i PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET Saat ini begitu banyak perusahaan teknologi dalam pembuatan satu barang. Salah satunya adalah alat penyemprotan nyamuk. Alat penyemprotan nyamuk ini terdiri dari beberapa komponen yang terdiri dari pompa, tabung, pipa keluar (nozel) dan pipa hisap. Sedangkan fluida yang digunakan adalah unsur kimia. Jika pada alat ini diameter pipa keluar (nozel) divariasikan maka hasil penyemprotan pada jaraknyapun bervariasi. Salah satu contohnya jika alat ini digunakan dengan fluida air biasa, maka yang akan berubah adalah debit udara dan tinggi tekan udara. Pada penelitian ini hasil debit udara adalah jika jarak semakin menjauh, maka debit udara semakin kecil dan tinggi tekannyapun juga semakin kecil. Contohnya jika jarak 0,005 m pada tekanan 40 bar maka debit udara yang dihasilkan sebesar 0,00515 m3/det dan tinggi tekan sebesar 1,1428571 meter kolom udara. Batasan Masalah Untuk lebih terarahnya penelitian ini dan memberikan hasil yang sesuai dengan tujuan penulisan, maka dilakukan pembatasan masalah. Tujuan Penulisan Tujuan penelitian dilakukan adalah :
yang
Mengetahui pengaruh perbandingan diameter pipa keluar (nozel) terhadap debit aliran, bila kecepatan udara konstan.
Prinsip Kerja Alat Penyemprot Nyamuk Sistem kerja alat penyemprot nyamuk ini bekerja memanfaatkan dua jenis fluida yaitu fluida gas sebagai fluida penggerak dan fluida cair sebagai fluida hisap. Adapun lubang nozel yang jauh lebih kecil dari besarnya luas penampang silinder dengan tujuan agar kecepatan aliran fluida primer yang melaluinya akan meningkat. Hal ini akan menyebabkan terciptanya daerah bertekanan rendah disekitar lubang nozel dimana semakin jauh perubahan jarak, besarnya kecepatan aliran fluida primer akan berkurang. Gaya hisap yang mengakibatkan cairan terhisap melalui pipa hisap disebabkan oleh perbedaan tekanan antara pipa hisap dengan tekanan pada permukaan cairan (tekanan atmosfir). Gaya hisap ini dipengaruhi oleh besarnya perbedaan tekanan yang terjadi dan besarnya luas permukaan lubang pipa hisap. Fluida primer yang keluar dari nozel memiliki kecepatan tertentu sehingga menghasilkan momentum yang berdasarkan hukum kekekalan momentum besarnya akan konstan untuk setiap jarak terhadap nozel, karena kecepatan fluida primer semakin menurun seiring dengan pertambahan jarak dengan nozel, maka dari itu momentumnya dipertahankan dengan terhisapnya sejumlah massa fluida sekunder. Transfer momentum yang terjadi dari fluida primer ke fluida sekunder mengakibatkan terhisapnya sejumlah massa fluida sekunder yang dikeluarkan dengan kecepatan
ii PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET tertentu yang jumlahnya sesuai dengan hukum kekekalan massa per satuan waktu.
dihasilkan oleh pompa dan required head (Hreq) yaitu yang diperlukan oleh sistem.
Suatu gerakan fluida yang bersumber dari energi kinetik dinamakan jet. Jet tersebut momentum utamanya adalah berasal dari perbedaan tekanan pada saat keluar dari nozel. Sedangkan jet turbulen bebas bulat adalah jet yang alirannya bersifat turbulen dan tidak dipengaruhi oleh batas yang tetap, yang dihasilkan oleh nozel berbentuk lingkaran.
