Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan .../Analisis...Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan

Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan

Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder

Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda

Disusun Oleh :

MEGA NOVITA SARI

M 0205038

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA September, 2009

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini dibimbing oleh :

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Selasa

Tanggal : 27 Oktober 2009

Anggota Tim Penguji :

1. Ahmad Marzuki S.Si., Ph.D

NIP. 19680508 199702 1 001 ( …………………….. )

2. Drs. Syamsurizal

NIP. 19561212 198803 1 001 ( …………………….. )

Disahkan oleh:

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Pembimbing I

Drs. Iwan Yahya, M.Si NIP. 19670730 199302 1 001

Pembimbing II

Ir. Ari Handono R, M.Sc, PhD NIP. 19610223 198601 1 001

...................................

Dekan F MIPA UNS

Prof. Drs. Sutarno, M.Sc., Ph.D NIP. 19600809 198612 1 001

Ketua Jurusan Fisika

Drs. Harjana, M. Si, PhD NIP. 19590725 198601 1 001

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “ Analisis

Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran

Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda”, belum pernah

diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan

sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh

orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam

daftar pustaka.

Surakarta, 3 September 2009

Mega Novita Sari

iv

MOTTO

” Bismillahirrohmanirrohim”

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan, kerjakanlah dengan sungguh-sungguh

urusan yang lain” (QS. Al Nasyrah: 6-7)

“ Hendaklah kamu menjadi umat yang mengajak pada kebaikan dan

mencegah pada kemungkaran” (QS. Ali ‘Imran : 104)

“Barangsiapa menghendaki kebahagiaan dunia dan akhirat, maka

kebahagiaan itu akan diperoleh dengan ilmu” (H.R. Ibnu Asakir)

Jika engkau berputus asa manakala kecemasan yang menggenggam

jiwa menimpa, Saat paling dekat dengan jalan keluar adalah ketika telah terbentur pada putus asa

(Ali IbnAbi Thalib)

Barangsiapa rajin bekerja maka beruntunglah dia. Dan barangsiapa yang dengan pekerjaannya tidak memberikan pengaruh berarti maka

sekali-kali tidak memberikan pengaruh pula kata-katanya (Hasan Al-Banna)

Optimislah, jangan berputus asa dan menyerah tanpa usaha,

Baiksangkalah kepada Robb, dan tunggulah segala kebaikan dan keindahan dari-Nya

(Laa Tahzan, ‘Aid al-Qarni)

v

PERSEMBAHAN

Dengan sepenuh kasih sayang, karya ini ku persembahkan untuk :

Papah Sarijon dan Ibu Sarinem tercinta

Adikku, Mbah Kung, Bu Lek, dan keluarga yang menyayangiku

Spiritku, dhe’ Henky dan Abang Iyan

Semua orang yang membantu dalam penyelesaian skripsiku

Teman-temanku dan adik-adikku semua

Pembaca yang budiman

vi

Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi

Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela Berpenutup Ganda

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pola disribusi uap bertekanan

(steam) melalui orifice silinder dengan berbagai variasi ukuran dan konfigurasinya.

Orifice silinder yang digunakan berdiameter 1,6 mm; 2,02 mm; 2,95 mm; 3,47 mm;

4,76 mm dan 5,71 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar ukuran

orifice silinder semakin besar kelajuan alirnya serta semakin cepat waktu yang

digunakan untuk memenuhi permukaan jendela. Penelitian ini dilakukan dengan

rentang kelajuan alir dengan bilangan Reynold antara 5,300x105 sampai 1,288x106.

Uap bertekanan yang keluar melalui orifice silinder membentuk sudut semburan

yang tegak lurus sehingga pola yang dibentuk adalah menutup bagian di atas dari

orifice silinder yang terpasang. Konfigurasi penempatan orifice silinder juga

berpengaruh terhadap pola distribusinya. Laju penutupan permukaan jendela

ditentukan berdasarkan pola distribusi uap bertekanan.

