakan fraksi perubahan tahanan strain gage terhadap nilai tahanan nominalnya, Sg menyatakan gage factor (semacam faktor kalibrasi), dan ε menyatakan besarnya regangan mekanik yang dialami strain gage. Pengujian dengan strain gage termasuk uji tak merusak, meskipun untuk melekatkan strain gage, permukaan benda harus dihaluskan (dengan amplas) dan dibersihkan dari kotoran. Mengingat konstruksinya, strain gage pada umumnya hanya dapat dibebani sampai regangan maksimum sekitar 0,5% = 0,005 = 5000 με (1 με menyatakan regangan sebesar 10-6). Sebagai gambaran, tahanan nominal strain gage jenis tahanan listrik yang paling mudah diperoleh adalah R = 120 Ω± 1%. Nilai gage factornya adalah +2,0± 1%. Kalau digunakan di baja, yang regangan mulurnya εy = 0,005, besar perubahan tahanan sesuai persamaan (4) akan menghasilkan ΔR=1,2 Ω. Untuk bisa membaca perubahan regangan sebesar 1 με, sensitivitas perubahan tahanan harus bisa mencapai ΔR=240 μΩ. Sensitivitas sebesar ini jelas di luar jangkauan Ohmmeter biasa. Untuk meningkatkan sensitivitas dan kemudahan pencatatan data, pengukuran perlu menggunakan rangkaian listrik jembatan Wheatstone (Wheatstone bridge circuit). Rangkaian jembatan Wheatstone ditunjukkan di Gambar 4. Jembatan Wheatstone terdiri atas empat tahanan (resistor), yakni R1 dan R2 yang dirangkai seri antara titik A dan C serta R3 dan R4 yang juga dirangkai seri antara titik A dan C, yang kemudian dirangkai lagi secara paralel. Antara titik A dan C diberi medan tegangan arus searah sebesar V, sedangkan keluaran jembatan dinyatakan sebagai beda tegangan antara titik B dan D. Tiap resistor di rangkaian jembatan Wheatstone dapat disubstitusi dengan strain gage. Bila satu saja yang merupakan strain gage, rangkaian disebut ¼ atau quarter bridge, bila dua yang merupakan strain gage disebut ½ atau half

21

bridge, dan bila semua (keempat-empatnya) merupakan strain gage disebut rangkaian full bridge.

Gambar 4 Rangkaian listrik Jembatan Wheatstone

Dengan menggunakan hukum Kirchhoff, dapat diturunkan bahwa saat resistor (strain gage) mengalami perubahan tahanan, antara titik B dan D terjadi perubahan tegangan sebesar: R 1 .R 2 ⎛ ΔR 1 ΔR 2 ΔR 3 ΔR 4 ⎞ ⎜ ⎟ (5) ΔE = V − + − R2 R3 R 4 ⎟⎠ (R 1 + R 2 ) 2 ⎜⎝ R 1 dengan: V = tegangan medan jembatan Wheatstone ΔRi = pertambahan tahanan pada strain gage ke-i karena adanya regangan Ri = tahanan nominal strain gage ke-i Sebagai gambaran, rangkaian jembatan ¼ dengan satu strain gage 120Ω, pada tegangan medan, V = 2 V, akan menghasilkan perubahan tegangan saat baja mulai luluh sebesar, ΔE = 5 mV. Tegangan sebesar ini memang terlalu kecil untuk dideteksi dengan voltmeter. Tetapi, mengingat keluaran berupa tegangan arus searah (DC voltage), keluaran jembatan dapat diperkuat dengan amplifier. Dalam percobaan, digunakan strain amplifier yang khusus untuk pengukuran regangan dengan strain gage. Terlepas dari kemudahan aplikasinya, strain gage mempunyai beberapa keterbatasan, antara lain ketidaklinieran, histerisis, thermal zero shift, dll (Doebelin, 1990, Dally & Riley, 1991). Dalam percobaan ini, yang menjadi obyek ukur adalah bejana atau silinder berdinding tipis (rasio R/t > 10). Untuk silinder/bejana tekan berdinding tipis berlaku hubungan antara tekanan dan tegangan sebagai berikut (Popov, 1986): a. Tegangan Tangensial (Tangential/circumferential/hoop Stress) pr σt = [MPa] t b. Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) pr σl = [MPa] 2t dengan p = tekanan di dalam silinder [MPa] r = jari-jari silinder (≈ ri ≈ r0) [mm] t = tebal silinder (ro – ri) [mm]

(6)

(7)

22

Untuk memperoleh σt dan σl dari pengukuran, pada dinding bejana dipasang strain gage, masing-masing pada arah melingkar dan memanjang. Keluaran strain gage akan memberikan regangan tangensial, εt, dan regangan longitudinal, εl. Hubungan antara tegangan dan regangan dinyatakan oleh hukum Hooke universal berikut (Popov, 1986): ⎛ εr ⎞ ⎡ 1 − ν − ν ⎤⎛ σ r ⎞ ⎜ ⎟ 1⎢ ⎥⎜ ⎟ (8) ⎜ ε t ⎟ = ⎢− ν 1 − ν ⎥⎜ σ t ⎟ E ⎜ε ⎟ ⎢⎣− ν − ν 1 ⎥⎦⎜⎝ σ l ⎟⎠ ⎝ l⎠ Pada persamaan di atas, subskrip r, t, dan l secara berturut-turut menyatakan arah radial, tangensial, dan longitudinal, sedangkan ν dan E masing-masing menyatakan bilangan nisbah Poisson dan modulus elastisitas. Untuk bejana berdinding tipis, dari mekanika (dan juga dari pertimbangan praktis), tegangan pada arah radial, σr, dapat dianggap sama dengan nol. Oleh sebab itu, persamaan di atas dapat direduksi menjadi sebagai berikut: ⎛ ε t ⎞ 1 ⎡ 1 − ν ⎤⎛ σ t ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎢ ⎥⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ε l ⎠ E ⎣− ν 1 ⎦⎝ σ l ⎠

(9)

Bertolak dari hubungan di atas, tegangan dapat dihitung dari regangan hasil pengukuran dengan menggunakan persamaan berikut: ⎛ σt ⎞ E ⎜⎜ ⎟⎟ = 2 ⎝ σl ⎠ 1 − ν

⎡1 ν ⎤⎛ ε t ⎞ ⎢ ⎥⎜⎜ ⎟⎟ ⎣ν 1 ⎦ ⎝ ε l ⎠

(10)

Tegangan hasil perhitungan sesuai perumusan di atas dapat dibandingkan dengan perhitungan teoretis [pers. (6) dan (7)]. Selain tegangan di atas, dapat dihitung juga regangan pada arah radial, dengan menggunakan hukum Hooke, sesuai persamaan: εr =

1 (− νσ t − νσ l ) E

(11)

dengan: σt σl ν E III.

= = = =

tegangan dalam arah tangensial [MPa] regangan dalam arah longitudinal [MPa] bilangan nisbah Poisson modulus elastisitas [MPa]

Perangkat Percobaan dan Alat Ukur

23

Gambar 5 Set up percobaan beserta instrumentasi.

Gambar 5 menunjukkan perangkat percobaan yang dipakai. Dalam percobaan ini tekanan dihasilkann oleh sebuah pompa tangan jenis positive displacement dengan air sebagai fluida kerja (untuk keamanan percobaan). Katup berguna untuk menutup dan membuka aliran fluida sehingga tekanan pada silinder dapat ditetapkan pada harga yang dikehendaki. Tekanan dalam silinder diukur dengan manometer dalam satuan kg/cm2. Regangan pada arah tangensial dan longitudinal dideteksi oleh strain gage yang masing-masing dirangkai dalam jembatan Wheatstone ¼. Keluaran jembatan dikondisikan dengan menggunakan strain amplifier (Kyowa tipe DPM210A). Tegangan keluaran amplifier kemudian dibaca oleh perangkat akuisisi data yang terpasang di komputer. Proses akuisisi data dilakukan dengan perangkat lunak berbasis grafis LABTECH®.

Gambar 5 Bejana Tekan yang digunakan dalam percobaan. Di sisi depan tampak strain gage yang sudah ditempel di dinding luar bejana, manometer, dan perangkat jembatan Wheatstone.

24

IV.

Prosedur Percobaan

Sesudah rangkaian strain gage terpasang pada tempatnya, lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Hidupkan amplifier dan komputer 2. Lakukan balancing rangkaian jembatan Wheatstone sehingga ΔE = 0 dengan menekan tombol autobalance di panel depan amplifier. Bila perlu, lakukan fine tuning dengan memutar sekrup R shift dengan obeng kecil. 3. Untuk akuisisi data, jalankan paket program LABTECH®, panggil program data akuisisi sesuai petunjuk asisten, dan isikan informasi yang diperlukan. 4. Lakukan penentuan faktor kalibrasi dengan mengatur tombol atenuasi (attenuator switch) sehingga diperoleh angka konversi tegangan (dalam V) ke regangan (dalam με). 5. Untuk membebani bejana, gunakan pompa tangan. Naikkan tekanan secara bertahap dari 1 sampai 6 kgf/cm2. Untuk setiap tahap, tahan posisi tuas pompa tangan, kemudian catat data tegangan keluaran jembatan Wheatstone untuk strain gage arah tangensial dan longitudinal. Sesudah mencapai tekanan tertinggi, turunkan tekanan dengan membuka katup pembalik secara bertahap dan catat juga data tegangan keluaran jembatan. 6. Ubah data regangan dalam V menjadi με untuk diproses lebih lanjut. V.


1. Turunkan hubungan antara σr, σt, dan σl, atas fungsi eksplisit dari εr, εt dan εl (serupa dengan persamaan[10]). 2. Turunkan persamaan perubahan tegangan (5) dari rangkaian jembatan Wheatstone. 3. Terangkan prinsip kerja strain gage dan jelaskan kelebihan (advantages) pemasangan strain gage di R1 dan R3 (rangkaian half-bridge) dibanding R1 saja. 4. Buatlah model sistem pengukuran yang dipergunakan dalam percobaan ini. 5. Buatlah grafik hubungan antara tegangan tangensial (σt) dan longitudinal (σl) vs tekanan (p) untuk beban naik dan turun, dan bandingkan dengan tegangan teoretis yang dihitung dengan persamaan (6) dan (7). Beri analisis terhadap hasil yang diperoleh. 6. Jelaskan mengapa terjadi perbedaan tegangan hasil percobaan saat tekanan dinaikkan dan diturunkan. 7. Hitunglah harga εr (persamaan [11]). Apakah harga εr relatif kecil? Beri penjelasan secukupnya. Catatan :

Bejana tekan yang digunakan mempunyai spesifikasi sebagai berikut: Diameter luar, Do = 210 mm Tebal dinding, t = 1,34 mm Bahan: Baja karbon rendah, E = 207 GPa, ν = 0,3 (Popov, 1986)

25

VI.

Pustaka

Dally, J.W. and Riley, W.F., Experimental Stress Analysis, 3rd ed., McGraw-Hill, 1991 Doebelin, E.O., Measurement Systems – Application and Design, 4th ed., McGrawHill, 1990 Popov, E.P., Mekanika Teknik (Mechanics of Materials), terjemahan Zainul Astamar, Penerbit Erlangga, 1986.

26

MODUL 6. (a) Percobaan Getaran Bebas I.

Tujuan Percobaan

II.

Memahami fenomena getaran bebas baik tak teredam maupun teredam beserta segala atributnya seperti frekuensi pribadi, redaman viskos, dan redaman Coulomb (redaman karena efek gesekan). Mengetahui berbagai cara untuk menentukan parameter sistem getaran seperti konstanta kekakuan pegas dan koefisien redaman viskos melalui eksperimen. Membandingkan solusi teoretik dengan hasil eksperimen. Landasan Teoretis

Dari literatur (Thomson, 1993; Rao, 1986), kekakuan pegas ulir (coil spring) dapat didekati dengan rumus: k=

G d4 64 n R 3

(1)

dengan: k = konstanta kekakuan pegas [N/m], G: modulus geser bahan pegas (untuk baja, G = 83 GPa = 83 x 109 N/m2), d: diameter kawat bahan pegas [m], n: jumlah lilitan aktif (active coil), dan R: jari-jari rata-rata lilitan pegas (coil radius) [m]. Pada rumus di atas, bahan pegas dianggap bersifat homogen dan isotropik, serta pembebanan berada di daerah elastis material. Merujuk pada rumusan di atas, kekakuan pegas dapat ditentukan dengan melakukan pencarian berbagai parameter di persamaan (1). Cara ini dikenal dengan metode penentuan kekakuan pegas melalui pengukuran dimensional atau metode teoretik. Selain dengan pengukuran sederhana seperti di atas, kekakuan pegas dapat juga ditentukan dengan metode statik dan dinamik. Pada metode atau cara statik, pegas digantung dan diberi beban secara bertahap. Untuk tiap tahap, kita ukur defleksi pegas yang terjadi. Selanjutnya, konstanta pegas dapat ditentukan melalui rumusan hukum Hooke berikut (Thomson, 1993): F (2) k= δ dimana k adalah konstanta kekakuan pegas [N/m], F: beban [N], dan δ: defleksi atau pertambahan panjang pegas [m].

