Embed Size (px)
DESCRIPTION
AFF
Citation preview
BAB I
APPARATUS FLUID FLOW
1.1. Tujuan Percobaan
Mengukur transportasi fluida yang meliputi:
- Kecepatan aliran fluida
- Head loss karena faktor gesekan dalam pipa lurus, fitting, sudden
contraction, sudden enlargement, dan valve.
1.2. Tinjauan Pustaka
Fluida ialah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara
permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka di dalam
fluida itu akan terbentuklah lapisan-lapisan dimana lapisan yang satu meluncur di atas
yang lain, hingga mencapai suatu bentuk baru. Selama perubahan bentuk itu, terdapat
tegangan gesek (shear stress), yang besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju
luncur. Tetapi, bila fluida itu sudah mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan
geser ituakan hilang. Fluida yang dalam keseimbangan itu beba dari segala tegangan
geser (McCabe, 1986).
Pada dinamika fluida, fluida berada dalam suatu gerakan. Umumnya, fluida
tersebut berpindah dari suatu tempat ke tempat yang lain dengan menggunakan
perangkat mekanis seperti pompa atau blower, dengan pengaruh gravitasi atau tekanan
dan mengalir melewati sistem perpipaan atau peralatan proses. Persamaan umum pada
neraca massa atau material adalah sebagai berikut (hukum kekekalan massa):
Input = output + akumulasi
Pada fluida mengalir dengan keadaan steady state, akumulasinya adalah nol sehingga
diperoleh:
laju input = laju output
Gambar 1.1. Kesetimbangan massa pada sistem aliran
1
Gambar 1.1. menunjukkan fluida masuk pada suatu area A1, dengan kecepatan v1, dan
densitas ρ1 kemudian fluida keluar pada area A2 dengan kecepatan rata-rata v2. Hukum
kekekalan massa menjadi:
m = ρ1 A 1 v1= ρ2 A 2 ......................................(1.2.1.)
Angka Reynold (NRe) adalah parameter dari pengukuran tipe aliran yang tidak
berdimensi atau tidak mempunyai satuan. Angka Reynold ini dugunakan untuk
menentukan tipe-tipe aliran yang terjadi pada fluida. Adapun rumus dari perhitungan
tentan bilangan Reynold adalah:
NRe=D .v . ρ
μ ..................................................................................(1.2.2.)
Macam-macam aliran fluida berdasarkan bilangan Reynold:
- Laminar
Merupakan tipe aliran yang mempunyai kecepatan rendah dan tidak terlihat
mengalami aliran. Pada aliran laminar mempunyai bilangan Reynold (NRe) < 2100
Gambar 1.2. Percobaan Reynold untuk jenis aliran laminar
- Turbulent
Merupakan tipe aliranyang mempunyai kecepatan tinggi dan terlihat arus alirannya
pada permukaan pipa. Pada aliran ini mempunyai bilangan Reynold (NRe) > 4000.
Gambar 1.3. Percobaan Reynold untuk jenis aliran turbulen
1
- Transisi
Merupakan aliran yang berada diantara aliran laminar dan aliran turbulent. Pada
aliran ini mempunyai bilangan Reynold (NRe) diantara 2100 – 4000.
Pipe (pipa) adalah komponen yang bebentuk silender berlubang yang
digunakan untuk membawa fluida atau mengalirkan tekanan fluida. Tebal pipa
pada umumnya ditentukan dalam sebutan schedule number. Material yang
umum digunakan pada pipa untuk industri ialah baja karbon (carbon steel),
namum dalam pembuatannya umumnya merupakan campuran dari berbagai
unsur logam, seperti karbon, phosphor, mangan, nikel, chrom, alumunium,
vanadium dan campuran lainnya. Cara termudah dalam mengelompokkan ialah
dengan menetapkan jumlah karbondari setiap kelasnya antara 0,05-1 % dari
beratnya, sehingga pengelompokannya menjadi:
- Low carbon steel, 0.05-0.25 % karbon
- Medium carbon steel, 0.25-0.5 % karbon
- High carbon steel, 0.5 % dan lebih kandungan karbon (Anonim).
Head loss adalah tekanan yang hilang karena adanya friksi dalam pipa. Rumus umum
head loss adalah:
hL=F f=4f× L×v2
2D .............................................(1.2.3.)
Macam-macam head loss pada sistem perpipaan:
1. Head loss karena adanya pembesaran diameter pipa (sudden enlargement losses)
Head loss terjadi karena adanya fluida yang dialirkan pada pipa kecil yang tiba-tiba
membesar sehingga terjadi friksi (gesekan).