Kata kunci : Pola Distribusi, Uap Bertekanan, Orifice Silinder

vii

Analysis of Steam Distribution Pattern Based On Configuration Form and

Variously Size of Cylindrical Orifice on Double Layer Camber

ABSTRACT

The objective goal of this experiment is to know about the pattern of steam

distribution through the use of cylindrical orifice with variously size and

configuration form. The diameter of cylindrical orifice that the used are 1,6 mm;

2,02 mm; 2,95 mm; 3,47 mm; 4,76mm and 5,71 mm. The results showed that the

larger size of cylindrical orifice become the flow rate is increase and the time used

to full the surface window faster. This research was conducted with a range of flow

rate with Reynolds numbers between 5.300 x 105 to 1.288 x 106. The steam that

came out through a cylindrical orifice made spray angle, and the spray is

perpendicular to that pattern formed on the closed section of cylindrical orifice

installed. Placement cylindrical orifice configuration also affects the pattern of

distribution. The rate of closure of the window is determined based on the

distribution pattern of steam.

Keyword : Distribution pattern, Steam, Cylindrical Orifice

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan nikmat

dan karunia-Nya. Shalawat dan salam semoga tetap tercurah kepada Nabi

Muhammad SAW beserta keluarganya, para sahabatnya dan seluruh umatnya yang

senantiasa istiqomah mengikuti sunahnya hingga akhir zaman.

Merupakan nikmat yang besar bagi penulis, dapat menyelesaikan laporan

skripsi ini yang berjudul “Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan

Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan Jendela

Berpenutup Ganda”. Walaupun desain alat dalam penelitian ini sangat sederhana

namun dapat memberikan hasil berupa gambaran pola distribusi uap bertekanan

terhadap penggunaan orifice silinder. Agar hasil penelitian ini lebih bermanfaat bagi

masyarakat maka pada bagian akhir skripsi penulis telah merekomendasikan tentang

bagaimana bentuk pengembangannya ke depan.

Banyak pihak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

Kepadanya karenanya penulis mengucapkan terima kasih. Ucapan terima kasih

secara khusus karena jasa-jasanya yang sangat banyak kepada penulis akan penulis

berikan kepada:

1. Dekan F MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Ketua jurusan fisika F MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3. Bapak Drs. Iwan Yahya, M.si., selaku pembimbing I yang dengan sabar

dan penuh kebijaksanaan telah memberikan, motivasi, ide, pengajaran

dan bimbingan kepada penulis.

4. Bapak Ir. Ari Handono R, M.Sc, P.hD selaku pembimbing II atas

segala masukkan dan bimbingannya selama ini.

5. Ibu Viska Inda Variani, M.Si. selaku pembimbing akademik. Terima

kasih atas perhatian dan pengarahan yang telah diberikan kepada

penulis dari awal masuk kuliah sampai lulus.

6. Semua dosen Fisika, terimakasih atas ilmu dan kesabarannya dalam

misinya memberikan yang terbaik kepada anak didiknya.

ix

7. Staff jurusan fisika : Mas David, mbak Dwi dan mbak Ning. Terima

kasih untuk semua hal.

8. Kedua Orang Tua, Bapak Sarijon dan Ibu Sarinem, karena kasih sayang

dan cintanya yang ikhlas mendidikku hingga sekarang.

9. Abang Iyan, dhe’ Henky, terimakasih atas segala motivasi, dukungan

dan bantuan serta do’anya.

10. Teman-teman angkatan 2005 yang telah banyak membantu, khususnya

Asthy Istika Anggarani (Mba Asthy) yang telah menjadi patner

pengerjaan penelitian ini, Mayang, Mutik, Marizka, Siti, Lean, Aris,

Rudi, Rais, terimakasih atas bantuannya.

11. Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian

ini dapat terselesaikan dengan baik.

Semoga Allah SWT memberikan balasan yang lebih baik atas kebaikan dan

bantuan yang telah engkau berikan. Dalam penyusunan laporan penelitian ini,

penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan baik dalam isi maupun

cara penyajian materi. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna

perbaikan di masa datang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberi manfaat

bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.