27

Untuk metode dinamik, kita menggunakan sistem getaran, baik yang paling sederhana seperti sistem massa-pegas maupun sistem batang kontinu yang bergetar dengan modus rotasi. Untuk sistem massa-pegas sederhana, tinjau Gambar 1 berikut:

k(x+δst)

mg = kδst Gambar 1 Sistem massa-pegas sederhana.

Dari diagram benda bebas pada Gambar 1, dapatlah dituliskan persamaan hukum Newton II yang menghasilkan persamaan diferensial gerak sistem sebagai berikut: m &x& + k x = 0

(3)

dengan m menyatakan massa [kg], k: kekakuan pegas [N/m], x: perpindahan balok d2 x & & menyatakan turunan kedua perpindahan terhadap waktu massa [m], dan x = dt 2 atau percepatan [m/s2].

Solusi persamaan diferensial homogen di atas akan menghasilkan bahwa gerakan massa x adalah sebagai berikut (Thomson, 1993; Rao, 1986): x& (4) x (t) = x 0 cos ω n t + 0 sin ω n t ωn Pada persamaan di atas, x0 menyatakan kondisi awal berupa simpangan atau perpindahan [m], x& 0 kondisi awal berupa kecepatan [m/s], dan ωn menyatakan frekuensi pribadi [rad/s]. Frekuensi pribadi dapat ditentukan sebagai berikut: k ωn = (5) m Bertolak dari persamaan (4) dan (5), penentuan konstanta kekakuan pegas dapat dilakukan dengan mengukur periode getaran bebas sistem massa-pegas setelah sistem diberi gangguan berupa perpindahan awal. Dengan menggabungkan relasi periode dan frekuensi dan melakukan manipulasi matematika sederhana, diperoleh persamaan harga konstanta kekakuan pegas sebagai berikut: 4π 2m (6) k= 2 Tn dengan Tn menyatakan periode sistem massa-pegas dalam [s].

28

Selain dengan menggunakan sistem massa-pegas, penentuan konstanta pegas secara dinamik dapat juga dilakukan dengan menggunakan sistem berupa batang kontinu yang ditumpu engsel dan pegas seperti ditunjukkan pada Gambar 2. L b a

k

A Gambar 2 Sistem batang kontinu yang ditumpu dengan engsel di ujung kiri dan pegas di sebelah kanan.

Diagram benda bebas sistem dapat digambarkan sebagai berikut:

I O &θ&

mp a &θ& FA

kbθ

θ, θ& , &θ& M

L && θ 2

Gambar 3 Diagram benda bebas batang kontinu. Pada gambar di atas, FA menyatakan reaksi tumpuan engsel, mp massa pemegang peredam [kg], M massa batang kontinu, dan IO momen inersia massa batang terhadap pusat massa [kg m2].

1 M L2 . Pada diagram, diterapkan prinsip 12 d’Alembert, dimana semua suku yang berhubungan dengan ruas kanan hukum Newton II diganti dengan gaya atau momen inersia.

Untuk batang kontinu di atas, I O =

Sama dengan kasus sistem massa-pegas, dengan memanfaatkan hukum Newton II, dapatlah diturunkan bahwa persamaan diferensial gerak sistem adalah: ⎛1 2 ⎞ (7) ⎜ M L + m P a 2 ⎟ &θ& + k b 2 θ = 0 ⎝3 ⎠ Selanjutnya, seperti penurunan untuk kasus sebelumnya, konstanta kekakuan pegas dapat diperoleh melalui pengukuran periode getaran yang dihasilkan saat sistem diberi gangguan berupa simpangan awal, sesuai persamaan berikut: ⎛1 ⎞ 4 π 2 ⎜ ML2 + m P a 2 ⎟ ⎝3 ⎠ k= (8) 2 2 Tn b dengan Tn menyatakan periode getaran bebas dalam [s].

29

Koefisien redaman viskos dapat ditentukan dengan menggunakan penurunan seperti yang dijelaskan oleh Rao (1986). Masalahnya, bentuk peredam yang digunakan dalam praktek umumnya terlalu kompleks untuk dapat dimodelkan dengan pendekatan sederhana. Cara-cara numerik pun umumnya sulit memberikan hasil yang memuaskan, mengingat keterbatasan memory komputer dan perangkat lunak yang ada. Oleh sebab itu, cara penentuan yang paling memungkinkan adalah melalui pendekatan eksperimental. Guna melihat bagaimana hal di atas dapat dilakukan, tinjau sistem batang kontinu pada Gambar 4 yang merupakan perluasan kasus yang telah dipaparkan sebelumnya. Perbedaan dengan kasus di Gambar 2 adalah dipasangnya peredam pada jarak tertentu dari engsel.

L b k A a

c

Gambar 4 Sistem batang kontinu yang ditumpu dengan engsel, pegas, dan peredam.

Diagram benda bebas sistem dapat digambarkan sebagai berikut:

m p a&θ&

FA

L M &θ& 2

I 0 &θ&

kbθ θ, θ& , &θ&

c a θ&

Gambar 5 Diagram benda bebas batang kontinu yang ditumpu dengan engsel, pegas, dan peredam.

Di sistem ini, peredam sudah bekerja dan memberikan gaya peredaman. Pada Gambar 5 di atas, FA menyatakan reaksi tumpuan engsel, mp massa pemegang 1 M L2 momen inersia massa batang peredam [kg], M massa batang kontinu, I O = 12 terhadap pusat massa (titik tengah batang) [kg m2], m p a&θ& gaya inersia komponen L pemegang peredam, M &θ& gaya inersia batang, I O &θ& momen inersia batang, c a θ& 2 gaya peredaman, dan k b θ menyatakan gaya pegas. Dari diagram benda bebas dan Hukum Newton, dapatlah ditunjukkan bahwa persamaan gerak sistem adalah sebagai berikut: ⎛1 2 ⎞ (9) ⎜ M L + m P a 2 ⎟ &θ& + c a 2 θ& + k b 2 θ = 0 ⎝3 ⎠

30

Persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk lain sebagai berikut: M ek &θ& + C ek θ& + K ek θ = 0

(10)

⎛1 ⎞ dengan M ek = ⎜ M L2 + m P a 2 ⎟ [kg.m2], C ek = c a2 [N.s.m], dan K ek = k b2 [N.m] . ⎝3 ⎠ Untuk kondisi teredam kurang (underdamped), sistem akan bergetar (berosilasi) bila diberi gangguan berupa simpangan, kecepatan, atau percepatan awal. Bentuk respon sistem untuk gangguan berupa simpangan awal dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 6 Respon sistem teredam kurang terhadap gangguan berupa simpangan awal.

Sistem akan bergetar teredam bila nisbah atau faktor redaman (damping ratio) sistem, ζ, memenuhi kondisi berikut: C (11) ς = ek < 1.0 C cr dengan C cr = 2 K ek M ek .

Untuk menentukan harga koefisien redaman viskos dari pengujian, dapat digunakan relasi pengurangan logaritmis (logarithmic decrement) sebagai berikut: ⎛X δ = ln ⎜⎜ 1 ⎝ X2

⎞ ⎟⎟ = ⎠

2πς

(12)

1 − ς2

dimana parameter X1 dan X2 menyatakan harga absolut dua simpangan getaran yang berjarak satu periode. Harga X1 dan X2 dapat diperoleh dari pengujian dengan mencatat simpangan getaran yang dihasilkan akibat pemberian gangguan berupa simpangan awal. Dengan menggunakan persamaan (12) dan data pengujian, kita dapat menentukan nisbah redaman ζ. Dengan diketahuinya nisbah redaman, koefisien redaman viskos dapat ditentukan dari persamaan berikut: c=

2ς

K ek Mek a2

[N.s/m]

(13)

31

Gambar 7 Peralatan Pengujian Getaran Bebas

III.

Prosedur Percobaan

3.1 Penentuan konstanta pegas melalui pengukuran dimensional. Untuk menentukan konstanta pegas melalui pengukuran dimensional, lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Selidiki bahan pegas untuk memperoleh perkiraan harga modulus geser bahan, G. 2. Ukur diameter kawat, d, dengan menggunakan jangka sorong. 3. Hitung jumlah lilitan aktif, n. 4. Ukur diameter rata-rata lilitan pegas dan tentukan jari-jari R. 5. Hitung konstanta kekakuan pegas dengan menggunakan persamaan (1). 3.2 Penentuan konstanta pegas dengan metode statik. Untuk menentukan konstanta pegas dengan metode statik, lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Gantung pegas di bagian atas pada dudukan dan pasang perangkat

penggantung beban di ujung bawah. 2. Ukur panjang pegas pada saat belum ditambahkan beban dengan menggunakan pita ukur. 3. Tambahkan beban secara bertahap, misalnya dengan gradasi 400 gram. Untuk setiap penambahan, sesudah beban dipasang, ukur panjang pegas. 4. Lakukan langkah 3 untuk beberapa beban. 5. Hitung konstanta pegas dengan menggunakan regresi linier (metode kuadrat terkecil). 32

3.3 Penentuan konstanta pegas dengan metode dinamik – sistem massa-pegas. Untuk menentukan konstanta pegas dengan metode dinamik – sistem massa-pegas, lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Gantung pegas di bagian atas pada dudukan dan pasang perangkat

penggantung beban di ujung bawah. 2. Pasang beban, misalnya sebesar 2000 gram, di ujung pegas. Angka beban sebesar ini akan memberikan harga m = 2 kg. Bila ingin lebih teliti, massa penggantung ditambahkan pada nilai di atas, sesuai hasil penimbangan. 3. Beri gangguan berupa simpangan awal dengan menarik beban dan pegas. Besar gangguan hendaknya tidak terlampau besar, sekitar 2 – 3 cm. 4. Lepaskan beban dan biarkan sistem bergetar (berosilasi) di sekitar titik seimbang. Dengan menggunakan stopwatch, ukur periode untuk beberapa osilasi penuh, misalnya sepuluh atau dua puluh kali. Dalam praktek, hal ini dilakukan dengan menghitung waktu yang diperlukan beban untuk bergerak dari satu posisi dan kembali ke posisi yang sama sejumlah sepuluh atau dua puluh kali. 5. Dari langkah 4, dapatlah diperoleh harga rata-rata periode pribadi (natural period), Tn, dalam [s]. Selanjutnya, dengan menggunakan persamaan (6), kita dapat menentukan besar konstanta kekakuan pegas. 3.4 Penentuan konstanta pegas dengan metode dinamik – sistem batang kontinu. Untuk menentukan konstanta pegas dengan metode dinamik – sistem batang kontinu yang ditumpu dengan engsel dan pegas, lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Pasang batang kontinu sesuai konfigurasi seperti sistem pada Gambar 2. 2. Ukur semua dimensi yang diperlukan (L, a, b, dan ukuran penampang batang). Gunakan dimensi untuk menentukan parameter M (massa batang), dengan memasukkan massa jenis bahan batang (baja), ρbaja = 7,83 kg/dm3. 3. Beri kondisi awal berupa simpangan sudut yang tidak terlalu besar dan biarkan sistem berosilasi. Sama seperti sistem massa-pegas sebelumnya, catat periode untuk sepuluh atau dua puluh osilasi dengan stopwatch. 4. Alternatif lain adalah dengan melekatkan accelerometer pada batang uji dan peralatan akuisisi data1. Rekatkan accelerometer dengan ‘lilin’ (wax) yang cukup agar acccelerometer benar-benar menempel pada batang dan tidak terjatuh ketika batang digetarkan. Beri kondisi awal dan biarkan batang bergetar. Setelah batang mulai bergetar secara tunak, mulailah melakukan pencuplikan data. Atur lamanya waktu pencuplikan dengan benar. 5. Simpan data dan lakukan olah data dengan perangkat lunak2. Buatlah grafik yang menyatakan simpangan dan taksir periode getaran tersebut. 6. Gunakan persamaan (8) untuk menentukan konstanta kekakuan pegas.

