KAJIAN TEORITIK DAN EXPERIMENTAL FRICTION FACTOR PADA PIPA GALVANISH DENGAN ALIRAN FLUIDA AIR PANAS

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

September 2014

KAJIAN TEORITIK DAN EXPERIMENTAL FRICTION FACTOR PADA PIPA GALVANISH DENGAN ALIRAN FLUIDA AIR PANAS Sutrisno Teknik Mesin, Universitas Nahdlatul Ulama E-mail : [email protected]

ABSTRAK Dimasyarakat kita banyak beredar jenis-jenis pipa yang terdiri dari berbagai macam ukuran, dari ukuran yang terkecil sampai ukuran yang paling besar. Tetapi dari semua jenis pipa tersebut memiliki nilai friction factor (kekasaran permukaan ) yang berbeda-beda. Untuk itu kami mencoba mengadakan penelitian tentang nilai friction factor pada pipa yang beredar dimasyarakat. Adapun pipa-pipa yang kami teliti adalah jenis pipa galvanish dimana ukurannya adalah ½ inci, ¾ inci, 1 inci. Metode penelitian yang digunakan adalah dengan pengambilan data dari percobaan, kemudian data tersebut diolah dengan menggunakan rumus yang ada. Setelah data diolah kemudian data ditabindankan dengan kenyaataan dilapangan dan ditampilkan dalam sebuah grafik. Dari hasil penelitian didapat bahwa Faktor Gesek untuk fluida dengan suhu 60 oC-800C, nilai kekasaran ( e ) untuk tiap-tiap titik pada permukaan pipa galvanish dengan diameter yang sama berbeda-beda, sehingga terjadinya perbedaan nilai koefisien friksi berdasarkan pengukuran dengan referensi.Adanya beberapa faktor dari luar yang menyebabkan terjadinya perubahan diameter pipa, seperti : kesalahan pada waktu proses pengerjaan dan akibat terjadinya benturan. Kata kunci : friction factor, pipa galvanish. PENDAHULUAN. Air merupakan salah satu jenis fluida yang sering kita gunakan didalam kehidupan sehari hari. Selain air jenis fluida yang lain yang ada dibumi adalah gas, minyak. Fluida adalah suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinyu apabila mengalami geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun. Dalam keadaan diam atau dalam keadaan keseimbangan, fluida tidak mampu menahan gaya geser yang bekerja Kajian Teoritik. . .

padanya,dan oleh sebab itu fluida mudah berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Gaya gesekan atau friksi adalah gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bergesekan dan arahnya berlawanan dengan arah gerak benda. Ketika sebuah benda bersentuhan dengan fluida, seperti zat cair atau gas, dan sebuah gaya dikerjakan pada salah satu dari keduanya (benda atau fluida), maka muncul gaya gesek yang menghambat gerakan. Contoh gesekan fluida antara lain terjadi ketika air 13

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

mengalir melalui pipa, sebuahpesawat terbang yang sedang terbang, dan pelumas yang melumasi bagian mesin yang bergerak. Dalam dunia industri khususnya dipabrik kita menemukan instalasi pipa-pipa yang bertujuan untuk mendistribusikan fluida cair kesuatu tampat. Misalnya sistem intstalasi pipa minyak pada PERTAMINA, instalasi pipa air PDAM. Fluida yang mengalair pada instalasi pipa sering mengalami banyak permasalahan diantaranya adalah: terjadinya gesekan antara fluida dengan dinding pipa sehingga menyebabkan kerugian/head losses pada fluida, selain itu terjadi turbulensi akibat gerakan relatif molekul yang dipengaruhi oleh viskositas fluida, dan juga sering terjadi penurunan tekanan. Atas dasar beberapa pertimbangan hal tersebut diatas, maka penelitian ini bertujuan untuk mengkaji nilai koefisien friksi yang mana berpengaruh pada gesekan fluida pada pipa galvanis dengan aliran air dengan suhu 60-80OC. analisa yang kami gunakan menggunakan kajian secara teoritik dan juga secara eksperimental kemudian dibandingkan hasilnya. DASAR TEORI Tinjauan Pustaka Helmizar (2010) melakukan penelitian mengenai pengukuran head losses mayor dan head losses minor pada pipa PVC dengan diameter ¾ inch, fluida yang digunakan adalah fluida air. Hasil dari peneltian tersebut adalah menunjukan nilai kekasaran relatif dari pipa PVC ¾” sebesar 0,000562, sedangkan nilai koefisien kerugian (K) pada belokan knee 90° berdiameter ¾” sebesar 0,297920611.

Kajian Teoritik. . .