Kex=(1−A1
A2
)2
..........................................(1.2.4.)
hex=K ex×v1
2
2α ............................................(1.2.5.)
2. Head loss karena adanya pengecilan diameter pipa (sudden contraction losses)
Head loss terjadi karena adanya fluida yang dialirkan pada pipa besar yang tiba-tiba
mengecil sehingga terjadi friksi (gesekan).
Kc=0,55×(1−A2
A1
)...................................(1.2.6.)
1
hc=Kc×v2
2
2α ..........................................(1.2.7.)
3. Head loss karena adanya sambungan pipa (fitting)
Head loss dapat mengganggu aliran normal fluida karena banyaknya gesekan yang
terjadi di setiap sambungan pipa (fitting) (Geankoplis, Christie J., 1997).
h f=K f ×v1
2
2 ................................................(1.2.8.)
Fitting merupakan komponen perpipaan yang berfungsi sebagai penyambung
pipa dengan pipa, merubah arah pipa, membuat cabang pipa, memperkecil ukuran
perpipaan, dll. Ada beberapa macam jenis fitting, yaitu:
˗ Elbow
Elbow adalah jenis fitting yang digunakan untuk merubah arah perpipaan secara
menyudut 45 atau 90 derajat.
Gambar 1.4. Fitting Elbow 45O dan 90O
˗ Tee
Tee adalah jenis fitting 3 lubang (3-way fitting) yang berbentuk seperti
huruf “T” digunakan untuk membuat cabang tegak lurus terhadap pipa utama.
Gambar 1.5. Fitting Tee
˗ Reducer
Reducer adalah jenis fitting yang digukanan untuk mereduksi ukuran
perpipaan.
1
Gambar 1.6. Fitting Reducer
˗ Cap
Cap adalah jenis fitting yang digunakan untuk menutup ujung pipa. Metode
sambungan bisa berupa : butt weld, socket weld, treaded.
Gambar 1.7. Fitting Cap
˗ Weldolet
Weldolet adalah jenis fitting yang digunakan untuk membuat cabang dengan
ukuran lebih kecil dari pipa utamanya. Weldolet biasanya dipakai pada
perpipaan dengan tekanan dan temperature tinggi dimana sambungan las dengan
tipe buttweld.
Gambar 1.8. Fitting Weldolet
˗ Mitre
Mitre kadang-kadang digunakan untuk menggantikan elbow. Mitre difabrikasi
dari material pipa. Pemakaian untuk ukuran pipa besar bisa lebih murah dari
pada Miter biasanya dipakai untuk perpipaan dengan ukuran besar dan tekanan
rendah.
1
Gambar 1.9. Fitting Mitre
˗ Coupling
Coupling adalah jenis fitting yang digunakan untuk membuat cabang ( half
coupling ) pada pipa dengan ukuran 2” ke atas dan untuk menyambung pipa
lurus ( full coupling ). Metode sambungan bisa berupa : Socket weld, dan treaded.
Gambar 1.10. Fitting Coupling
˗ Plug
Plug adalah jenis fitting yang digunakan untuk menutup bagian ujung yang
terbuka dari coupling atau ujung valve dari vent atau drain.
Gambar 1.11. Fitting Plug
˗ Union
Union pada dasarnya digunakan untuk keperluan melepas fitting dan dalam
beberapa kasus digunakan untuk menyambung (assembly) perpipaan.
Gambar 1.12. Fitting Union (Anonim).
1
4. Head loss karena adanya valve
Head loss dapat mengganggu aliran normal fluida karena banyaknya gesekan yang
terjadi di setiap valve (Geankoplis, Christie J., 1997).
hv=K v×v1
2
2 ..............................................(1.2.9.)
Valve digunakan secara luas dalam sistem perpipaan untuk memotong, mengalihkan,
atau mengatur aliran fluida. Pengoperasian valve bisa secara manual maupun secara
otomatis melalui sinyal dari alat kontrol. Ada beberapa jenis valve antara lain:
- Gate Valve
Gate valve didesain untuk mengisolasi sistem perpipaan. Pada umumnya valve ini
dioperasikan pada posisi disk terbuka penuh atau menutup penuh. Gate valve
dianjurkan untuk tidak digunakan sebagai pengatur atau mencekek (throttling)
aliran fluida karena fungsi kontrolnya tidak akurat.
- Check valve
Check valve didesain untuk mencegah aliran balik (back flow) dalam sistem
perpipaan.
- BalL valve (Globe)
Ball valve adalah valve dengan seperempat putaran dan sangat cocok untuk gas,
udara bertekanan, cairan, dan servis campuran antara cair dan padat (slurry).