1

Keterangan lebih lengkap mengenai peralatan data akuisisi dapat dilihat pada modul getaran paksa Alternatif perangkat lunak yang bisa dipakai adalah Microsoft Excel atau MATLABTM. Praktikan disarankan menggunakan MATLAB untuk lebih memperkaya pengalaman. Beberapa perintah dasar akan diberikan pada bagian lampiran. 2

33

3.5 Penentuan koefisien redaman viskos Mengacu pada landasan teoretik, untuk menentukan harga koefisien redaman viskos dengan menggunakan alat praktikum Getaran Bebas lakukan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Susun peralatan dengan komponen dan tata letak seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seandainya di pengujian sebelumnya (penentuan konstanta kekakuan pegas), peredam dilepaskan dari pemegangnya, pasangkan kembali pemegang peredam. Untuk variasi percobaan, orifice peredam dapat diatur mulai dari terbuka penuh sampai tertutup penuh dengan memutar ujung atas peredam. 2. Pasang accelerometer di dekat ujung batang dekat pegas. Lekatkan dengan ‘lilin’ (wax) yang cukup agar accelerometer benar-benar menempel pada batang. 3. Beri gangguan berupa simpangan awal dan lepaskan batang. Pada saat melepas batang untuk berosilasi, mulailah melakukan pencuplikan data dengan alat akuisisi data. Atur lamanya waktu pencuplikan agar lebih lama sedikit dari lamanya batang berosilasi. 4. Simpan data dan lakukan olah data dengan perangkat lunak yang anda sukai. IV.


1. Turunkan solusi persamaan diferensial gerak sistem getaran bebas yang dinyatakan di persamaan (7) untuk kondisi awal berupa simpangan. 2. Turunkan asal-usul penentuan konstanta pegas di persamaan (6) dan (8). 3. Turunkan solusi persamaan diferensial gerak sistem getaran bebas teredam yang dinyatakan di persamaan (9) untuk kondisi awal berupa simpangan. Dalam hal ini, faktor redaman, ζ < 1 (sistem teredam kurang atau underdamped). 4. Dari pengolahan data, dapat dipastikan bahwa hasil uji akan mempunyai perbedaan dengan solusi teoretik. Menurut anda, mana yang lebih bisa dipercaya? Beri argumentasi secukupnya. Selain itu, coba anda uraikan berbagai sumber yang berkontribusi terhadap perbedaan hasil tersebut di atas. V.

Rujukan

1. Thomson, W.T., Theory of vibration with applications, 4th ed., Prentice Hall, 1993. 2. Rao, S.S., Mechanical Vibrations, Addison-Wesley, 1986.

34

MODUL 6. (b) Percobaan Getaran Paksa I.

Tujuan Percobaan

II.

Memahami fenomena getaran paksa dengan eksitasi massa tak balans Menentukan respons frekuensi sistem getaran Landasan Teoretik

Secara umum, simpangan suatu getaran dapat dinyatakan dengan persamaan: x (t) = X o . sin(2πft + θ o ) atau x (t) = X o . sin(ωt + θ o ) dimana

Xo f ω θo

= = = =

(1)

amplitudo sinyal getaran [m] frekuensi sinyal getaran [Hz] kecepatan putar [rad/s] fasa awal dari sinyal getaran [rad]

Kecepatan merupakan turunan dari simpangan dan dapat dinyatakan sebagai: v (t ) =

dx = ω.X o . cos(ωt + θ o ) dt

(2)

Selanjutnya, percepatan merupakan turunan dari kecepatan dan dapat dinyatakan sebagai: a(t) =

dv d 2 x = 2 = −ω2 .X o . sin(ωt + θ o ) dt dt

(3)

Dengan demikian, hubungan antara besarnya amplitudo simpangan, kecepatan, dan percepatan dapat dinyatakan sebagai: V = ω.X a = ω.V = ω2 .X

(4)

Salah satu jenis eksitasi getaran yang paling populer untuk mesin rotasi adalah massa tak balans. Model mekanika untuk sistem satu derajat bebas yang mengalami eksitasi jenis ini diperlihatkan pada Gambar 2. Dalam hal ini, massa tak balans dinyatakan oleh bulatan kecil massa sebesar m [kg] dengan eksentrisitas e [m] yang berputar pada kecepatan sudut konstan ω [rad/s]. Akibat pergerakan massa tak balans, akan timbul gaya inersia (gaya sentrifugal) yang besarnya: F(t) = m e ω2 sin ωt

(5) 35

Dengan menggunakan hukum Newton, persamaan diferensial gerak sistem dapat dinyatakan sebagai berikut (Thomson, 93): M &x& + c x& + k x = m e ω 2 sin ωt

(6)

Gambar 1. Sistem getaran satu derajat bebas dengan eksitasi massa tak balans. M menyatakan massa total, c koefisien redaman viskos, k kekakuan pegas, m massa tak balans, e eksentrisitas, ωt sudut putar sesaat, dan x koordinat umum (generalized coordinate) getaran.

Dengan menggunakan teknik baku seperti transformasi Laplace, dapat diturunkan bahwa solusi tunak (steady state) persamaan (1) adalah (Thomson, 93): x (t) = X sin (ωt − φ)

(7)

dengan amplitudo X dan beda fasa φ yang dapat ditentukan dari persamaan berikut:

MX = me

⎛ ω ⎜⎜ ⎝ ωn ⎡ ⎛ ω ⎢1 − ⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ ωn

⎞ ⎟⎟ ⎠

2

⎞ ⎟⎟ ⎠

2

2

⎤ ⎛ ω⎞ ⎟⎟ ⎥ + ⎜⎜ 2ς ω ⎥⎦ n ⎠ ⎝

(8) 2

dan

⎛ω⎞ 2ς ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ωn ⎠ tan φ = 2 ⎛ ω⎞ 1 − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ωn ⎠

(9)

Jadi output getaran akibat input eksitasi massa tak balans akan mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi input dan disertai pergeseran fasa. Kurva amplitudo dan beda fasa dapat digambarkan sebagai fungsi kecepatan (tuna dimensi) untuk berbagai nisbah redaman sebagai berikut:

36

Gambar 2. Kurva amplitudo dan beda fasa sebagai fungsi kecepatan untuk berbagai nisbah ω redaman. Amplitudo dan kecepatan dinyatakan dalam bentuk bilangan tak berdimensi M X dan . ωn me

Kurva di atas lazim juga disebut kurva respons frekuensi. Ada banyak manfaat dari diketahuinya kurva di atas, antara lain untuk fungsi simulasi, peramalan (forecasting), maupun pengendalian (control). Pada percobaan getaran paksa, hasil utama yang diperoleh adalah cuplikan kasar dari kurva respons frekuensi tersebut di atas. III.

Peralatan Pengujian

Peralatan pengujian yang akan digunakan dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 3 Peralatan praktikum getaran paksa.

37

Sebuah batang baja dengan ukuran 838 x 25,4 x 12,7 mm ditumpu di salah satu ujungnya dengan engsel pada rangka. Ujung yang lain ditumpu dengan rol sehingga batang dapat bergerak lateral. Sebuah motor Exciter dengan sebuah piringan yang tak balans dipasang pada suatu kedudukan di sepanjang batang pengujian. Untuk memperkecil amplitudo getaran, ditambahkan sebuah damper seperti yang dipasang di perangkat uji getaran bebas. Kecepatan motor listrik dapat divariasikan dengan pengatur kecepatan dan memiliki jarum penunjuk. Kecermatan jarum penunjuk tersebut sebesar 50 rpm. Accelerometer digunakan untuk mengukur sinyal getaran. Accelerometer merupakan salah satu sensor getaran yang mengukur percepatan. Pada percobaan ini akan digunakan accelerometer jenis strain gage. Keluaran dari accelerometer merupakan besaran regangan yang setara dengan besaran percepatan. Untuk mengkondisi sinyal regangan, accelerometer dirangkai dengan jembatan Wheatstone dan strain amplifier. Dari kedua alat ini, besaran regangan akan diubah menjadi besaran tegangan untuk selanjutnya sinyal tegangan tersebut dimasukkan ke komputer melalui analog to digital converter. Akuisisi data dilakukan dengan perangkat lunak LABTECH®. Dengan perangkat lunak ini parameter pencuplikan (sampling) seperti lamanya waktu pencuplikan, frekuensi pencuplikan, serta antar muka sensor dengan computer dapat ditentukan. Selanjutnya, pengolahan data dapat dilakukan dengan bantuan software MATLABTM. Untuk mengetahui beda fasa dari output getaran dengan input gaya digunakan proximity sensor. Proximity sensor akan mendeteksi lubang pada piringan setiap kali piringan tersebut berputar penuh. Setiap kali pendeteksian lubang, proximity akan mengeluarkan respon impulse sebagai acuan sudut 0 radian. Beda fasa ditentukan dengan melihat kurva keluaran accelerometer dan proximity, yang akan dijelaskan kemudian. IV.

Prosedur Percobaan

Pengukuran respons sistem getaran terhadap eksitasi massa tak balans.

Seperti telah dikemukakan di Bab II, Landasan Teoretis, keluaran percobaan ini adalah kurva respons frekuensi seperti yang disajikan pada Gambar 3. Saat pengambilan data, beberapa hal yang dapat diamati antara lain adalah peristiwa resonansi, yakni saat getaran sistem akibat eksitasi massa tak balans mencapai harga maksimum karena putaran motor mendekati frekuensi pribadi sistem. Hal lain yang dapat diamati adalah pengaruh frequency sweeping, yang sering juga dilakukan saat start up atau shut down mesin rotasi. Pengaruh redaman dapat juga diamati, yakni dengan mengubah-ubah bukaan orifice peredam. Untuk melakukan pengukuran, siapkan alat praktikum getaran paksa lengkap dengan pengatur putaran motor DC servo, dan voltmeter pengukur putaran. Skema perangkat uji ditunjukkan pada Gambar 1.

38

Gambar 4 Skema peralatan praktikum getaran paksa.

Untuk melakukan pengukuran, ikuti langkah-langkah berikut: 1. Siapkan peralatan akuisisi data. Cek pengkabelan dari peralatan. 2. Pasang accelerometer pada batang di dekat posisi motor pengeksitasi. Gunakan ‘lilin’ yang cukup sehingga accelerometer benar-benar menempel pada batang uji. 3. Pasang sensor proximity untuk mendeteksi adanya lubang pada piringan. Pastikan bahwa jarak antara sensor dan piringan cukup dekat agar keluaran sensor dapat dicuplik dengan baik. 4. Set kalibrasi Strain Amplifier pada 1000 μstrain = 2V. Sensitivitas sistem pengukuran untuk set-up di atas adalah 0,9805 g/V dengan g menyatakan percepatan gravitasi. Data yang akan dicuplik merupakan besaran tegangan DC. 5. Jalankan perangkat lunak LABTECH®. Atur frekuensi sampling dan lamanya waktu pencuplikan 6. Jalankan motor listrik sesuai dengan penunjukkan kecepatan pada pengatur putaran. 7. Mulailah melakukan pencuplikan data dengan menekan ikon Run pada tampilan komputer setelah batang berosilasi secara tunak. 8. Ulangi langkah di atas untuk berbagai kecepatan putar. Lakukan pengambilan data lebih sering pada putaran di sekitar frekuensi pribadi. 9. Simpan data dan lakukan pengolahan data dengan perangkat lunak yang disukai. V.

Cara Menentukan Beda Fasa dan Fungsi perbesaran

Sensor proximity akan mengeluarkan respon impulse sebagai acuan sudut 0 radian. Accelerometer akan mencatat output berupa getaran batang. Perbedaan waktu antara respon input dan output dapat diubah menjadi beda fasa melalui persamaan: Φ = 2π.Δt.f 39

dimana Φ menyatakan sudut beda fasa [rad], Δt = perbedaan waktu (delay) antara input dan output [s], dan f = frekuensi sinyal output [Hz].