September 2014

Kustanto dan Yunianto (2002), melakukan penelitian mengenai pengaruh variasi diameter pipa hisap PVC pada sistem perpipaan tunggal pipa sanyo. Fluida yang digunakan adalah air dan diameter pipa adalah 3/8, ½, ¾, 1, 1 1/3 inch. Hasil dari penelitian adalah semakin besar diameter pipa isap yang dipakai menjadikan debit aliran yang dihasilkan lebih banyak dan akan menurunkan faktor gesekan, sedangkan nilai kehilangan energi/kerugian head angkat dan kerugian head tekan pada aliran pipa tersebut akan mengalami penurunan, begitu sebaliknya. Pada diameter hisap terkecil 3/8’ menghasilkan debit 20m3/mnt dan kehilangan energi/kerugian head angkat ∆h 62.223m, head tekan ∆hp 609.165N/m2. Sedangkan pada diameter hisap terbesar 1.1/2’ menghasilkan debit 22m3/mnt dan kehilangan energi/kerugian head angkat ∆h 0.121m, head tekan ∆hp 1.182N/m2. Untuk lebih efektif dan efisien dalam penerapan sistem rangkaian pipa tunggal tersebut kita pakai diameter pipa hisap 3/4’, dikarenakan pada rangkaian pipa hisap tersebut telah dimulai kestabilan debit yang dihasilkan. Teori Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds merupakan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya viskos (Victor&Wyle,1988). Bilangan Reynolds dapat digunakan untuk menentukan suatu aliran laminar atau turbulen. Aliran laminar adalah aliran dimana partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus serta lancar. Sedangkan 14

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

aliran turbulen, partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang tidak teratur. Parameter yang digunakan adalah:

Re =

ρvd µ

dimana: ρ = massa jenis (kg/m3) v = kecepatan fluida dalam pipa (m/s) d = diameter pipa (m) µ = viskositas fluida (kg/m.s) Berikut kriteria aliran fluida dalam pipa:
Re =

ρvd <2300, aliran itu µ

biasanya laminar.
Re =

ρvd > 2300, aliran itu µ

biasanya turbulen Faktor gesek ( f )
Aliran laminar Pada aliran laminar pressure drop dapat dihitung secara analisa untuk aliran berkembang penuh pada pipa horizontal (Fox,1934).Aliran berkembang penuh terjadi apabila lapisan batas suatu aliran fluida didalam pipa pipa menuju ke satu titik.

128µLQ π .D 4 128µLV (πD 2 / 4) = π .D 4 L µV = 32 D D

September 2014

f la min ar =

64 Re


Aliran turbulen Head loss pada aliran turbulen tidak dapat dipecahkan seperti tersebut di atas. Pada aliran turbulen, pressure drop, factor gesek pada pipa horisontal berkembang penuh bergantung pada diameter pipa, kekasaran pipa, kecepatan rata-rata, massa jenis , dan viskositas

hl = f

L V2 D 2

untuk mengetahui head loss pada aliran berkembang penuh, bilangan Reynolds harus dihitung terlebih dahulu. Sedangkan harga e/D dan faktor gesek ditunjukkan pada diagram Moody. Untuk mengetahui head loss pada aliran berkembang penuh, bilangan Reynolds harus dihitung terlebih dahulu. Sedangkan harga e/D dan faktor gesek ditunjukkan pada diagram Moody Maka akan didapat nilai f untuk aliran laminar sebagai berikut :

hl = f

L V 2  64  L V 2 =  D 2  Re  D 2

∆p =

Untuk menghitung head loss menggunakan rumus:

f la min ar =

64 Re

e pipa. Untuk menghitung faktor d gesek dapat digunakan rumus eksplisit sebagai berikut:

2  64  L V hl =    Re  D 2

Kajian Teoritik. . .

15

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

September 2014

f =

1,325  e/ D ln +   3,7 

5,74   R 0,9 

2



Gambar 1 Diagram Moddy

III. METODE PENELITIAN Untuk memperoleh data –data data yang diinginkan kami membuat sebuah rangkaian alat uji. Dimana alat uji tersebut terdiri dari berbagai komponen yang terangkai. Adapun komponennya adalah : 3.1 Komponen Penelitian. 1. Orificemeter Orifice (pelat lubang ukur) bertepi siku di dalam pipa menyebabkan adanya kontraksi (penyempitan) jet di sebelah hilir lubang orifice . Berikut ini adalah gambar dari orifice :

Kajian Teoritik. . .