Pemakaian material soft-seat seperti nylon, delrin, karet sintetik, dan fluorinate
polymers memberikan kemampuan sealing yang bagus (Anonim).
5. Head loss karena friksi di pipa lurus
Head loss terjadi karena adanya friksi antara fluida dan permukaan pipa yang lurus.
H f=4×f ×ΔL× v2
2D ..........................................(1.2.10.)
1
Jenis-jenis alat ukur laju fluida cair yaitu:
1. Manometer Pipa U
Gambar 1.13. Manometer pipa U
Hubungan antara pA (tekanan pada titik 1) dan pB (tekanan pada titik 2) dibuat
dengan jalan:
˗ Menentukan tekanan pada titik 2
p2 = pa +(Z + R) ρB g..........................................(1.2.11.)
˗ Menggunakan prinsip hidrostatik (p2 = p3)
p3 = pb + ZρBg + RρAg .................................... (1.2.12.)
pa - pb = R (ρA - ρB)g...........................................(1.2.13.)
2. Pitot Tube
Pitot Tube sering digunakan untuk mengukur kecepatan lokal fluida (Local Velocity)
pada sebuah titik aliran fluida yang mengalir tetapi bukan kecepatan rata-rata dalam
pipa.
Gambar 1.14. Diagram pitot tube: (a) simple tube, (b) tube with static pressure holes.
1
3. Venturi Meter
Venturi meter biasanya langsung dimasukkan ke dalam saluran pipa. Sebuah
manometer atau perangkat lain yang dihubungkan untuk mengukur perbedaan
tekanan p1-p2 antara titik yang berbeda, titik 1 dan titik 2.
Gambar 1.15. Venturi flow meter
4. Orrifice Meter
Prinsip kerja Orrifice meter hampir sama dengan Venturi meter, tetapi pada Orrifice
meter akan menghasilkan head loss atau power loss yang lebih besar.
Gambar 1.16. Orifice flow meter
5. Aliran pada saluran terbuka dan berbentuk Bendungan
Aliran pada saluran terbuka dan berbentuk bendungan yaitu sebuah dam yang
mengalirkan air diatasnya. ada 2 tipe yaitu tipe Rectangular dan Triangular.
Gambar 1.17. Tipe – tipe bendungan: (a) rectangular, (b) triangular (Geankoplis, Christie J.,
1997).
1
1.3. Variabel Percobaan
A. Variabel Tetap
Jenis Fluida : Air
B. Variabel Berubah
Bukaan valve : 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5
1.4. Alat dan Bahan
A. Alat-alat yang digunakan
- Instrumen AFF
- Stopwatch
- Penggaris
B. Bahan yang digunakan:
- Air (H2O)
1.5. Prosedur Percobaan
A. Tahap Persiapan Percobaan
- Membuka safety valve dari tangki supply untuk mengalirkan air pada
instrument
- Membuka penuh globe valve I
- Membuka penuh gate valve agar air mengalir seluruhnya kerangkaian
instrument utama
- Membuka penuh globe valve II secara perlahan-lahan untuk mendorong
udara yang ada atau terjebak pada rangkaian instrumentasi dan manometer
serta untuk membersihkan dari kerak dan kotoran yang ada dalam sistem
perpipaan
- Memeriksa bahwa perbedaan tekanan pada tabung manometer menunjukkan
nol dan tidak ada udara yang terjebak pada tabung manometer, dengan jalan
manipulasi bukaan globe valve II sampai globe valve II tertutup penuh
- Menutup gate valve
- Menutup globe valve.
B. Tahap Percobaan
- Membuka globe valve sesuai dengan run yang telah ditentukan
- Membuka gate valve sesuai run yang telah ditentukan juga
- Mengalirkan air ke instrumentasi fluid flow dari tangki supply
1
- Mencatat semua pembacaan perbedaan tekanan pada tabung manometer
ketika aliran fluida dalam keadaan steady.