Contoh penentuan beda fasa dapat dilihat pada Gambar 5 berikut: Δt

T = 1/f

Gambar 5. Contoh keluaran accelerometer dan proximity sensor. Besarnya nilai Δt dan T dapat dihitung secara grafis dari grafik di atas. Pada saat tampilan gambar di MATLAB, dapat dilakukan zooming untuk mempermudah pengamatan dari grafik. Dari gambar di atas dapat pula kita hitung amplitudo sinyal getaran. Besar amplitudo dalam orde tegangan DC [V] selanjutnya dapat dikonversi menjadi kelipatan dari g sesuai sensitivitas yang telah diberikan sebelumnya. VI.


1. Turunkan asal-usul persamaan diferensial gerak sistem (6). 2. Turunkan secara lebih rinci solusi getaran akibat eksitasi massa tak balans seperti yang tersaji di persamaan (7) ÷ (8). 3. Olah data yang diperoleh dan gambarkan kurva respons frekuensi (simpangan dan beda fasa terhadap kecepatan sudut, ω). 4. Dari kurva respons frekuensi, tentukan putaran kritis (frekuensi pribadi terendah) sistem getaran.

VII.

Rujukan

Thomson, W.T., Theory of vibration with applications, 4th ed., Prentice Hall, 1993 Rao, S.S., Mechanical Vibrations, Addison-Wesley, 1986.

40

Catatan: Setiap praktikan diharapkan membawa disket 3½ in. untuk menyimpan data. Petunjuk sederhana untuk mengolah data dengan MATLABTM

Misalkan kita menyimpan data hasil pencuplikan di drive D pada folder latih dengan nama file paksa16.dat. load d:\latih\paksa16.dat % perintah untuk melakukan load dari file hasil akuisisi data % x = paksa16(:,1); % mendefinisikan vektor x dengan mengambil data pada kolom ke-1 yang dalam hal ini merupakan hasil pengukuran accelerometer % p = paksa16(:,2); % mendefinisikan vektor p dengan mengambil data pada kolom ke-2 yang dalam hal ini merupakan hasil pengukuran sensor proximity % fs = 250; % fs merupakan sampling frequency yang ditentukan saat melakukan sampling% t = 0:1/fs:6; % Mendefinisikan vektor t, dalam hal ini merupakan vektor waktu. Angka 6 di sini merupakan lamanya waktu pencuplikan, dalam hal ini 6 s % % t merupakan vektor waktu yang ukurannya harus sama dengan vektor x % x = x - mean (x); % Untuk menghilangkan bias akibat kalibrasi yang kurang baik, nilai vektor x perlu dikurangi dengan harga rata-ratanya% kk = 1:100; % kk merupakan suatu acuan agar perintah plot hanya menampilkan data sesuai range yang diinginkan% figure (1) plot(t(kk),x(kk),t(kk),p(kk)) % Perintah plot akan menampilkan grafik dengan sumbu horizontal berupa vektor t, dan sumbu vertical vektor x. Fungsi plot di atas menampilkan dua pasang data secara bersamaan, yakni keluaran accelerometer dan proximity. Dalam fungsi plot, ukuran vektor harus sama. Untuk mengetahui ukuran vektor, gunakan perintah size(nama vektor)% % Dari perintah plot, dapat dilakukan zooming sehingga kita dapat memperkirakan periode dan amplitudo secara lebih akurat. Hal ini sangat dibutuhkan pada penggambaran respon frekuensi %

41

MODUL 7. Pengujian Konduktivitas Thermal Bahan I.

Tujuan Percobaan

Tujuan percobaan ini adalah menentukan konduktivitas termal bahan II.

Landasan Teoretis

Perangkat percobaan yang dipakai sesuai dengan standard ASTM C335 dan C691. Untuk melakukan pengujian diperlukan spesimen berbentuk silinder berongga (hollow cylinder) yang permukaan dalamnya dapat berkontak dengan permukaan luar pemanas utama (main heater). Untuk lebih jelasnya skema percobaan dapat dilihat pada gambar berikut: L t

t

i

Q=0

o

Q=0

Panas

Pengatur Guard Heater Kiri

Ukur V&I

Q = VI

Pengatur Guard Heater Kanan

Sumber Daya Pemanas Utama

Gambar 1 Skema percobaan

Bila temperatur permukaan dalam dinaikkan dan dijaga konstan sama dengan ti oC, sedangkan temperatur permukaan luar adalah to oC, serta daya yang dibutuhkan untuk membuat keadaan ini stasioner adalah Q watt, maka konduktivitas termal bahan dapat dihitung dengan persamaan berikut: k=

qr r1 ln(r2 / r1 ) [W/mC] A 1 ( Ts ,1 − Ts ,2 )

(1)

42

dimana :

r1 = jari-jari permukaan dalam spesimen [m] r2 = jari-jari permukaan luar spesimen [m] A1 = luas permukaan dalam spesimen sepanjang main heater, = 2πr1L [m2]

Besaran Ts,1 dan Ts,2 diukur dengan termokopel tipe K (Chromel-alumel) dengan

reference junction pada 0 oC. III.

Prosedur Percobaan

9

6 1

2

3

4

7

5 8

1. Main Power 2. DC Supply 3. Left Guard Heater Controller 4. Main Heater Controller 5. Right Guard Heater Controller 6. Digital Milivoltmeter 7. Toggle 8. Selector Switch 9. Sppecimen and Heater Assembly

Gambar 2 Spesimen dan alat uji konduktivitas termal bahan

Prosedur percobaan pada praktikum ini adalah sebagai berikut: a. Ukur temperatur, tekanan, kelembaban udara sekeliling sebelum dan sesudah percobaan. b. Atur pengontrol kedua guard heater pada 500. c. Tekan tombol main power. d. Atur pengontrol main heater pada 1000. e. Tekan tombol DC Supply. f. Putar sakelar pemilih (selector switch). Angka yang terbaca pada digital display menunjukkan voltase pemanas. g. Putar pengatur main heater. h. Putar sakelar pemilih pada posisi 4. Pada posisi ini digital display menunjukkan pembacaan termokopel dalam mV. Untuk mengkonversikan besaran ini ke temperatur, lihat tabel konversi termokopel. i. Tunggu beberapa saat sehingga pembacaan termokopel menjadi stasioner. Putar sakelar pemilih pada posisi 17 kemudian atur tombol guard heater sebelah kiri hingga tidak ada perpindahan energi dalam bentuk panas ke arah kiri. j. Putar sakelar pemilih ke posisi 18 kemudian atur dengan memutar guard heater sebelah kanan hingga tidak terjadi perpindahan energi dalam bentuk panas ke arah kanan.

43

k. Kalau sudah tidak ada perpindahan energi dalam bentuk panas baik ke arah kiri maupun kanan, ukur besaran-besaran yang terbaca pada digital display pada posisi 1 sampai 16.

Gambar 3 Spesimen dan alat uji konduktivitas termal bahan

Catatan:

1. Daya pemanas utama dihitung dengan hubungan: Q = 0,9281 x arus pemanas [A] x Voltase pemanas [V] [W] di mana: 0,9281 adalah faktor koreksi Arus pemanas dibaca pada display dengan posisi saklar pemilih 20, sedangkan voltase pemanas pada posisi 19. 2. Voltase maksimum pemanas = Arus maksimum pemanas = 3. r1 = 0,04445 m

;

60 V 10 A

r2 = 0,0483 m

4. Panjang pemanas utama (L) = 0,6096 m

44

IV.


1. 2. 3. 4.

Terangkan arti fisik konduktivitas termal suatu bahan Turunkan rumus seperti tertulis di persamaan (1) Hitunglah konduktivitas termal spesimen Dari percobaan yang telah dilakukan, bisakah koefisien konveksi permukaan spesimen ditentukan? Kalau bisa, berapakah koefisien konveksinya? 5. Berdasarkan percobaan, hitunglah overall heat transfer coefficient 6. Apakah yang dimaksud dengan tebal isolasi kritik (critical insulation thickness) dan hitung tebal isolasi kritik

45

46

MODUL 8. Percobaan Sirip I.

Tujuan Percobaan

Mengetahui fenomena distribusi temperatur pada sirip silinder horisontal. Mengetahui sejauh mana keakuratan perhitungan dengan metode analitik dapat dicapai. Mengetahui kehandalan sirip sebagai alat pembuang panas.

II.

Landasan Teoretik

Pengujian yang akan dilakukan meliputi tiga kasus sirip yang mungkin terjadi, yaitu: 1. Sirip yang mempunyai panjang tertentu dan melepaskan kalor dari ujungnya. 2. Sirip yang sangat panjang dan suhu di ujung sirip sama dengan suhu fluida di sekitarnya dT 3. Sirip yang ujungnya diisolasi sehingga = 0 pada x = L dx Dengan perhitungan sistem konduksi-konveksi pada sirip akan diperoleh persamaanpersamaan penting berikut. •

Distribusi suhu tuna dimensi :

Kasus 1 : Tx − T∞ Ts − T∞

di mana : Tx T∞ To hL k L x m h P A

⎛h ⎞ cosh m(L − x) + ⎜ L ⎟ sinhm(L − x) ⎝ mk ⎠ = ⎛h ⎞ cosh mL + ⎜ L ⎟ sinhmL ⎝ mk ⎠

(1)

= = = = = = =

temperatur sirip pada jarak x dari dinding. temperatur udara sekitar temperatur dasar dinding koefisien konveksi pada permukaan ujung koefisien konduksi bahan sirip panjang sirip jarak titik pengamatan ke dinding pendinginan hP = kA = koefisien konveksi permukaan sirip = keliling sirip = luas penampang sirip

47

Kasus 2 : Tx − T∞ = e −mx Ts − T∞

(2)

Kasus 3 : Tx − T∞ cosh m(L − x) = cosh (mL) Ts − T∞

•

(3)

Laju aliran panas sirip :

Kasus 1 : q=

⎛h ⎞ sinhmL + ⎜ L ⎟ coshmL ⎝ mk ⎠ P.h.A.k (Ts − T∞ ) . ⎛h ⎞ coshmL + ⎜ L ⎟ sinhmL ⎝ mk ⎠

(4)

P.h.A.k (Ts − T∞ )

(5)

P.h.A.k (Ts − T∞ ) tanh(mL)

(6)

Kasus 2 : q= Kasus 3 : q=

Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi, h : a.

Konveksi Bebas

Temperatur film, Tf Tf =

(Tw + T∞ ) 2

di mana T∞ = temperatur udara lingkungan Tw = temperatur rata–rata dinding sirip

Angka Grashoff, Gr

Gr =

g ⋅ β ⋅ (Tw − T∞ ) ⋅ d3 ν2

48

Di mana:

g = percepatan gravitasi

β = koefisien muai volume =

1 Tf

d = diameter sirip ν = viskositas kinematika (merupakan sifat fisik fluida)

Angka Nusselt, Nu - Morgan : Nu = C.(Gr.Pr)m di mana Pr = angka Prandtl (sifat fisik fluida) Harga konstanta C dan m tergantung harga (Gr.Pr) : Gr.Pr 10-10-10-2 10-2-10-2 102-104 104-107

C 0.675 1.020 0.850 0.480

m 0.058 0.148 0.188 0.250

Sifat dievaluasi pada temperatur film.

- Chuchill dan Chu : Nu = 0,36 +

0,518(Gr.Pr)1 / 4 ⎡ ⎛ 0,559 ⎞9 /16 ⎤ ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ Pr ⎠ ⎦⎥

4/9

Untuk aliran laminar dari 10-6 < Gr.Pr < 109 Sifat dievaluasi pada temperatur film.

Koefisien perpindahan panas konveksi, h : h = Nu.

k d

dengan k = konduktivitas termal fluida. 49

b.