Head dari pompa (Hpump) adalah perbedaan tekanan (yang dinyatakan dalam tinggi kolom zat cair) yang terdapat antara inlet dan outletnya. Bagi pompa, head juga merupakan kerja yang diberikan kepada cairan per satuan berat kg.m/kg = m. Hal ini juga berlaku untuk gas. Head dari sistem (Hreq) ialah perbedaan tekanan yang diperlukan untuk memindahkan cairan
Pengukuran Fluida Tinggi Tekan Udara Dalam pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gelombang kejut, gradien kerapatan, turbulensi dan viskositas terdapat banyak cara, misalnya: langsung, tak langsung, gravimetrik, volumetrik, elektronik, elektromagnetik, dan optik. Pengukuran debit secara langsung terdiri dari atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui suatu penampang dalam suatu selang waktu tertentu. Metode tak langsung bagi pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi tekan, perbedaan tekanan, atau kecepatan di beberapa titik pada suatu penampang. Dengan besaran-besaran ini. Head (H) Head yaitu tekanan yang dinyatakan dalam tinggi kolom zat cair. Pada head satuannya adalah satuan panjang (meter). Dalam suatu instalasi dapat dibedakan antara available head (Hpump) yaitu yang
Perhitungan Tinggi Tekan Udara (Hmasuk dan Hkeluar) Pada Kompresor Untuk mengetahui perbedaan tinggi tekan udara pada kompresor maka dapat dicari dengan persamaan: H=
P Q.g (
m (kolom udara)) ( 2-2) Dimana : Q=
P Ri.T (kg/m3)
Dengan : H = perbedaan tinggi tekan udara pada
iii
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET kompresor (m (kolom udara)) P = tekanan kompresor (bar)
pada
Q = kerapatan gas (kg/m3) Ri
= konstruksi gas spesifik untuk udara (Ri = 287 J/kg.K atau 287 Nm/kg.K)
T = temperatur absolut dari gas (oK) g = percepatan gravitasi (m/dtk2)
2.6. Teori Momentum [3] Dalam menganalisa karakteristik hasil semprotan diperlukan dasar teori mengenai tekanan, gaya dan kecepatan fluida yang bergerak. Analisa teoritis yang menjelaskan antara gaya, tekanan dan kecepatan dalam fluida bergerak adalah berdasarkan hukum kedua Newton, persamaan hukum kedua Newton menyebutkan bahwa untuk suatu massa mengalami gaya F sebanding dengan percepatan pada arah gaya yang besarnya: F = m .a Dengan: F
= gaya (N)
m
= massa (kg)
a
= percepatan (m/dtk2)
Dikarenakan fluida yang kita gunakan bukan benda pejal, maka massa yang ada menjadi tidak begitu jelas untuk didefinisikan. Aliran fluida yang setiap partikelnya memiliki massa tetapi tidak dapat dihitung sebagai satu satuan luas benda yang mempunyai batas yang jelas. Aliran fluida tidak mempunyai batas yang jelas maka untuk itu dilakukan dua pendekatan yang sesuai dengan persamaan diatas. Pendekatan pertama dengan memperhatikan gaya-gaya yang bekerja pada batas kendali yang tetap dimana fluida mengalir dari dalam keluar. Pendekatan kedua gaya-gaya yang diperhatikan adalah gaya-gaya yang bekerja pada partikel fluida yang mengalir. Pendekatan pertama mengarah pada penurunan teori momentum dan pendekatan kedua mengarah pada persamaan Bernoulli.
Kapilaritas Tegangan permukaan menyebabkan naik turunnya cairan dalam lubang kapiler, hal ini juga tergantung pada besarnya kohesi relatif dan adhesi cairan kedinding wadah tempatnya. Jika adhesi lebih besar dari kohesi maka cairan akan naik dalam tabung yang dibasahinya, begitu pula sebaliknya jika kohesinya yang lebih besar dari adhesi maka cairan akan turun dalam tabung yang tak dibasahinya.
iv
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET Instalasi Alat Data – data teknis: • Diameter silinder ds : 0.0635 m • Diameter pipa keluar 1 dk : 0,005 m • Diameter pipa keluar 2 dk : 0,007 m • Diameter pipa hisap dp : 0.005 m • Panjang pipa keluar lk : 0.07 m • Panjang pipa hisap lp : 0.018 m • Tekanan udara (fluida primer) P : 40-60 bar Fluida primer Pipa keluar ►►►► Hasil semprotan Pipa hisap Silinder
Manometer Kompresor
Kapilaritas akan jadi sangat penting untuk tabung yang berdiameter lebih kecil dari 0,01m.
Prosedur Pengujian Sebelum dilakukan pengujian sebaiknya selalu dilakukan pengecekan pada alat yang akan diuji apakah alat tersebut dapat berfungsi
dengan baik atau tidak. Pengujian dapat dilakukan dengan menyemprotkan cairan (fluida) apakah keluar atau tidak berkali-kali sebelum pengambilan data dilakukan. Hal ini disebabkan karena tidak sempurnanya hembusan udara yang keluar dari dalam tabung angin melalui pipa kapiler tabung angin tersebut terhadap pipa kapiler yang ada pada tabung air. Adapun prosedur utama pada pengujian yang dilakukan penguji adalah : a. Mengoperasikan kompresor dan mengatur tekanannya sesuai dengan yang telah ditentukan. b. Mengatur waktu penyemprotan. c. Mengatur jarak penyemprotan. diameter d. Mengatur/mengubah pipa kapiler pada tabung udara sesuai dengan yang telah ditentukan. e. Menimbang hasil semprot alat uji dengan timbangan. f. Pengambilan data yang dilakukan dimulai dari tekanan pada kompresor yang terkecil.