Surakarta, 3 September 2009

Penulis

x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL.................................................................................. i HALAMAN PENGESAHAN.................................................................... ii HALAMAN PERNYATAAN................................................................... iii HALAMAN MOTO ............................................................................... iv HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................. v HALAMAN ABSTRAK............................................................................ vi HALAMAN ABSTRACT.......................................................................... vii KATA PENGANTAR ............................................................................ ix DAFTAR ISI ......................................................................................... x DAFTAR TABEL .................................................................................. xii DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xiii DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN .................................................................... 1

1.1. Latar Belakang Masalah ..................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ............................................................ 2 1.3. Batasan Masalah ................................................................. 3 1.4. Tujuan Penelitian ............................................................... 3 1.5. Manfaat Penelitian ............................................................. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................... 4 2.1. Steam ................................................................................ 4

2.1.1. Uap Bertekanan (Steam) .......................................... 4 2.2. Konsep Termodinamika ...................................................... 6

2.2.1. Diagram Fase Zat Murni ........................................... 6 2.2.2. Sistem Termodinamika ............................................. 7

2.3. Fluida ................................................................................ 8 2.3.1. Fluida Statis .............................................................. 8 2.3.2. Fluida Dinamis ......................................................... 9

2.3.2a Persamaan Kontinuitas Dan Bernoulli ................. 9 2.3.2b. Fluida Yang Mengalir Pada Orifice .................... 11

2.4. Kaca Dan Arsitektur .......................................................... 16 2.4.1. Defenisi Kata ............................................................ 16

xi

2.4.2. Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah ......................... 17 2.4.3. Rancangan Jendela Berpenutup Ganda ...................... 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................ 19 3.1. Metode Penelitian .............................................................. 19 3.2. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................ 19 3.3. Alat dan Bahan Yang Digunakan ....................................... 19

3.4. Prosedur Penelitian ........................................................... 21 3.4.1. Diagram Alir Penelitian ............................................ 21

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ......................... 25 4.1. Pengukuran Tekanan Uap .................................................. 25 4.2. Konstruksi Instrumen ......................................................... 27

4.2.1. Pembuatan Saluran Uap ............................................ 27 4.2.2. Pembuatan Kontrol Uap ............................................ 30 4.3.3. Pembuatan Rancangan Jendela Berpenutup Ganda .... 32

4.3. Pengambilan Dan Pengolahan Data ................................... 33 4.3.1. Pengambilan Data ..................................................... 33 4.3.2. Pengolahan Data Gambar .......................................... 35 4.3.3. Pengolahan Data Pengukuran .................................... 38

4.4. Laju Penutupan Permukaan Jendela ................................... 40 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................. 43

5.1. Kesimpulan ....................................................................... 43 5.2. Saran ................................................................................. 44

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................. 45 LAMPIRAN – LAMPIRAN .................................................................. 48

xii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 4.1. Tabel Ukuran Orifice silinder Yang Digunakan ...................... 33

Tabel 4.2. Tabel Nilai kelajuan Air Volume Tiap Detik .......................... 35

Tabel 4.3. Tabel Nilai Kecepatan Alir pada pipa dan Orifice Silinder ...... 36

Tabel 4.4. Nilai Reynolds Dan Koofisien Discharge ................................ 37

Tabel A.1. Hasil Pengukuran Tekanan Uap Air ........................................ 48

Tabel C.1. Perhitungan Luas Penampang Orifice ..................................... 59

Tabel C.2. Perhitungan Kelajuan Alir Melalui Orifice Silinder ................. 59

Tabel C.3. Perhitungan Reynolds number Dan Koofisien Discharge ........ 60

Tabel C.4. Perhitungan Kecepatan Alir, Perbedaan Tekanan dan Kelajuan

Alir Massa ............................................................................. 61

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Diagram Fase Perubahan Wujud Zat Cair ....................... 5

Gambar 2.2. Kurva Steam Jenuh ......................................................... 5

Gambar 2.3. Diagram Perubahan Fase Cair-Gas Pada Zat ................... 6

Gambar 2.4. Diagram Perubahan Fase Suatu Zat Murni ...................... 7

Gambar 2.5. Aliran Fluida Melalui Pipa Venturi ................................. 10

Gambar 2.6. Aliran Fluida melaluiSmall Cylindrical Orifice ............... 11

Gambar 2.7. Jenis Aliran Fluida Berdasarkan Besarnya Reynold Number 14

Gambar 2.8. Jenis-jenis Orifice ........................................................... 16