Konveksi Paksa

koefisien tahanan aliran, Cd : Cd = 0,9716 + 1,35.10-3. Δ Pn di mana Δ Pn = beda tekanan antara tekanan udara lingkungan dengan tekanan udara statik di leher nosel, dalam mm H2O.

massa jenis udara, ρo

ρo =

Po [kg/m3] (R.To )

di mana R = 287 Nm/kg.K Po = tekanan udara lingkungan, dalam N/m2 To = temperatur udara lingkungan, dalam oK

kecepatan aliran udara di nosel, un 1/2

⎡ (2.ΔPn ) ⎤ un = Cd. ⎢ ⎥ ⎣ ρo ⎦

(m/s)

dengan Δ Pn dalam N/m2.

kecepatan aliran udara pada ruang uji, v v=

An un (m/s) A ru

di mana An = luas penampang nosel = 0,1662.10-2 m2 Aru = luas penampang ruang uji = 0,100264 m2

Bilangan Reynolds, Re Re =

v.d ν

50

Bilangan Nusselt, Nu - Hilpert : Nu = C.Ren.Pr1/3 dengan konstanta C dan n : Re

C

n

0,4 – 4

0,989

0,330

4.- 40

0,911

0,385

40 – 4000

0,683

0,466

4000 – 40000

0,193

0,618

Sifat dievaluasi pada temperatur film. - Eckert dan Drake : Nu = ( 0,43 + 0,50 Re0,5 ) Pr

0,38

Untuk 1 < Re < 103. Sifat dievaluasi pada temperatur film. - Churchill dan Bernstein : Nu = 0,3 +

0, 62Re1 / 2 Pr1 / 3 ⎡ ⎛ 0, 4 ⎞2 / 3 ⎤ ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ Pr ⎠ ⎦⎥

3/4

⎡ ⎛ Re ⎞5 / 8 ⎤ ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ 282000 ⎠ ⎦⎥

4 /5

Untuk 102 < Re < 107 ; Pr > 0,2 Sifat dievaluasi pada temperatur film. - Whittaker : 1/4

0,5

Nu = ( 0,4 Re

2/3

+ 0,06 Re

0,4

) Pr

untuk 40 < Re < 105 ; 0,25 <

⎛ μ∞ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ μw ⎠

μ∞ < 5,2 μw

Semua sifat dievaluasi pada suhu udara bebas kecuali μw pada suhu dinding.

51

III.

Perangkat dan Peralatan Percobaan

Spesimen Uji bahan : kuningan diameter : 6,25 mm panjang : 32 dan 33 cm jarak titik pengamatan : batang 1 (untuk kasus 1 dan 2)

x :0

7

14

21

28 31 32

batang 2 (untuk kasus 3)

x:0

4,5

9,5

14,5

14,5

9,5

4,5

0 :x

16,5

Alat ukur temperatur sirip Untuk merasakan temperatur sirip digunakan termokopel tipe T (copperconstantan), kemudian termokopel ini dihubungkan dengan termometer termokopel (merek Omega model DP 460) dengan perantaraan terminal dan selektor Pengukur parameter udara lingkungan Temperatur diukur memakai termometer alkohol, dan tekanan diukur memakai barometer Perangkat pembangkit aliran udara Komponen dari perangkat ini dapat dilihat pada gambar. Untuk dapat menghitung besarnya kecepatan aliran udara digunakan alat mikromanometer, yaitu untuk mengetahui beda tekanan antara tekanan udara luar/lingkungan dengan tekanan statik aliran udara di leher nosel. Heater Untuk memvisualisasikan dinding pendinginan digunakan heater. Untuk memanaskan dasar sirip, heater ini dihubungkan ke jala-jala listrik dengan perantaraan dimmer agar panas maksimal yang dicapai heater/temperatur dasar sirip dapat diatur.

52

IV.

Prosedur Percobaan

4.1. Kondisi Konveksi Bebas a. Hubungkan heater dan termometer-termokopel ke jala-jala listrik. b. Atur besar masukan daya pada heater, hingga temperatur dasar sirip mencapai temperatur stedi 100 °C (gunakan dimer) c. Catat temperatur semua titik pada sirip (gunakan selektor untuk meindahkan pengamatan titik uji) d. Catat juga temperatur dan tekanan udara lingkungan 4.2. Kondisi Konveksi Paksa e. Tutup rapat-rapat ruang uji f. Jalankan fan dengan kecepatan pada skala 30 g. Lakukan kembali langkah 1b, c, dan d h. Atur dan catat harga yang ditunjukkan mikromanometer i.

V.

Ulangi pengujian untuk kecepatan pada skala 40, 50 , dan 60


1. Buktikan persamaan (1), (2) dan (3) 2. Berikan analisis perbandingan antara harga temperatur yang didapat dari eksperimen dengan hasil perhitungan analitik. 3. Sertakan pula gambar grafik perbandingannya 4. Dalam perhitungan yang dilakukan, asumsi apa saja yang diambil? 5. Bandingkan harga laju aliran panas q sebagai hasil perhitungan memakai persamaan (3), (4) dan (5) dengan perhitungan efek radiasi ikut disertakan. 6. Bagaimana pendapat anda tentang penggunaan sirip? 7. Bahan yang bagaimana yang baik untuk dijadikan sirip? 8. Apakah baja tahan karat baik untuk dijadikan bahan sirip? 9. Berikan penjelasannya. 10. Sebutkan 4 peralatan yang lazim menggunakan sirip sebagai pembuang panas.

53

54

MODUL 9. Percobaan Bantalan Luncur I.

Pendahuluan

Dasar-dasar dalam perhitungan performansi bantalan luncur adalah mekanika fluida. Nama-nama seperti Osborn, Reynolds, serta Sommerfield dikenal sebagai perintis dalam pengembangan teori bantalan luncur. Meskipun telah dimulai semenjak lama sekali, namun ternyata sampai saat ini teori bantalan luncur masih belum lengkap. Bantalan luncur yang digunakan dalam percobaan adalah bantalan luncur ukuran kecil yang telah diperlengkapi dengan alat-alat ukur untuk mengetahui berbagai variabel yang relevan dalam mengkaji kelakuan bantalan luncur tersebut secara eksperimental. II.

Pemerian Peralatan

Bagian utama bantalan luncur yang digunakan dalam percobaan ini disajikan pada gambar 1. Poros luncur (A) terbuat dari baja dan dihubungkan langsung dengan poros motor (B) yang arah dan kecepatan putarnya dapat diatur dan diukur dengan teliti pada daerah kisaran 500 sampai dengan 3000 rpm. Pada tempat-tempat yang strategis di sekeliling bantalan luncur (C) terdapat saluran-saluran untuk pengukuran cairan tekanan pelumas. Ujung belakang bantalan luncur disekat dengan diafragma karet (D) yang sangat lentur, sehingga memungkinkan pergerakan bantalan secara bebas. Ujung lainnya ditutup dengan piringan transparan (E) sehingga posisi poros luncur dapat diamati. Penunjuk (F) terpasang pada bantalan luncur dan berfungsi untuk menunjukkan posisi bantalan relatif terhadap rangka yang tetap (G). Bila poros luncur berputar, bantalan juga cenderung untuk bergerak searah dengan putaran poros. Untuk menjaga posisi bantalan tetap seperti semula, dipasang bandul-bandul pemberat (H) pada batang dudukan (I). Bandul pemberat ini juga berfungsi untuk memberikan beban pada bantalan luncur. Berbagai dimensi penting yang perlu diketahui dalam perhitungan-perhitungan percobaan ini adalah: -

diameter poros luncur diameter dalam bantalan panjang efektif bantalan massa tiap bandul massa bantalan

50 mm 55 mm 70 mm 100 gram 650 gram

55

56

III.

Landasan Teoretik

Dalam analisis matematik bantalan luncur, aliran fluida di antara poros luncur dan bantalan luncur didekati dengan aliran fluida di antara dua pelat (lihat gambar 2.a), dengan menganggap aliran adalah satu dimensi dan variasi tekanan dalam arah radial diabaikan. Dari persamaan keseimbangan gaya untuk suatu elemen volume fluida (gambar 2.b) dapat diperoleh persamaan berikut: ∂τ ∂p (1) = ∂y ∂x Untuk fluida yang memenuhi sifat fluida Newton, maka: ∂v (2) τ = −μ ∂y sehingga persamaan (1) menjadi: ∂2 v ∂p = −μ (3) 2 ∂y ∂x

y x

Gambar 2.a

τ+

∂τ dy ∂y p+

p

∂p dx ∂x

τ Gambar 2.b

e

R h

y

Gambar 3

57

Integrasi persamaan (3) dan penerapan kondisi tidak slip pada permukaan antara padat-cair, yakni v = V pada y = 0 dan v = 0 pada y = h, memberikan distribusi kecepatan: y ⎞ 1 ∂p y⎞ ⎛ ⎛ v = V ⎜1 − ⎟ + ⋅ ⋅ h ⋅ y ⎜1 − ⎟ h ⎠ 2μ ∂x h⎠ ⎝ ⎝ Sekarang tinjau aliran fluida di antara poros luncur dan bantalan luncur (Gambar 4). Pendekatan aliran seragam di dalam celah memberikan persamaan: dQ dh = rdθ dt

(4)

Karena h = δ + e sin θ dan laju aliran volume, Q, dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan (4) sebagai: h

Q = ∫ v ⋅ dy

(5)

0

maka persamaan (5) dapat ditulis menjadi: 1 ∂ ⎛Vh h3 ∂p ⎞ ∂e ∂θ + ⎜ ⎟ = − cos θ + e sin θ r ∂θ ⎝ 2 12 μ r ∂θ ⎠ ∂t ∂t

(6)

Integrasi persamaan (6) tehadap variabel θ dan penerapan kondisi batas tekanan maksimum dp / dθ = 0 pada θ=θm menghasilkan: dp 6 μ r2 =− 2 n ( 2Ω − ω)( cos θm − cos θ ) + 2n& ( sin θm − sin θ ) dθ δ (1 + n cos θ)3

(7)

Untuk kondisi khusus dimana Ω = n& = 0 diperoleh distribusi tekanan dalam arah θ −6 μ r 2 n (2 + n cos θ) sin θ p − p0 = 2 ⋅ 3 δ (1 + n cos θ) (1 + n cos θ)2

(8)

Persamaan ini lebih dikenal sebagai fungsi tekanan Sommerfield. Tekanan maksimum terjadi pada θm dimana cos θm = −

3n 2 + n2

(9)

Dari persamaan (8) dapat dihitung pula beban pada bantalan, yaitu:

58

2π

P=

∫ L r p sin θ dθ = − 0

12 μ r 3 L ω π n 1 ⋅ ⋅ 2 2 δ 2+n 1 − n2

(10)

Arah gaya P ini tegak lurus garis 0-0’. Momen yang diperlukan untuk memutar poros luncur dapat diturunkan juga dari persamaan (8), 4 μ r3 L ω π 1 + 2n2 M= ⋅ δ (2 + n2 ) 1 − n2

(11)

Keadaan Self Excited Vibration

Bila kecepatan putar poros luncur cukup tinggi, bantalan luncur akan bergetar. Keadaan demikian disebut “self exited vibration” dan dalam keadaan tersebut persamaan-persamaan (8) - (11) tidak dapat diterapkan lagi. Hal yang sangat menarik pada saat terjadi self exited vibration ini adalah n& = 0 dan Ω = 1 ω . Jadi sumbu poros luncur berputar dengan kecepatan putar Ω = 1 ω 2 2 relatif terhadap sumbu bantalan dengan jarak eksentrisitas yang tetap. Untuk keadaan ini persamaan (7) menjadi sederhana sekali ∂p =0 atau p = konstan (12) ∂θ Keadaan tersebut dapat diamati dalam percobaan. IV.

Prosedur Percobaan

Setelah arah putaran poros motor ditentukan, motor dijalankan. Kecepatan putar motor ditingkatkan secara bertahap hingga mencapai putaran kira-kira 1500 rpm dan dibiarkan dalam keadaan tersebut selama 1 (satu) jam untuk pemanasan. Setelah itu percobaan dapat dimulai. Atur kecepatan putar hingga mencapai harga yang ditentukan, biarkan selama 10 menit. Berikan pembebanan dengan menambah bandul dan geserkan bandul tersebut sedemikian rupa sehingga posisi bantalan vertikal. Catat harga-harga tekanan bila sudah tidak tampak adanya perubahan lagi. Ganti harga putaran atau pembebanan dan ulangi pengamatan. Harga putaran dan/atau pembebanan ditentukan oleh asisten. Untuk mengamati gejala self excited vibration, tingkatkan putaran poros sampai gejala ini timbul. Atur putaran dan cari kondisi khusus self excited vibration dimana penunjukkan tekanan mendekati seragam. Dengan menggunakan stroboskop ukur kecepatan “whirl” poros relatif tehadap bantalan. Periksa apakah kecepatan tersebut sama dengan 1 ω . 2

59

V.