Metode Pengambilan Data Metode Pengambilan data yang dilakukan pada pengujian alat ini ada beberapa pengambilan data, yaitu : a. Mengukur kecepatan udara yang dihasilkan oleh kompresor dengan menggunakan alat manometer. b. Menimbang hasil semprot dari alat tersebut untuk mendapatkan perhitungan debit air. Membandingkan hasil penyemprotan terhadap diameter pipa keluar yang berubah-ubah.
v
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET Perhitungan Debit Udara dan Cairan 2.g.( p ) ρ . g 1 .D A 2 / D A 1
Qth = A2
(
Hasil perbandingan terhadap debit
H=
)
Dimana :
nozel
Q=
= No
Tekanan (bar)
1
Diameter 0.007m Qudara (debit)
40
Diameter 0.005m Qudara (debit) 0,00724
2
45
0,00768
0,00908
3
50
0,00809
0,00957
4
55
0,00849
0,01004
5
60
0,00886
0,01049
0,008072
0,009548
Rata2 /dtk
0,01 a ir/Q u d a ra
Diameter 0.005m Qudara (debit)
0,006
40bar.100000( N / m 2 ) / bar 287 Nm / kg.K .300k
Maka :
0,00856
0,012
P Ri.T
= 46,4576074
H=
=
0,008
P Q.g
P Q.g
40bar.100000( N / m 2 ) / bar 46,4576074(kg / m3 ).9,81(m / det 2 )
= 8776,75841 m (kolom udara)
Diameter 0.007m Qudara (debit)
Q
0,004 0,002 0 40
45
50
55
60
tekanan (bar)
Perhitungan Tinggi Tekan Udara (H) Pada Kompresor Untuk mengetahui perbedaan tinggi tekan udara pada kompresor maka dapat dicari dengan persamaan 2.2: (Contoh perhitungan untuk tekanan kompresor 40 bar)
Pada tekanan 40 bar dan jarak 0,005-0.0025 m menghasilkan perbandingan debit sebesar 0,005150.00449 m3/dtk, untuk diameter pipa keluar (nozel) 0,005 m, sedangkan pada tekanan dan jarak yang sama perbandingan debit sebesar 0,004420.00325 m3/dtk untuk diameter pipa keluar (nozel) 0,007 m.
vi PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET Hasil perbandingan debit air/debit udara diameter pipa keluar (nozel) 0.005 m dan 0.007 m. Tek.40.bar Diameter 0.007 (m)
Jarak (m)
Tek.40 bar Diameter 0.005 (m)
1
0.005
0.00515
0,00442
2
0.01
0.00506
0,00379
3
0.0015
0.00492
0,00368
4
0.02
0.00472
0,00339
5 Rata2/ dtk
0.0025
0.00449
0,00325
0,004868
0,003706
No
0,006 0,005 diameter 0,005 ∆Q
Q u d ara
0,004 0,003
diameter 0,007 ∆Q
0,002 0,001 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 jarak (m)
Hasil perbandingan∆Qm3/dtk/H/H m( kolom udara) untuk diameter pipa keluar (nozel) 0.005 m. Tek. 40 Bar
Tek. 45 Bar
Tek. 50 Bar
Tek. 55 Bar
Hmas Tek. 60 Bar
uk/Hk
eluar
N o
∆Q
∆Q
∆Q
∆Q
∆Q
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.42
515
578
691
726
788
8571
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.12
506
552
674
708
759
5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.11
492
519
656
685
744
1111
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
472
474
649
669
724
1
2
3
4
1.1
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.09
449
440
612
642
703
0909
5
Gaya Angkat Fluida Primer