Gambar 2 orifice Fungsi utama orifice disini adalah sebagai alat yang digunakan untuk menghitung besarnya kecepatan suatu fluida yang mengalir didalam pipa. Berikut kontruksi orificemeter (pelat lubang ukur) yang penulis gunakan dalam pengujian :

16

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

September 2014

merupakan termokopel jenis T yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut ini : -Material kawat terdiri dari tembaga dan konstantan. -Suhu yang dapat dicapai antara –184,4oC sampai 371,1oC

Gambar 3 Kontruksi Orifice Hubungan rumus untuk ∆ h sebagai berikut: Dari hukum kontinuitas: Q = A1.V1 =A2.V2 Dari hukum Bernoulli di dapat:

p1 +

ρ .V12 2

= p2 +

ρ .V22 2

Jika A1 = A2, maka V1 = V2 Sehingga:

p1 − p 2 = ∆h ρ .g

4.Pipa Galvanish Pipa galvanish merupakan pipa besi yang menggunakan Aluminium sebagai lapisan luar untuk mencegah terjadinya karat. Pipa galvanish tersebut mempunyai angka kekasaran 0,0005 ft atau 0,15 mm 5.Display Termokopel Display termokopel berfungsi sebagai sarana pembaca suhu yang terhubung dengan termokopel. Display termokopel yang digunakan mempunyai kemampuan membaca angka digital sebanyak 3 angka.

Maka didapat:

Qideal =

A1 . A2 A12 − A22

. 2.g.∆h

2. Manometer U Manometer U merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengetahui besar perbedaan tekanan air yang mengalir didalam orifice melalui beda ketinggian ( ∆h ). 3.Termokopel Termokopel merupakan suatu metode listrik yang paling umum digunakan untuk pengukuran suhu. Jenis termokopel ada 3 yaitu : termokopel jenis J, termokopel jenis K, dan termokopel jenis T. Termokopel yang digunakan disini Kajian Teoritik. . .

6 Heater atau pemanas Heater yang penulis gunakan disini mempunyai daya 1500 watt. Fungsi utama heater untuk memanaskan air di dalam penampung sesuai dengan suhu yang diinginkan. 7 Pompa air Fungsi utama pompa disini untuk mensirkulasikan aliran air dari penampung dan akan kembali ke penampung lagi melalui pipa. 8.Termokontrol Termokontrol merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengatur suhu air didalam bak penampung sesuai dengan yang 17

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

kita inginkan. Termokontrol tersebut dihubungkan dengan heater. Apabila suhu yang dinginkan pada penampung air tercapai maka kerja heater di dalam penampung akan berhenti secara otomatis dan apabila suhu air yang diinginkan mulai turun maka heater akan bekerja kembali secara otomatis.

September 2014

9.Asbes Asbes merupakan salah satu jenis isolator yang berfungsi untuk mengurangi laju perpindahan panas fluida di dalam pipa ke udara luar. Asbes tersebut diletakkan sebelum dan sesudah pipa uji agar suhu dari penampung ke pipa uji tidak banyak berkurang.

Gambar 4 rangkaian alat uji HASIL DAN PEMBAHASAN Dari data yang didapat kemudian diolah dengan menggunakan rumus

Bukaan 1 2 3 4 5 6

Tdd1 ( 0C) 72.6 73.8 74.3 73.4 73.3 73.9

Kajian Teoritik. . .

yang digunakan. Adapun data yang didapat dibuat tabel seperti dibawah ini :

Tabel 1. data hasil pengujian rata – rata Tdl1 Tdd1 Tdl2 dh orifis ( 0C) ( 0C) ( 0C) (m) 61.4 68.4 56.4 0.548 61.0 69.8 55.3 1.008 64.0 70.0 57.1 1.118 62.3 69.1 56.1 1.180 62.9 68.9 57.0 1.208 61.5 69.7 52.5 1.220

dh friksi (m) 0.013 0.017 0.016 0.012 0.019 0.010

TwB ( 0C) 32 32 32 32 32 32

18

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

Analisa Perhitungan Faktor Gesek (friction factor). Pada pipa berdiameter 0,0254 (1 inch) untuk data bukaan 1 suhu 70oC – 80oC diperoleh data sebagai berikut : Tf1 (suhu fluida pada sesi 1) :72,640C Tdl1 (suhu dinding luar pipa pada sesi 1) : 61,400 C Tf2 (suhu fluida pada sesi 2) : 68,400C. Tdl2 (suhu dinding luar pipa pada sesi 2) : 56,400C. ∆horifis(pada manometer orifis): 0,584 m. ∆hfriksi (pada manometer friksi) : 0,009m. TdB (suhu bola kering) : 320C. TwB (suhu bola basah) : 26,500C Persamaan Bernoulli : 2

p1 V1 + + z1 = ρ . g 2. g 2

p 2 V2 + + z 2 + hl1− 2 ρ . g 2. g Berdasarkan hukum kontinuitas :