Penyajian Hasil Percobaan

Kumpulkan data hasil pengukuran dan gambar fungsi tekanan Sommerfield (p-p0) dalam bentuk grafik dengan sistem koordinat Cartesius serta sistem koordinat polar untuk berbagai kecepatan putar dan pembebanan yang diberikan. Bandingkan grafik-grafik eksperimental ini dengan teori yang didapat. Gambarkan juga grafik tekanan dalam arah aksial. Untuk tiap percobaan bandingkan harga pembebanan yang diberikan pada bantalan dengan hasil teori bila: 1. dihitung dengan menggunakan harga rata-rata dari tekanan yang di atas tekanan mula-mula (sebelum poros luncur berputar) 2. dihitung dari persamaan untuk P (tentukan pula arah kerja gaya P) Petunjuk

1. Pilih tekanan mula ps sebagai datum 2. Untuk menentukan θ = 0 sewaktu menghitung fungsi tekanan Sommerfield, cari dua titik A dan B yang mempunyai harga tekanan eksperimental sama namun kedua titik tersebut terpisah 180o satu sama lain. Kedua titik ini memberikan p = p0 = 0. piih titik yang terdekat dengan hmax sebagai θ = 0. 3. Untuk menentukan jarak eksentrisitas, tentukan dengan pertolongan grafik dengan mencari harga θm dimana (p-p0) mencapai maksimum. Kemudian substitusikan harga tekanan relatif tersebut ke persamaan (9).

VI.

ω r δ e n μ

Nomenklatur

-

kecepatan putar poros luncur jari-jari poros luncur perbedaan jari-jari bantalan dan poros luncur = R – r eksentrisitas bilangan tak berdimensi, = e/ δ viskositas fluida ∂n n& - laju perubahan eksentrisitas, tak berdimensi = ∂t Ω - kecepatan putar poros luncur relative terhadap pusat bantalan ∂θ (kecepatan whirl) ∂t L - panjang bantalan

60

MODUL 10. Pengujian Kalorimeter Bom

I.

Tujuan Percobaan

Tujuan dari pengujian ini adalah untuk menentukan nilai kalor suatu bahan bakar (padat atau cair) dengan menggunakan sebuah kalorimeter bom. II.

Prosedur Pengujian

Prosedur Persiapan

1. Bejana tekan (bomb), ember air, wadah bahan bakar, dan selubung kalorimeter dibersihkan dan kemudian dikeringkan. 2. Untuk bahan bakar padat atau cair yang tidak mudah menguap digunakan wadah logam yang terbuka (mangkuk). Untuk bahan bakar yang mudah menguap digunakan kapsul dari gelatin. Timbanglah wadah dan kapsul tersebut dengan menggunakan timbangan analitik (ketelitian 0,1 miligram). 3. Isilah mangkuk/kapsul dengan bahan bakar yang akan diuji dan kemudian timbanglah dengan timbangan analitik. 4. Kawat penyala (fuse wire) yang akan digunakan ditimbang pada timbangan analitik atau diukur panjangnya. 5. Letakkan wadah atau kapsul yang telah diisi bahan bakar tersebut pada rangka pemegangnya. Pasanglah kawat penyala pada terminal-terminal yang telah tersedia. Kawat penyala tersebut harus bersentuhan dengan bahan bakar untuk menjamin berlangsungnya pembakaran. 6. Teteskan kira-kira 1 cc aquadest dalam bejana tekan. 7. Pasanglah tutup bejana dengan hati-hati pada bejana tekan tersebut. Putar dengan tangan sampai cukup erat. 8. Isilah bejana tekan tersebut dengan oksigen tekanan tinggi sampai tekanannya kira-kira 25 atm. 9. Masukkan aquadest sebanyak 2000 gram ke dalam ember air. 10. Letakkan bejana tekan tersebut ke dalam ember air pada tempat yang telah ditentukan dengan hati-hati. Catatan : Apabila ternyata ada kebocoran oksigen dari dalam bejana tekan, prosedur persiapan ini harus diulang mulai dari langkah awal (1). 11. Letakkan ember air dalam selubung kalorimeter dan sambungkan terminalterminal pada selubung dan pada bejana tekan. 12. Pasang tutup selubung kalorimeter dengan hati-hati, dan jaga agar kipas pengaduk dan termometer tidak menyentuh ember. Pasanglah batang kipas penggerak pada puli motornya. 13. Aturlah alat pengamat (eyepiece) termometer agar pengamatan temperatur dapat dilakukan dengan baik. 61

Gambar 1 Kalorimeter Bom

Prosedur Pengukuran

1. Jalankan kipas pengaduk kalorimeter dan stopwatch.. 2. Setelah kira-kira satu menit, temperatur mulai diamati dan dicatat. Untuk tahap selanjutnya pengamatan temperatur pada termometer dilakukan setiap selang waktu satu menit. 3. Tepat pada akhir menit ke tujuh, tombol “IGNITION” ditekan dan sejak saat ini pengamatan temperatur dilakukan setiap 15 detik. Catatan: Pada waktu tombol “IGNITION” ditekan, lampu indikator akan menyala sebentar dan kemudian akan mati sendiri (walaupun tombol masih ditekan). Apabila lampu tidak mati, pengujian ini harus diulangi dengan prosedur persiapan dari langkah awal. Ikuti dahulu prosedur untuk membuka kalorimeter. 4. Setelah temperatur mencapai maksimum, pengamatan dilakukan setiap menit sekali sampai 8 kali pengamatan. 5. Setelah pengamatan terakhir, kipas pengaduk dihentikan dan kalorimeter dibuka. 6. Periksalah isi bejana tekan. Timbang atau ukur panjang fuse wire yang tersisa. Catatan : Apabila ternyata ada sisa bahan bakar yang tidak terbakar atau sisa kapsul yang tidak terbakar dalam pengujian ini, pengujian ini harus diulangi dari awal, tetapi dengan jumlah bahan bakar yang lebih sedikit. Prosedur Membuka Kalorimeter

1. Angkatlah tutup selubung kalorimeter dan letakkan pada rangka yang tersedia. Hati-hati dengan termometernya. 2. Lepaskan sambungan listrik dari bejana. 3. Angkatlah ember air dengan bejananya dari selubung kalorimeter. 4. Keluarkan bejana tekan dari dalam ember dan kemudian buka tutupnya perlahan-lahan, sampai tekanan dalam bejana tekan tersebut sama dengan tekanan udara sekelilingnya. 62

5. Buka tutup bejana tekan dan letakkan pada rangka yang telah disediakan. 6. Setelah pengujian selesai dilakukan, semua peralatan yang telah digunakan harus dibersihkan dan dikeringkan dengan baik dan simpan di tempat semula.

III.

Data Pengamatan

Massa Kawat

Kapsul

Nilai pembakaran Massa awal Massa sisa Massa yang terbakar

Massa kapsul + bahan bakar

=

Massa bahan bakar

=

Temperatur t (menit)

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

7:15

7:30

7:45

8:00

8:15

8:30

8:45

9:00

9:15

9:30

9:45

10:00

10:15

10:30

10:45

11:00

11:15

11:30

11:45

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

14:45

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

T (°C)

Kondisi Ruangan Temperatur (°C) Tekanan (cmHg) Sebelum Sesudah

Konversi Satuan : 1 kkal/kg = 1,8 Btu/lb = 4,184 kJ/kg

IV.

Perhitungan

63

Gambar 2 Grafik temperatur terhadap waktu hasil pengujian

AB : BC = 2 : 3

Persamaan yang digunakan untuk menentukan nilai kalor bahan bakar :

Nbb = Dimana : Nbb

(H × ΔT ) − (N × m) kp − (N × m) kw mbb

(1)

= Nilai Kalor Bahan bakar [kJ/kg)]

H

= Nilai air kalorimeter = 11,5664 kJ/oC

∆T

= Tf – Ti [oC]

Nkp

= Nilai kalor kapsul = 19222,04 kJ/kg

mkp

= Massa kapsul [kg]

Nkw

= Nilai kalor kawat = 5860,40 kJ/kg

mkw

= Massa kawat yang terbakar [kg]

mbb

= Massa bahan bakar [kg]

Petunjuk :

[kJ/kg]

- ∆T ditentukan melalui perbandingan pada grafik data. - Teliti dalam penggunaan satuan untuk menghindari kesalahan perhitungan. 64

V.


1. Tentukan jenis bahan bakar yang dipakai dalam pengujian tersebut. 2. Hitung nilai kalor bahan bakar dari data yang anda peroleh. 3. Berikan analisis dan kesimpulan dari nilai kalor bahan bakar yang anda peroleh.

65

MODUL 11. Percobaan Sistem Aliran Fluida I.

Pedahuluan

Dalam praktek sering kita jumpai masalah aliran fluida dalam pipa, baik dengan sistem terbuka maupun tertutup. Kemudian kita kenal pula bentuk sistem tunggal maupun bentuk sirkuit. Contoh sistem tunggal misalnya pada saluran transmisi air untuk pengairan sawah, sedang yang berbentuk sirkuit misalnya pada sistem distribusi air dingin untuk pengkondisian udara dan sebagainya. Pengujian kali ini bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat aliran fluida inkompresibel dalam pipa. Banyak masalah dalam perencanaan suatu pemipaan yang dapat dikembangkan dari dasar aliran fluida dalam pipa ini. Seperti kita ketahui masalah pokok aliran fluida dalam pipa selalu mempertimbangkan masalah-masalah sifat aliran fluida kerjanya dan juga akibat yang ditimbulkan dari bentuk fisik pipa. Sifat fisik dasar dari fluida yang dapat kita pakai untuk menganalisa aliran fluida dalam pipa terutama adalah: • Tekanan • Temperatur • Massa jenis • Viskositas Kemudian sifat fisik pipa, antara lain adalah: • Diameter • Kekasaran

II.

Notasi

R

Bilangan Reynolds

-

Rcr

Bilangan Reynolds kritik

-

F

Gaya

lbf

a

Luas

ft2

V

Kecepatan

ft/dt

d

Tebal Lapisan

f

μ

Viskositas

lbf/ft.dt

D

Diameter

ft

ρ

Massa Jenis

lbm/ft3

66

III.

hf

Kehilangan energi karena gesekan

ft.lbf/lbm

f

Faktor gesekan Moody

-

L

Panjang

ft

g

Percepatan gravitasi

ft/dt2

υ

⎛μ⎞ Viskositas kinematik ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ρ⎠

ft/dt2

e/D

Nisbah kekasaran relatif

-

e

Kekasaran dinding rata-rata

ft

Teori

Dari sifat fisik dasar fluida dan pipa di atas ditambah dengan sifat mekanisnya kita dapat menurunkan pengertian aliran fluida dalam dua kelompok besar, yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Sifat aliran tersebut dapat dibedakan dengan menggunakan bilangan Reynolds – nya. R=

DVρ μ

(1)

Bilangan Reynolds adalah perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viskos. Aliran dikatakan laminar bila bilangan Reynolds – nya di bawah bilangan kritiknya (Rcr = 2000). Aliran di atas bilangan kritik disebut aliran turbulen. Pada daerah antara aliran laminar dengan aliran turbulen ini terdapat daerah transisi. Aliran fluida dalam pipa ataupun kanal selalu mendapat tahanan dari kontak antara fluida terhadap dinding salurannya. Tahanan ini yang berbentuk kerugian gesekan merupakan kerugian energi mekanis yang dapat dirasakan dari pengurangan tekanan. Kerugian gesekan ini diakibatkan oleh adanya tahanan viskos dan disipasi energi sebagai akibat arus Eddy dan turbulensi. Bila aliran adalah laminar, kehilangan energi terutama diakibatkan oleh gaya viskos. Pada aliran turbulen kehilangan energi terutama diakibatkan oleh terbentuknya arus turbulensi. Pada daerah transisi asal kerugian ini agak sukar dipastikan. Kehilangan energi untuk seluruh daerah aliran dapat dianalisa dengan menggunakan bilangan Reynolds. Kemudian dengan pertolongan rumus Darcy – Weisbach berikut ini kerugian energi dapat dihitung. Rumus Darcy – Weisbach: ⎛ L ⎞ V2 (2) hf = f⎜ ⎟ ⎝ D ⎠ 2g Harga faktor gesekan f diperoleh dari diagram Moody.