1.6. Gambar Alat
Gambar 1.18. Gambar alat percobaan Apparatus Fluids Flow
Keterangan gambar:
A. Flow meter H. Pipa ekspansi
B. Fitting I. Pipa enlargement
C. Globe valve J. Pipa sudden contraction
D. Fitting K. Long sweep elbow 90º
E. Pipa elbow 90º L. Pipa lurus
F. Wide pattern return bend M. Gate valve
G. Pipa kontraksi N. Manometer pipa U no.1 – 12
1
1.7. Spesifikasi Alat
Gambar 1.19. Gambar alat percobaan Apparatus Fluid Flow yang dipakai saat praktikum
Spesifikasi Alat
DA = DB = DC = DD = DE = DF = DG = 3,18 cm
DG = DH = 2,7 cm
DH = DI = 3,18 cm
DI = DJ = 4,14 cm
DJ = DK = DL = DM = 3,18 cm
E = K = Elbow = 3
F = Return bend = 1,5
AB = B = BD = D = Coupling = 4
C = MN = Globe valve = 2 buah
M = Gate valve = 1 buah
Manometer pipa U = 12 buah
Pompa: merek = national; 220 V; 50 Hz; output 125 w
1
1.8. Data Pengamatan
Tabel 1.8.1. Data pengamatan kalibrasi debit
Bukaan
Valve
Ketinggian fluida
(cm)
Volume rata-rata
(cm3)Waktu (s)
Debit
(cm3/s)
0,5 4,3 11355,182 60 189
1 5,1 13467,774 60 224
1,5 5,65 14920,181 60 249
2 5,9 15580,366 60 260
2,5 6,2 16372,588 60 273
Tabel 1.8.2. Data pengamatan beda ketinggian pada manometer pipa U
Debit
(cm3/s)
Bukaan
valve
Beda ketinggian pipa U (cm)
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12
189 0,5
2,6 0 5,5 1,8 1,7 2,8 2,1 0 1,5 1,6 1,7 0,9
2,8 0 5,4 1,8 1,7 2,7 2 0 1,6 2 1,7 0,9
3 0 5.4 1,8 1,7 2,6 1,9 0 1,6 2,4 1,8 0,9
R rata-rata 2,8 0 5,4 1,8 1,7 2,7 2 0 1,6 3 1,7 0,9
224 1
1,9 0 5,7 2 1 2,9 2,1 0 1,4 1,6 1,8 0,8
1,9 0 5,7 2,1 1 3 2,2 0 1,5 1,5 1,8 0,9
2 0 5,8 2,1 1,1 3 2,2 0 1,6 1,5 1,9 0,9
R rata-rata 1,9 0 5,7 2,1 1 3 2,2 0 1,5 1,5 1,8 0,9
249 1,5
2,2 0 5,6 2,1 1,3 3 2,2 0 1,6 2 1,8 0,9
2,2 0 5,6 2,1 1,2 3,1 2,3 0 1,6 2,2 1,9 0,9
2,3 0 5,6 2,2 1,2 3,2 2,4 0 1,7 2,3 1,9 1
R rata-rata 2,2 0 5,6 2,1 1,2 3,1 2,3 0 1,6 2,2 1,9 0,9
260 2
2,3 0 5,7 2,3 1,6 3,2 2,4 0 1,7 2,3 2 1
2,4 0 5,8 2,4 1,7 3,3 2,5 0 1,7 2,4 2,1 1,1
2,5 0 5,8 2,5 1,7 3,4 2,6 0 1,8 2,6 2,1 1,2
R rata-rata 2,4 0 5,8 2,4 1,7 3,3 2,5 0 1,7 2,4 2,1 1,1
273 2,5 2,5 0 5,8 2,6 1,7 3,4 2,7 0 1,8 2,7 2,2 1,2
1
2,6 0 5,8 2,7 1,8 3,5 2,8 0 1,9 2,8 2,3 1,2
2,6 0 5,9 2,6 1,7 3,4 2,8 0 1,9 2,8 2,4 1,3
R rata-rata 2,6 0 5,8 2,6 1,7 3,4 2,8 0 1,9 2,8 2,3 1,2
1.9. Data Perhitungan
Tabel 1.9.1. Data perhitungan kecepatan akhir aliran dan total head loss pada
aliran berdasarkan bukaan valve
Bukaan valve kecepatan (cm/s) ∑F
0,5 0.0717 0.7136
1 0.0850 1.3837
1,5 0.0942 1.6976
2 0.0983 1.8509
2,5 0.1033 2.0437
Tabel 1.9.2. Data perhitungan head loss pada aliran berdasarkan bukaan valve
Bukaan
valve
vp
(m/s)
hc1
(J/kg)
hc2
(J/kg)
hv
(J/kg)
hf
(J/kg)
Ff
(J/kg)
hex1
(J/kg)
hex2
(J/kg)∑F
0.50.238
4
0.015
6
0.006
0
0.345
9
0.111
1
0.203
1
0.003
5
0.028
40.7136
10.282
80.022
0.008
4
0.486
5
0.156
3
0.666
6
0.003
9
0.040
0
1.3836
7
1.50.313
30.027
0.010
3
0.597
1
0.191
8
0.818
1
0.004
1
0.049
1
1.6976
1
20.327
1
0.029
4
0.011
3
0.651
1
0.209
2
0.892
1
0.004
3
0.053
5
1.8509
3
2.50.343
7
0.032
5
0.012
4
0.719
0
0.231
0
0.985
2
0.004
5
0.059
1
2.0436
7
1
1.10.