Gambar 2.9. Rancangan Jendela Oleh Carl Bookbinder ...................... 18

Gambar 3.1. Set Up Alat penelitian ..................................................... 20

Gambar 3.2. Diagram Alir Tahap-tahap Penelitian .............................. 21

Gambar 4.1. Grafik Perubahan Tekanan Terhadap Kenaikan Temperatur 26

Gambar 4.2. Skema Set Up Alat Dengan Desain Mendatar.................. 28

Gambar 4.3. Skema Set Up Alat Dengan Desain Membentuk Elevasi . 29

Gambar 4.4. Skema Set Up Alat Dengan Desain Kombinasi ............... 29

Gambar 4.5. Desain Kontrol Uap ........................................................ 31

Gambar 4.6. Desain Double Layer Sampel Kaca Jendela .................... 33

Gambar 4.7. Skema Pengambilan Data dengan Kamera Video ............ 34

Gambar 4.8. Contoh Pola Distribusi Steam Pada Waktu Tertentu ........ 35

Gambar 4.9. Pengolahan Pola Distribusi Steam .................................. 36

Gambar 4.10. Pola Distribusi Steam Dengan Kotak-Kotak Skala ......... 41

Gambar 4.11. Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela .................... 41

Gambar A.1. Grafik Hubungan Tekanan Terhadap Perubahan Temperatur 49

Gambar B.1. Pola Distribusi Steam Pada Tiap-tiap Waktu................... 50

Gambar B.2. Pola Distribusi Steam Secara Utuh ................................. 53

Gambar B.3. Gambar Pola Distribusi Steam Pada Masing-masing Orifice

Silinder ......................................................................... 53

xiv

Gambar B.4a. Pola Distribusi Steam Terhadap Konfigurasi Orifice Silinder

Berada Di Tengah Rancangan Jendela ........................... 54

Gambar B.4b. Pola Distribusi Steam Terhadap Konfigurasi Orifice Silinder

Berada Di Bagian Kanan Rancangan Jendela ................ 54

Gambar D.1. Gambar Alat-alat Penelitian .......................................... 62

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran A. Pengukuran Tekanan Uap ................................................... 48

Lampiran B. Gambar Pola Distribusi Uap Bertekanan ........................... 50

Lampiran C. Perhitungan Kelajuan Alir ................................................. 58

Lampiran D. Gambar Alat Penelitian ...................................................... 62

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Air merupakan jenis fluida yang dapat mengalami perahan fase. Bila air

dipanaskan, maka air menjadi mendidih. Pada tekanan atmosfir temperaturnya

mencapai 100°C. Jika temperaturnya terus dinaikan, air mendidih tersebut

menimbulkan steam (uap bertekanan) yang menyerupai asap mengepul. Jika

tekanannya bertambah, maka terjadi penambahan panas dan peningkatan temperatur

tanpa mengalami perahan fase (Spiraxsarco, 2006).

xvi

Steam telah banyak dimanfaatkan dalam proses industri dan hingga kini

merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Steam

merupakan salah satu perahan fase dari air (H2O), sehingga memiliki sifat-sifat

seperti fluida lainnya, misalnya dapat mengalir. Bila steam dialirkan pada sebuah

pipa dan diletakkan saluran pemicu, maka steam yang mengalir akan membentuk

pola distribusi steam yang memancar melalui pemicu tersebut. Pola distribusi ini

dapat diamati antara lain dengan menggunakan sebuah media berupa model jendela

berpenutup ganda.

Dalam bidang arsitektur, penelitian dan inovasi dengan menggunakan

model jendela berpenutup ganda telah dan sedang dikembangkan. Model jendela

berpenutup ganda digunakan untuk menciptakan sebuah bilik yang dapat membuat

kondisi di dalam bilik tetap stabil. Salah satu penelitian dengan model ini adalah US

Patent nomor 4390240 pada tahun 1983 oleh Carl Bookbinder. Dalam hal ini desain

jendela difungsikan sebagai cermin yang dapat digunakan untuk mengumpulkan

energi matahari yang diserap, desain yang dikembangkan yaitu model double layer

chamber (bilik) yang dialiri fluida akibat peningkatan tekanan air raksa pada

reservoir.