67

68

IV.

Pemerian Instalasi

Instalasi terdiri dari 4 pipa (no. 1 s/d 4), set pompa motor (5), tangki (6), katup dan fitting, pengukur aliran (7, 8 dan 9), tap manometer (22 s/d 41) serta manometer (42 dan 43). Dimensi keempat pipa uji masing-masing berukuran sebagai berikut: Pipa no. 1 : diameter = 3/8 in. dari titik 22 ke 30, Pipa no. 2 : diameter = 1/2 in. dari titik 23 ke 31, Pipa no. 3 : diameter = 3/4 in. dari titik 24 ke 32, Pipa no. 4 : diameter = 1 in. dari titik 25 ke 32, Sifat fisik air terhadap perubahan temperatur adalah sebagai berikut: o

F

Temperatur

32

70

100

150

Massa jenis

64,42

62,30

61,99

61,21

lbm/ft3

Viskositas

0,00121

0,00067

0,00046

0,00029

lbf/ft.dt

Sirkuit dapat dipandang sebagai sirkuit tertutup dimana fluida secara kontinu disirkulasikan, atau sirkuit terbuka bila tangki air dikosongkan dan fluida disalurkan ke luar melalui pipa overflow pada ujung sirkuit. Katup 44 dan 45 dapat digunakan untuk mendapatkan efek perubahan sirkuit tertutup dan terbuka. Pengukuran arus dapat dilakukan dengan menggunakan: • Sharp edged orifice plate (7), • Ventury meter (8), atau • Pipa penduga (9). Tangki silindris (47) dapat dipergunakan untuk mengamati sifat aliran (laminar atau turbulen) yang masuk ke dalam tangki. V.

Persiapan

Setelah tangki air diisi, jalankan motor pompa hingga ada aliran air untuk sirkuit tertutup. Aturlah katup-katup sedemikian rupa hingga seluruh bagian sirkuit dapat mengalirkan air dengan sempurna. Sesudah itu amati keadaan manometer. Bila di dalam manometer terdapat gelembung udara pada waktu operasi, prosedur pengeluaran gelembung harus dilakukan.

69

70

71

72

MODUL 12. Percobaan Saluran Udara Serbaguna I.

Tujuan Percobaan

Pengujian dengan instalasi saluran serbaguna ini bertujuan untuk: • Menunjukkan dan memperkenalkan cara-cara pengukuran kecepatan aliran udara. • Menentukan laju masa aliran udara. • Mengamati perubahan sifat-sifat termodinamika udara bila dipanaskan. • Mengamati perubahan sifat-sifat termodinamika udara bila didinginkan baik disertai dengan pengembunan atau tidak. II.

Cara Kerja

Arus aliran udara terjadi oleh tarikan kipas (blower) yang terletak pada ujung saluran udara Pemanasan dilaksanakan dengan mengalirkan udara melalui pemanas listrik 500 W (low), 1000 W (medium), atau 2000 W (high) Pengurangan kelembaban dalam pengujian ini dilaksanakan dengan mengalirkan udara dengan pendinginan langsung oleh sistem pendingin refrigerator (evaporatornya) III.

Teori Dasar

SUS merupakan peralatan pengujian yang dapat digunakan untuk mengamati fenomena-fenomena yang berkaitan dengan sifat-sifat termodinamis udara. Fenomena tersebut antara lain perubahan entalpi, perubahan kelembaban baik relatif maupun mutlak, perubahan temperatur dan pengaruh laju aliran udara terhadap proses perpindahan kalor serta sifat-sifat tersebut. Karena perubahan laju aliran massa dapat diukur dengan mengukur kecepatan aliran udara, maka pada praktikum ini dapat dipelajari pula cara mengukur kecepatan aliran udara. Disamping itu dengan SUS, fenomena seperti frosting (terbentuknya bunga es) dan juga fenomena aerodinamis efek lift dan drag juga dapat diamati. Sesuai dengan tujuan pengujian ini, pada bagian ini akan diuraikan secara singkat konsep-konsep pengukuran yang akan dilakukan. Pengukuran Kecepatan Udara pada Sisi Masuk

Kecepatan udara pada sisi masuk diukur dengan manometer yang berguna untuk mengukur beda tekanan statis antara tekanan udara sekitar dengan tekanan udara pada dinding saluran sisi masuk. Dengan asumsi bahwa persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada pengukuran ini, didapat hubungan: 73

di mana:

Ve =

2.ΔPs ρ udara

ρudara ΔPs

= =

Ve

=

(1)

rapat massa udara yang mengalir beda tekanan statis antara udara sekitar (ambient) dengan tekanan pada sisi masuk saluran udara kecepatan aliran udara pada sisi masuk

Pengukuran Kecepatan Udara pada Saluran Udara

Kecepatan aliran udara pada saluran udara dapat diukur dengan menggunakan manometer dan tabung pitot. Tabung pitot berguna untuk memperoleh beda tekanan antara tekanan total (stagnasi) dengan tekanan statis dalam saluran yang diukur. Dengan asumsi bahwa persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada pengukuran ini, didapat hubungan:

di mana:

Vd =

2.ΔPd ρ udara

ρudara ΔPd

= =

Vd

=

(2)

rapat massa udara yang mengalir beda tekanan statis antara udara sekitar (ambient) dengan tekanan pada sisi masuk saluran udara kecepatan aliran udara pada titik yang diukur

Karena kecepatan yang diukur adalah di titik tempat sensor pengukuran dan seperti kita ketahui bahwa distribusi kecepatan tidak merata, perlu dilakukan beberapa kali pengukuran, misalkan n kali pengukuran. Semakin banyak pengukuran yang dilakukan hasilnya akan semakin baik. Dari hasil pengukuran tersebut dicari harga rata-ratanya dengan persamaan berikut:

∑ =

n

Vdm

i=1

n

Vd,i

(3)

Faktor Kalibrasi

Harga kecepatan yang diperoleh dengan menggunakan tabung pitot perlu dikoreksi dengan faktor kalibrasi K, yang didefinisikan sebagai: K=

Vdm Ve

(4)

Untuk mendapatkan harga K yang akurat, dalam pengujian ini harus dilakukan variasi laju aliran udara dengan mengubah pembukaan katup geser di sisi keluaran 74

SUS. Dengan demikian terdapat sebanyak n variasi yang dilakukan untuk harga K tersebut. Faktor kalibrasi K yang digunakan adalah harga rata-ratanya yang diperoleh dari persamaan berikut:

∑ =

n

Km

i=1

Ki

n

(5)

Kecepatan Udara Setelah Kalibrasi

Kecepatan udara yang telah dikalibrasi dapat ditentukan setelah faktor kalibrasi diketahui. Besarnya kecepatan adalah: V = K m .Vdm di mana:

V

=

Km Vdm

= =

(6) kecepatan udara yang telah dikalibrasi untuk suatu bukaan katup plat geser tertentu faktor kalibrasi kecepatan aliran udara pada saluran udara untuk suatu pembukaan katup plat geser

Laju Aliran Massa Udara

Laju aliran massa udara dapat ditentukan setelah kecepatan udara yang dikalibrasi diperoleh dari pengukuran dan perhitungan sebelumnya. Dalam psikometri, udara dibedakan atas dua pengertian yaitu: - udara basah (udara yang masih mengandung uap air) - udara kering (udara yang tidak mengandung uap air) Laju aliran massa udara yang akan ditentukan adalah laju aliran massa udara kering. Untuk itu sebelum menentukan laju aliran massa udara terlebih dahulu harus tahu besar rapat massa udara kering yang melewati SUS tersebut. Pada tekanan rendah, hubungan sifat udara dapat didekati dengan persamaan gas ideal, sehingga diperoleh: ρ = ρo .

Ps 293 . 101325 Ta

(7)

Dengan ρ = massa jenis udara pada kondisi yang bersangkutan ρo = massa jenis udara pada kondisi standard (1 atm, 20 0C) = 1,22 kg/m3 Ps = tekanan statis uara kering )N/m2) Ta = temperatur mutlak udara kering

75

Pendingin

Pelembab

Pemanas

Pelat gesek

Motor

Kipas Termometer dan Pitot

Termometer

BK/BB

1

Termometer

BK/BK

2

BK/BB

3

... Unit pendingin

Botol pemanas

Kereta dorong

Terminal daya

Gambar 1 Sketsa Peralatan Uji

Besarnya laju aliran massa udara dapat dievaluasi dengan persamaan berikut: & = ρ.A.V m di mana:

ρ A

= =

(8) massa jenis udara [kg/m3] luas penampang saluran [m2]. Luas penampang perangkat pengujian yang ada di Laboratorium A = 300 x 150 mm2

Proses Perlakuan Udara

Dalam sistem pengkondisian/penyegaran udara, ada berbagai proses untuk mendapatkan kondisi udara yang diinginkan seperti kenyamanan, ataupun proses untuk industri. Proses yang dipilih tergantung dari kondisi tempat sistem diterapkan dan juga pertimbangan tekno ekonomi. Proses pemanasan dan pendinginan dapat dijabarkan pada diagram psikometrik berikut:

76

PW

h1

h2 h3 2a

TBB

2b

1

2

3

TBK Gambar 2 Proses pemanas dan pendingin pada diagram psikometrik

1-2 2-3 1-2a 2a-2b 2b-2 udara

: Proses pendinginan dan terjadi pengurangan kelembaban : Proses pemanasan : Proses pendinginan dan belum terjadi kondensasi : Proses pedinginan pada saat terjadi kondensasi : Proses pencampuran antara udara yang telah mengalami kondensasi dan yang tidak didinginkan.

Pada pengujian yang akan dilakukan ini akan dipelajari tentang proses pemanasan dan pendinginan Proses Pemanasan dan Pendinginan

Selama proses pemanasan dan pendinginan, kalor yang diterima dan diberikan akan sama dengan :

& .(h i − h o ) Q=m

(9)

Dengan hi dan ho merupakan entalpi udara kering pada saat masuk dan keluar. Nilai Q akan berharga positif jika udara menerima kalor dan sebaliknya berharga negatif jika udara memberikan kalor.

77

IV.

Cara Menjalankan Mesin

Sebelum menjalankan mesin, terlebih dahulu perlu diperhatikan air dalam botol (di atas pelembab harus penuh), bila kosong akan menyebabkan heater dari pelembab terbakar. Setelah itu lakukan langkah-langkah berikut secara berturut-turut: 1. Pasang manometer pada bagian masuk mesin dan set nol 2. Pasang manometer pada tabung pitot dan set nol 3. Pasang termometer bola kering dan termometer bola basah pada stasiun sebelum dan sesudah pendinginan langsung 4. Pasang termometer bola kering pada stasiun sesudah pemanas listrik 5. Hubungkan terminal daya dengan jala-jala 6. Terminal daya pada posisi “on” 7. Atur posisi pelat geser 8. Masukkan ujung terminal daya kipas dan unit pendingin pada terminal daya (2 fasa) 9. Masukkan ujung terminal pemanas ulang pada terminal pemanas 10. Tekan tombol kipas 11. Tunggu 5 menit lalu lakukan pengukuran V.

Pengolahan dan Perhitungan

Sesuai dengan tujuan pengujian ini, dalam pengolahan data hasil pengujian dilakukan berbagai perhitungan sehingga akhirnya dapat dilihat suatu fenomena ataupun karakteristik lainnya. -

Hitung harga K rata-rata Hitunglah laju aliran massa alir udara Lakukan perhitungan neraca energi pada pendingin langsung Lakukan perhitungan neraca energi pada pemanas ulang

Semua perhitungan dan pengolahan data disajikan dalam bentuk laporan. Laporan disusun sesuai dengan aturan penulisan ilmiah.

78

MODUL 13. Percobaan Entalpi dan Kualitas Uap Air (Pengujian Kondisi Termodinamika Pada Daerah Campuran) I.

Tujuan Percobaan

Mahasiswa mengerti dan dapat melakukan pengukuran: • Enthalpi uap • Enthalpi campuran uap-cairan • Derajat kekeringan uap-cairan II.