1.11. Grafik
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.065
0.070
0.075
0.080
0.085
0.090
0.095
0.100
0.105
0.60
0.90
1.20
1.50
1.80
2.10
kecepatan
Head Loss
Bukaan valve
Kec
epat
an a
lira
n (c
m/s
)
Hea
d lo
ss (J
/Kg)
Grafik 1.10.1. Grafik hubungan antara bukaan valve dengan kecepatan dan head loss
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
Bukaan valve
hv
Grafik 1.10.2. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat valve (hv)
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
Bukaan valve
hf
Grafik 1.10.3. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat fittings (hf)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
1.05
Bukaan valve
Hf
Grafik 1.10.4. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss at straight pipe (Hf)
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.01
0.01
0.02
Bukaan valve
hc
Grafik 1.10.5. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat sudden contraction loss dan contraction loss (hc)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Bukaan valve
hex
Grafik 1.10.6. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat sudden enlargement loss dan enlargement loss (hex)
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
0.011
Bukaan valve
hv (g
ate)
Grafik 1.10.7. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat gate valve (hv)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
Bukaan valve
hv (g
lobe
)
Grafik 1.10.8. Grafik hubungan antara bukaan valve dan head loss akibat valve globe (hv)
1.12. Pembahasan
1
- Pada grafik 1.10.1. menunjukkan bahwa hubungan antara debit aliran,
kecepatan aliran dan head loss berbanding lurus, hal ini sesuai teori dimana
semakin besar debit alirannya maka semakin besar pula kecepatan alirannya
dan semakin tinggi nilai head loss pada aliran tersebut.
- Pada grafik 1.10.2. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss pada valve (hv) adalah berbanding lurus, hal ini sesuai dengan
teori dimana head loss pada pipa lurus semakin besar dengan bertambahnya
laju alir.
- Pada grafik 1.10.3. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss pada fitting (hf) adalah berbanding lurus, dimana semakin tinggi
nilai hf maka semakin tinggi pula nilai Q.
- Pada grafik 1.10.4. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss pada pipa lurus (Ff) adalah berbanding lurus, dimana semakin
besar laju alir maka head loss pada pipa lurus juga semakin besar.
- Pada grafik 1.10.5. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss akibat sudden contraction loss dan contraction loss (hc) adalah
berbanding lurus, dimana semakin besar laju alir maka head loss pada pipa
kontraksi juga semakin besar.
- Pada grafik 1.10.6. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve
dan head loss akibat sudden enlargement loss (hex) adalah berbanding lurus,
dimana semakin besar laju alir maka head loss pada pipa ekspansi juga
semakin besar.
- Pada grafik 1.10.7. menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss pada gate valve (hc) adalah berbanding lurus, dimana semakin
besar laju alir maka head loss pada gate valve semakin kecil.
- Pada grafik 1.10.8 menunjukkan bahwa hubungan antara bukaan valve dan
head loss akibat globe valve (hc) adalah berbanding lurus, dimana semakin
besar laju alir maka head loss pada globe valve semakin kecil.
1.13. Kesimpulan
1
- Pada debit sebesar 189 cm3/s, kecepatan aliran fluida sebesar 0,0717 cm/s.
Debit 224 cm3/s, kecepatan aliran 0,0850 cm/s. Debit 249 cm3/s, kecepatan
aliran 0,0942 cm/s. Debit 260 cm3/s, kecepatan aliran 0,0983 cm/s.
Sedangkan pada debit 273 cm3/s, kecepatan aliran fluida sebesar 0,1033
cm/s.
- Untuk memperoleh debit sebesar 189,253 cm3/dt, maka bukaan valve sebesar
0,5 dari 1putaran gate valve dan bukaan globe valvenya ditetapkan sebesar
60o, sehingga diperoleh kecepatan aliran sebesar 11355,182 cm3 dan untuk
mendapatkan variabel debit yang lain maka ditunjukkan pada tabel 1.8.2.
- Head loss tertinggi pada pipa lurus yaitu sebesar 0,9851 J/kg, sedangkan
head loss terendah terjadi pada bagian pipa sudden enlargement (hex) sebesar
0,0035. Head loss diukur pada elbow, fitting, valve, dan pada berbagai
macam pipa.
- Kehilangan head loss terbesar terjadi pada debit sebesar 273 cm3/s dengan
total friksi sebesar 2,0437, maka disimpulkan semakin besar debit aliran
maka friksinya juga semakin besar.
1