ρ 1V1 A1 = ρ 2V2 A2 Karena A1 = A2 dan ρ 1 = ρ 2 maka didapat :

V1 = V2 Dengan mensubstitusikan persamaan diatas maka : 2

p1 V1 + + z1 = ρ . g 2. g 2

p 2 V2 + + z 2 + hl1− 2 ρ . g 2. g p1 + z1 = ρ .g p2 + z 2 + hl1− 2 ρ .g Karena harga z1 = z 2 Kajian Teoritik. . .

September 2014

p1 + z1 = ρ .g p2 + z 2 + hl1− 2 ρ .g p1 p = 2 + hl1− 2 ρ .g ρ .g Persamaan tersebut dapat disederhanakan lagi menjadi :

p1 p − 2 ρ .g ρ .g p − p2 hl1− 2 = 1 ρ .g ∆p hl1− 2 = ρ .g Untuk mendapatkan ∆p : p1 − p2 = +(ρH2O.g.(h1)) −((ρudara.g.(h2 )) −((ρH2O.g.(h3)) hl1− 2 =

[(

)

(

)]

p1 − p2 = g + ρH2O.(h1) − ((ρudara.(h2 )) − ρH2O.(h3 )

[(

]

)

p1 − p2 = g + ρ H 2O .(h1 − h3 ) − (( ρ udara.(h2 ))

[(

]

)

p1 − p2 = g + ρH2O .(∆hfriksi) − ((ρudara.(∆hfriksi))

Interpolasi ρ udara pada suhu 32 oC adalah 1,1595 kg/m3 Interpolasi pada Tf1 = 72,64 oC didapat harga : ρ = 976,353 kg/m3 µ = 3,93 . 10-4 kg/ms Sedangkan harga ∆p p1 − p2 = 9,81[+ (976,353.(0,0093)) − ((1,1595.(0,0093))]

p1 − p 2 = 9,81[9.0985] p1 − p 2 = 89.29 N/m2 Pada ∆horifis = 0,548 m, didapat harga v = 0,3629 m/s

19

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

Sedangkan diameter aktual pipa 1 inch di lapangan : - dimameter dalam : 2,93 cm - diameter luar : 3,26 cm Bilangan Reynold untuk kasus di atas :

-

Re =

ρvd µ

Re =

976,4.0,3629.0,0293 3,93.10 − 4

Re = 26388,9 Harga Bilangan Reynold di atas menunjukkan bahwa aliran fluida yang terjadi merupakan aliran turbulen. Karena aliran turbulen maka harga faktor gesek : pengukuran

hl 1− 2 = f

L V2 D 2.g

Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka didapat :

L V2 ∆p f = hl1− 2 = D 2g ρ .g ∆p D 2.g f = . . ρ .g L V 2 89.29 0,0293 2.9,81 f = . . 976,353.9,81 1,5 0,3629 2 f = 0,027

Kajian Teoritik. . .

September 2014

Harga koefisien berdasarkan referensi Untuk menentukan harga dari koefisien friksi berdasarkan dari referensi dapat dicari dengan rumus sebagai berikut : Dari referensi untuk harga e ( kekasaran relatif ) pipa galvanish adalah 0,15 mm.Maka faktor geseknya adalah :

1,325

f =

 e/ D ln +   3,7 

5,74   R 0,9 

2



maka harga koefisien friksi berdasarkan referensi untuk pipa dengan diameter 0,0254 m (1 inch) untuk panjang pipa uji 150 cm :

1,325

f =

  0,15 / 2,93  5,74  ln + 0 , 9   3,7   26388,9 

f = 0,034 Kemudian dengan perhitungan seperti fiatas maka dapat dibuat grafik untuk masing-masing diameter pipa uji.

20

2

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

September 2014

DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.0254 M (1 INCH) 0.060

0.050

0.040

f pengukuran 0.030

f ( ref 10 ) 0.020

0.010 1000

10000

100000

1000000

10000000

Re

Gambar 5 grafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,0254 m

DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.01905 M (0.75 INCH) 0.060

0.050

0.040 f pengukuran

f ( ref 10 )

0.030

0.020

0.010 1000

10000

100000

1000000

10000000

Re

Gambar 6 grafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,01905 m

Kajian Teoritik. . .