Cara Kerja

Suatu sifat termodinamika setiap gas dapat dicari bila dua buah sifat yang lain dan saling tidak bergantungan diketahui terlebih dahulu. Sifat-sifat yang dapat diukur secara langsung di laboratorium adalah: massa, volume, temperatur, dan tekanan. Entalpi uap dapat diketahui dengan memanfaatkan suatu hubungan tingkat keadaan. Dua buah sifat lain yang dapat diukur secara langsung yaitu tekanan dan temperatur. Hubungan tingkat keadaan tersebut sudah tersedia dalam tabel dengan ketelitian yang dapat dipertanggungjawabkan. Entalpi uap (panas lanjut) sebagai fungsi tekanan dan temperatur dinyatakan dengan tabel uap panas lanjut (superheated steam). Contoh sebagian kecil dari tabel uap panas lanjut adalah seperti terlihat pada tabel 1. Tampak bahwa pada tekanan 0,50 MPa, temperatur jenuhnya 151,86 oC, entalpi uap jenuhnya 2748,7 kJ/kg, dan volume spesifik uap jenuhnya adalah 0,3749 m3/kg. Untuk daerah campuran uap-air, kualitas uap (x) dapat dinyatakan dengan: x=

mu mu + m w

Bila x telah diketahui, maka entalpi uap campuran dapat dihitung sebesar: h = (1 − x )h f + x.h g = h f + x.h g

Untuk menentukan nilai x, pada percobaan ini dilakukan dengan melakukan proses cekik (throttling) dan pemisahan. Proses cekik (throttling) adalah suatu proses dengan cara melewatkan uap melalui saluran sempit. Setelah melalui saluran sempit, yaitu bila pencekikannya cukup memadai, uap campuran tersebut dapat menjadi panas lanjut.

79

V1 h1 p1 T1

V2 h2 p2 T2

Gambar 1 Skema Saluran Cekik

Bila 1 dan 2 masing-masing melambangkan keadaan sisi masuk dan sisi keluar celah sempit, maka : h1 + V12/2 + g.z1 = h2 + V2/2 + g.z2 z1 ≈ z2

dan

V1 ≈ V2 , maka:

h1 ≈ h2

Jadi pada proses cekik, entalpi uap campuran pada sisi masuk dan entalpi uap superheated pada sisi keluar saluran harganya tetap sama. Tetapi pada proses tersebut, tekanan dan temperatur harganya akan turun. Kegunaan proses cekik pada percobaan ini adalah agar harga entalpi campuran dapat diketahui, yaitu sama dengan entalpi yang diukur setelah campuran tersebut dijadikan uap superheated. III.

Instalasi Pengujian

Untuk pengujian kondisi termodinamika pada daerah campuran ini, hanya digunakan pembangkit uap dan kalorimeter. Peralatan-peralatan lain tidak digunakan atau hanya sebagai penunjang. Instalasi keseluruhan dijelaskan pada skema gambar 2. Proses cekik (throttling) yang terjadi dijelaskan pada gambar 3. Spesifikasi Alat:

Pembangkit Uap: Pembuat Seri Model Tekanan Laju pembangkit uap Jenis Diameter luar Tinggi Kalorimeter

: : : : : : : : :

Fulton Boiler Work, Ltd B 2196 10 E 150 psig 350 lb/h Drum Ganda 28 in. 67 in. Wards Patent, Ltd

80

81

82

IV.

Kalorimeter Pisah dan Cekik

Sebelum menjalankan kalorimeter, pembangkit uap harus dijalankan terlebih dahulu. Cara menjalankan dapat dilihat pada bagian V. Kalorimeter pisah dan cekik (‘separating and throttling calorimeter’) dimaksudkan untuk mencari entalpi uap basah yang keluar dari pembangkit uap (lihat gambar 2) Kalorimeter pisah

Fungsi dari kalorimeter pisah adalah untuk mengeluarkan sebagian air dari campuran uap dan cairan sehingga uap campuran yang akan memasuki kalorimeter cekik memiliki nilai kualitas uap yang lebih tinggi sehingga kemungkinan uap yang akan keluar dari kalorimeter cekik akan berada pada fasa superheated. Bila Mwp adalah jumlah massa air yang dapat dipisahkan pada kalorimeter pisah, maka jumlah uap campuran adalah: MB = (MW + MU) - MWP sehingga kualitas uap pada campuran yang keluar dari kalorimeter pisah adalah: xP =

(MW + MU ) − MWP Mw + Mu

Prinsip kerja dari alat ini adalah uap yang dilewatkan pada pelat-pelat, jika mengandung air maka akan terpisah ke bawah sebagai akibat gravitasi. Uap yang berfasa gas akan memiliki energi yang lebih tinggi sehingga dapat melewati pelatpelat penghalang dan akan terpisah ke atas. Kalorimeter Cekik

Fungsi dari kalorimeter cekik adalah agar uap campuran berubah menjadi uap superheated, sehingga dapat dicari entalpinya hanya dengan menggunakan data temperatur dan tekanan, sebab pada bagian superheated temperatur dan tekanan merupakan sifat independen. Pada kalorimeter cekik, uap campuran dilewatkan saluran sempit sehingga terjadi proses throttling Pada -

proses cekik terjadi: perubahan entalpi = 0 penurunan tekanan penurunan temperatur

Entalpi di tingkat keadaan B dapat dicari karena pada tingkat keadaan tersebut campuran uap telah menjadi uap panas lanjut.

83

Dengan mengukur PB dan TB, entalpi di B dapat dicari dengan tabel, grafik, atau perhitungan. Dengan demikian, entalpi di tingkat keadaan A diketahui. Kualitas uap pada tingkat keadaan A dapat dicari dengan: h A = h f + x C ⋅ h fg xC =

hA − hf h − hf = B h fg h fg

h (kJ/kg) PA TA

hg A

x=0

B

PB TB

1 hf

x=1 xA s (kJ/kg K) Gambar 3 Proses Cekik

Kalorimeter Gabungan Pisah dan Cekik

Pada percobaan kali ini, kalorimeter pisah dan kalorimeter cekik dipasang secara seri agar didapat uap superheated sepenuhnya. Kualitas uap campuran yang didapat setelah keluar dari gabungan kalorimeter ini adalah : x= = =

MU MW + MU

(MW + MU ) − MWP − (1 − x C )MB MW + MU

(MW + MU ) − MWP − (1 − x C )((MW + MU ) − MWP ) MW + MU x (M + MU − M WP ) = C W M W + MU

x = x C ⋅ xP Uap setelah melewati katup cekik akan dikondensasikan di dalam condenser untuk diukur volume/massa uapnya.

84

V.

Prosedur Percobaan

1. Menjalankan Kalorimeter a. Pemanasan mula

Sebelum dijalankan, kalorimeter harus dipanaskan (preheat) secara perlahanlahan, sehingga tak akan terjadi keretakan-keretakan, dengan cara : 1) Buka katup air pendingin K28 pelan-pelan, usahakan jangan sampai tumpah di orifice kondensor 2) Buka katup K13, K14, KA dan KB 3) Buka katup K12 dengan pembukaan yang kecil sehingga terjadi pemanasan pelan-pelan 4) Buka sedikit katup KC pelan-pelan 5) Buka sedikit katup KD pelan-pelan 6) Tunggu sampai semua bagian kalorimeter menjadi hangat 7) Tutup katup K12 b. Menjalankan Kalorimeter

1) 2) 3) 4)

Tutup katup K12 dan K13 Jalankan pembangkit uap Jalankan turbin uap tanpa alat pemanas lanjut Buka katup K28 sehingga air pendingin dapat berfungsi. Atur pembukaan katup hingga air tidak tumpah 5) Tutup semua katup (4 buah) pada sistem pemipaan kalorimeter. 6) Tutup katup pembuangan KA kalorimeter pisah 7) Buka katup pembuangan K14 dan K19 8) Buka katup K12 sangat pelan-pelan sehingga tidak terjadi keretakan termal (thermal crack) dan sampai terbuka penuh 9) Buka katup K13 dengan sangat pelan-pelan sampai terbuka penuh. Pada saat berfungsi, katup K13 ini harus terbuka penuh. 10)Buka katup masuk kalorimeter pisah KB pelan-pelan 11)Buka katup masuk kalorimeter pisah KC pelan-pelan 12)Buka katup cekik KD pelan-pelan sampai tekanan dan temperatur yang dikehendaki. Hati-hati jangan sampai menumpahkan air raksa pada pengukuran tekanan ini. c. Pengukuran Kalorimeter

Besaran-besaran yang harus diukur atau diamati dicantumkan pada tabel d. Menghentikan Kalorimeter

1) 2) 3) 4) 5)

Tutup katup K12 Buka katup K14 sampai terbuka penuh Matikan pembangkit uap Bila temperatur sudah dingin, buka semua katup kecuali katup K12 Tutup katup K28

85

Besaran

Satuan

Simbol

bar

MAN 1

Tekanan awal

Temperatur awal

o

C

TH 1

Air pengembunan pada kalorimeter pisah

cc

PENG VOL 1

mmHg

MAN 2

Tekanan sesudah Kalorimeter Cekik Temperatur sesudah katup Cekik

o

C

TH 2

Air Pengembunan sesudah Kalorimeter Cekik

cc

PENG VOL 2

Temperatur air pengembunan sesudah Kal. Cekik

o

C

TH 3

Temperatur air pendingin masuk

o

C

TH 4

Tempratur air pendingin keluar

o

C

TH 5

Pengukuran

2. Cara Menjalankan Pembangkit Uap a. Cara menghidupkan pembangkit uap

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Periksa jumlah air dan bahan bakar, apakah cukup Buka katup 37 dan tunggu sampai impeler pompa pengisi air terendam air. Buka katup-katup: 1, 6, 11, 29 Tutup katup-katup: 2, 3, 12, 7, 8, 10 Buka katup 54 dan 55 Buka keran uap dan katup air pada kaca penduga dan tutup keran pembuangannya. 7) Tutup katup untuk kolom air, no 56 8) Tutup keran 57 dan 58 9) Tutup katup pembuangan no 48 10) Tutup katup aliran minyak no 32 11) Buka katup pengukur tekanan uap

86

12) Putar handel listrik pada posisi “ON”, pompa pengisi air akan jalan dan kemudian akan berhenti dengan sendirinya bila air dalam pembangkit sudah cukup 13) Bila pompa telah berhenti, buka panel pengontrol dan tekan tombol pemrograman burner, kemudian tutup kembali 14) Tekan tombol hijau yang terletak disisi kotak panel pengontrol. Kipas jalan dan mati lagi. Tunggu 1 menit, kemudian tekan tombol hijau lagi, hingga kipas akan jalan dan berhenti lagi. Hal ini dimaksudkan untuk membuang gas-gas di dalam ruang bakar sehingga tidak terjadi pembakaran yang tiba-tiba. 15) Buka katup aliran minyak no 32 dan yakinkan bahwa katup no 31 dalam kedudukan terbuka 16) Tekan tombol hijau lagi sehingga terjadi pembakaran 17) Bila pembakaran tidak berlangsung pada penekanan pertama, hal ini berarti pemrogram tidak berfungsi. Untuk itu, buka tutup panel pengontrol lagi, kemudian tekan tombol pemrogram, tutup lagi dan tekan tombol hijau pada sisi kotak 18) Pembangkit uap akan bekerja setelah 15 detik. Pembangkit uap akan bekerja terus sampai tingkat keadaan termodinamik yang diinginkan tercapai dan akan berhenti dengan sendirinya. Bila tekanan turun dan/atau permukaan air turun mencapai batas tertentu, pembangkit uap akan bekerja lagi. Tekanan dan rentang operasinya dapat ditetapkan. 19) Setelah pembangkit uap beroperasi, tutup sebagian katup no 6 dan 10, sehingga uap tidak terlalu banyak terbuang sebelum turbin dijalankan b. Cara menghentikan pembangkit uap

1) 2) 3) 4) 5)

Putar handel listrik pada kedudukan “OFF” Tutup katup no 1 (terletak di atas pembangkit uap) Tutup katup aliran minyak Tutup katup pengisian air no 37 Buka katup 6 dan 10 juga katup-katup pembuangan sehingga tak ada air hasil pengembunan yang terjebak Katup no 1 sama sekali tak boleh dibuka untuk memperlambat laju pendinginan pembangkit uap

87

Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin. Disusun oleh: Ignatius Pulung Nurprasetio Nathanael Panagung Tandian

Recommend Documents