Analisa kemampuan fluida primer untuk mengangkat fluida sekunder melewati pipa hisap dengan variasi diameter yang berbeda diperlukan untuk mengetahui pipa hisap yang bisa menghisap fluida sekunder (cairan). Perbedaan tekanan yang bisa menghasilkan daerah yang bertekanan rendah yang cukup, sehingga bisa menghasilkan kevakuman. Pada ujung pipa hisap harus lebih besar untuk mengatasi gabungan gaya yang terjadi pada cairan sepanjang melewati pipa hisap. Sebagai contoh perhitungan untuk pipa keluar berdiameter 0.005 m pada tekanan 40 bar. → untuk diameter pipa keluar (nozel) 0,005 m, berdasarkan persamaan 2.3: ∆P . A = (sg). ρ. g. h (N/m2) ∆P
= (sg). ρ.g.h = 0,87 x 996,54 x 9,81 x 0,01584 = 134,66 N/m2 Patm = 101000 (N/m2) ∆P . A = 134,66 x ¼ .π
(0,005)2
= 0,00264 N → Gaya akibat gravitasi (berat cairan) berdasarkan persamaan 2.4: Fg = m.g = ¼ .π.dp2.L. ρ. g
vii PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
= ¼ .π. (0,005)2. 0,18. 996,54. 9,81 = 0,03453392 N → Gaya akibat tegangan permukaan berdasarkan persamaan 2.5: Ftp = 2.π.dp.σ = 2.π.(0,005).0,073 = 0,0022922 N → Efek kapiler yang timbul berdasarkan persamaan 2.7: Fkap = ¼ .π.dp2. ρ. g. H = ¼ .π.(0,005)2. 996,54. 9,81. 0,01583255 = 0,00304 N → Kehilangan tenaga selama melewati pipa (Losses) berdasarkan persamaan 2.6: FH = ¼ .π.dp2. ρ. g. H Dimana : H = hf1 + hf2 + hf3 (m) H = kehilangan total tenaga ○ Losses akibat gaya gesek yang timbul hf1 = f. x
L v2 x dp 2.g
(m) Dari percobaan didapat Qair = 37,5 cm3/dtk, maka kecepatan aliran dapat ditentukan: Vair = Q/A 37,5 x10 −6 = 2 0,25 xπx(0,005) = 1,910 m/det Bilangan Reynold vxdpxρ Re = v 1,910 x0,005 x996,54 = 1x10 −6 = 9516957 N Re > 4000 Aliran bersifat Turbulen
Dari diagram moudy diperoleh koefisien gesek f=0,021. sehingga : 0,18 1,910 2 hf1 = 0,021 x x 0,005 2.9,81 = 0,141 m ○ Losses pada ujung pipa masuk v2 hf2 = f. x 2. g Berdasarkan diameter ujung pipa hisap yang digunakan f (koefisien gesek) = 0,25 Sehingga: v2 hf2 = f. x 2. g 1,910 2 2.9,81 = 0,0465 m
= 0,25 x
○ Losses pada ujung pipa keluar (nozel) v2 hf3 = 2. g 1,910 2 2.9,81 = 0,186 m
=
Sehingga total Losses (kehilangan tenaga) H = hf1 + hf2 + hf3 = 0,0777 + 0,0256 = 0,1028 = 0,3735 m Jadi gaya yang hilang selama melewati pipa: FH = ¼ .π.dp2. ρ. g. H = ¼ .π.(0,005)2.996,54. 9,81. 0,3735 = 0,07156 N
viii PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Untuk
gaya
keseluruhan
hisap berdasarkan
persamaan 2.8: = Ftp+Fg-Fkap+FH
KESIMPULAN
Dari percobaan sistem jet (semprotan obat nyamuk) dengan memvariasikan besar diameter nozel udara, dapat disimpulkan:
= 0,0022922 + 0,03453392 – 0,00304 + 0,07156 = -0,0377739 N Ini membuktikan bahwa: Ftp+Fg-Fkap+FH
≤
∆P.A -0,00377739 N
≤
0,00264 N Hal ini membuktikan bahwa perbedaan tekanan antara tekanan atmosfer dan tekanan diujung pipa menghasilkan kevakuman yang bisa menyebabkan
terhisapnya
fluida
sekunder sehingga fluida tersebut tersemprot
keluar.
Dari
contoh
perhitungan diatas diperoleh data untuk pipa berdiameter lain.
1.Semakin dekat jarak nozel dengan pipa hisap, semakin banyak debit yang di keluarkan (Spray). 2.Diameter nozel 0,005 m dapat mengeluarkan spray yang banyak (debit) dibanding dengan nozel berdiameter 0,007 m. 3.Tekanan udara yang besar menghasilkan debit yang besar pula.