21

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

September 2014

DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.0127 M (0.5 INCH) 0.060

0.050

0.040

f pengukuran 0.030 f ( ref 10 )

0.020

0.010 1000

10000

100000

1000000

10000000

Re

Gambar 7 grafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,0127 m Pada hasil perhitungan koefisien friksi dan dari gambar grafik diagram Moody akan didapat, perbedaan nilai koefisien gesek secara perhitungan dan berdasarkan referensi Dari diagram moody pada pipa 1 inch dan pipa 0,5 inch nilai koefisien gesek untuk perhitungan berbeda dengan nilai koefisien gesek berdasarkan referensi.  Pada grafik untuk pipa 1 inch dapat kita lihat bahwa : Dari pembacaan tabel Moody untuk pipa 1 inch berdasarkan percobaan maka didapat harga

ε

d

≈ 0,008 . Maka harga untuk

ε



berdasarkan perhitungan untuk pipa 1 inch = 0,008 x 29,3 = 0,234 mm. Pada pipa 1 inch berdasarkan referensi harga ε (kekasaran permukaan) pipa galvanish sebesar = 0,15 mm Demikian juga untuk pipa 0,5 inch berdasarkan pembacaan tabel Moody untuk pipa 0,5 inch, harga ε

Kajian Teoritik. . .

d

≈ 0,002 . Maka

herga berdasarkan ε perhitungan sebesar = 0,002 x 16,9 = 0,034 mm. Hal tersebut diatas berbeda dengan harga ε berdasarkan referensi, karena : • Pada waktu proses pengerjaan untuk memperoleh diameter yang sama setiap panjang pipa membutuhkan ketelitian yang tinggi, yang tidak menutup kemungkinan terjadinya kesalahan pada waktu proses pengerjaan tersebut. • Adanya benturan yang terjadi pada pipa yang mengakibatkan terjadinya lekukan pada titik yang terkena benturan tersebut. Hal tersebut menyebabkab diameter pipa setiap panjang yang sama berbeda-beda. • Kekasaran dari permukaan pipa galvanish yang digunakan berbeda-beda untuk tiap permukaan pipa. 22

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2

KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah penulis lakukan, melalui data perhitungan dan data grafik yang ada dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : Untuk fluida dengan suhu 700C-800C dapat kita simpulkan untuk koefisien friksi sebagai berikut: 1. Nilai kekasaran ( e ) untuk tiaptiap titik pada permukaan pipa galvanish dengan diameter yang sama berbeda-beda, sehingga terjadinya perbedaan nilai koefisien friksi berdasarkan pengukuran dengan referensi. 2. Adanya beberapa faktor dari luar yang menyebabkan terjadinya perubahan diameter pipa, seperti : kesalahan pada waktu proses pengerjaan dan akibat terjadinya benturan.

DAFTAR PUSTAKA Bambang Y, 1998, Perpindahan Panas (Konduksi Stedi dan Tak Stedi Serta Radiasi Termal), Teknik Mesin fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang. Helmizer, 2010, “Studi Eksperimental Pengukuran Head Losses Mayor (Pipa Pvc Diameter ¾ ”) Dan Head Losses Minor (Belokan Knee 90° Diameter ¾”) pada sistem instalasi pipa”, Dinamika, Jurnal ilmiah Teknik Mesin Vol 1 No 2. Holman J.P, 1984, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Diterjemahkan oleh Ir. E. Jasjfi MSc, Penerbit Erlangga. Kustanto, H. Yunianto, J.P, 2002, Pengaruh Variasi “Kajian Diameter Pipa Hisap Pvc Pada Kajian Teoritik. . .

September 2014

Sistem Perpipaan Tunggal Pompa Sanyo”, Jurnal Teknik edisi 8. Kern D. Q, 1986, Process Heat Transfer, International Student Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Reynolds C William, Perkins Henry C, 1993, Termodinamika Teknik, Diterjemahkan oleh Ir. Kusnul Hadi, Penerbit Erlangga, Jakarta. Robert l. Daughterty, A. B, M. E. Joseph B. Franzini, Ph. D., E John Finnemore, Ph. D., 1985, Fluid Mechanics With Engineering Applications, Eight Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Robert W. Fox, AlanT. McDonald, 1975, Introduction to Fluid Mechanics, Third Edition, John Wiley and, sons, New Tork – Chichester – Brisbane – Toronto – Singapore. Warner F. Cecil, 1985, Dasar-Dasar Thermodinamika untuk Insinyur, Alih Bahasa Ir. Moedjijarto Pratomo, Msc, Penerbit PN Balai Pustaka. William C. Reynold, . Henry C Perkine, 1991, Termodinamika Teknik, Alih Bahasa: Dr Ir. Filino Harahap, M. Sc, Penerbit Erlangga, Jakarta

23