Sebuah hasil pengujian pendahuluan dan rancang bangun berbeda untuk

analisis distribusi uap bertekanan disajikan dalam laporan ini. Invensi Carl

Bookbinder mendasari penelitian ini, namun fluida yang dialirkan bukan air raksa

melainkan steam. Penggunaan steam dimanfaatkan karena lebih mudah untuk

didapatkan, lebih ekonomis, dan belum dimanfaatkan secara terintegrasi dalam

bidang arsitektur.

Adapun material kaca sudah tidak asing lagi karena telah banyak

dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti sebagai jendela, atap dan pintu

(Hindarto, 2008). Rancangan jendela berpenutup ganda dapat memicu terjadinya

perbedaan temperatur di dalam bilik dan lingkungan di sekitarnya. Akibatnya

apabila steam dialirkan di dalam bilik maka dapat timbul titik-titik embun di

dalamnya, sehingga steam membuat kaca menjadi tampak lebih buram pada salah

satu sisinya. Fenomena inilah yang menjadi prinsip dalam penelitian.

xvii

Untuk kepentingan pengujian digunakan model bilik berbentuk persegi

dengan dinding berupa kaca. Pada celah diantara kedua dinding diletakkan pipa

untuk mengalirkan steam dan pada pipa diletakkan lubang pemicu (orifice),

sehingga steam dapat mengalir dan membentuk pola distribusi dan dapat diamati

pada kaca. Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat diketahui besarnya

kelajuan alir dan pola distribusi steam dari berbagai konfigurasi dan variasi ukuran

orifice. Orifice yang digunakan berbentuk orifice silinder. Penelitian ini juga

dilakukan untuk menjaga agar steam tidak cepat mengalami kondensasi dan berubah

menjadi air kembali, selama terkungkung di dalam bilik.

1.2 Perumusan Masalah

Dari uraian di atas telah diketahui bahwa air dapat berubah fase jika

temperaturnya dinaikkan. Bila temperatur air dinaikkan hingga mencapai titik didih

maka menghasilkan uap yang disebut steam. Fase steam ini yang digunakan dalam

penelitian. Dari distribusi steam dapat diketahui suatu pola sebaran yang terbentuk

akibat adanya konfigurasi dan variasi ukuran lubang pemicu berbentuk silinder

(cylindrical orifice) yang terdapat pada saluran uap. Untuk mengetahui besarnya

kelajuan dan kecepatan alir perlu dilakukan pengukuran. Selain itu, uap yang

dihasilkan umumnya dalam jumlah yang banyak sehingga perlu adanya suatu alat

yang dapat mengkontrol uap berlebih, apabila uap telah terkontrol dengan baik

selanjutnya diperlukan cara agar uap yang terkungkung di dalam tetap dalam fase

steam dan tidak cepat mengalami perubahan fase.

1.3 Batasan Masalah

Permasalahan pada tugas akhir ini hanya dibatasi pada pengukuran kelajuan

alir, pola distribusi steam terhadap konfigurasi dan variasi ukuran orifice silinder

serta laju penutupan permukaan jendela berpenutup ganda. Pola ini berupa sebaran

uap yang terkungkung di dalam bilik dan menempel pada kaca.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah :

xviii

1. Menganalisa pola distribusi uap secara maksimal terhadap konfigurasi dan

variasi ukuran orifice silinder (lubang pemicu).

2. Menghitung kelajuan alir steam pada saat terjadinya pola sebaran steam

pada model kaca jendela berpenutup ganda.

1.5 Manfaat Penelitian

Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat memanfaatkan steam

yang dialirkan melalui orifice yang menjadikan kaca tampak lebih buram pada salah

satu sisinya yang dapat digunakan sebagai inovasi arsitektur pada kaca jendela

rumah yang diaplikasikan sebagai pengganti dinding tembok seperti pada umumnya.

Penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut, dengan memanfaatkan energi

alternatif selain energi listrik untuk menghasilkan sejumlah energi yang digunakan

untuk membuat pemanas air yang dapat menghasilkan steam.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Steam (Uap Bertekanan)

Sebuah molekul merupakan jumlah terkecil unsur atau senyawa, yang

masih memiliki semua sifat-sifat kimia bahan tersebut. Molekul tersusun dari

partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom merupakan elemen dasar seperti

hidrogen dan oksigen. Kombinasi spesifik unsur atom tersebut membentuk senyawa.

Salah satu contoh senyawa yaitu H2O (air), senyawa ini memiliki molekul yang

tersusun dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Hampir seluruh mineral

dapat berada pada tiga keadaan fisiknya atau fasenya yaitu padat, cair dan uap.

Istilah es, air dan steam digunakan untuk menunjukan ketiga fase masing-masing.

Dalam es, molekul terkunci dan tersusun dalam pola struktur geometris

yang hanya dapat bergetar. Dalam fase padatnya, pergerakan molekul pada pola

geometris merupakan getaran posisi ikatan tengah di mana jarak molekulnya kurang

xix

dari satu diameter molekul. Penambahan panas secara terus menerus menyebabkan

getaran yang dapat mengakibatkan beberapa molekul akan terpisah dari tetangganya,

dan bahan padat mulai meleleh menjadi bentuk cair. Dalam fase cair, molekulnya

bergerak bebas, namun jaraknya masih kecil dari suatu diameter molekul karena

seringnya terjadi tarik-menarik dan tumbukan.

Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah

molekul dengan energi yang cukup untuk meninggalkan fase cairan menjadi

meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, bahwa

densitas steam lebih kecil daripada air, sebab molekul uap bertekanan terpisah jauh

satu dengan yang lainya (Spiraxsarco,2006)

Analisis perubahan wujud pada es yang dipanaskan hingga menghasilkan

steam dapat dilakukan dengan pendekatan grafik berdasarkan persamaan transfer

panas selama terjadi perubahan fase (Alljabbar,2008), seperti disajikan dalam

Gambar (2.1).

Gambar 2.1. Diagram fase perubahan wujud zat cair

Sumber: (Alljabbar,2008)

Jika tekanannya tetap, penambahan panas tidak mengakibatkan kenaikan

temperatur, namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Temperatur air

mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama, akan tetapi

energi panas persatuan massanya lebih besar pada steam.

xx

0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

pera

ture

( 0 C

)

Tekanan (Pa)

Steam Saturation curve

Pada tekanan atmosfir temperatur jenuhnya adalah 100°C. Tetapi, jika

tekanannya bertambah, maka akan terdapat penambahan lebih banyak panas yang

mengakibatkan peningkatan temperatur tanpa perubahan fase (Spiraxsarco,2006).

Hubungan antara temperatur jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva uap jenuh

yang disajikan pada Gambar (2.2).

Gambar 2.2 Kurva Uap Jenuh

Sumber: (Spiraxsarco,2006)

Air dan uap bertekanan dapat berada secara bersamaan pada berbagai

tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada temperatur jenuh. Uap

bertekanan pada kondisi di atas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/ uap

bertekanan lewat jenuh.

2.2 KONSEP TERMODINAMIKA

2.2.1 Diagram Fase Zat Murni

Zat murni misalkan air dapat berwujud fase padat, cair, atau gas. Air

berubah fase menjadi gas pada temperatur sekitar 100 oC apabila tekanannya 1 atm.

Gambar (2.3) dibawah menunjukkan diagram perubahan fase padat-cair-gas pada

suatu zat, dengan koordinat tekanan dan temperatur (Halliday et.al,1993).

Dari sifat tersebut di atas dapat digambarkan diagram perubahan fase dari

suatu zat murni secara lengkap, yaitu pada semua lingkup keadaan zat murni

tersebut. Contoh diagram perubahan fase lengkap diperlihatkan pada Gambar (2.4a)

dengan koordinat P-v dan Gambar (2.4b) untuk koordinat T-v. Garis fase berbentuk

lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis di sebelah kiri adalah garis liquid jenuh

xxi

dan garis di sebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik puncaknya merupakan titik

kritis, dimana di atas titik tersebut kondisi fase liquid dan gas bersamaan. Keadaan

titik kritis untuk zat murni air terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur

Tcr = 374,14oC. Daerah di antara garis liquid jenuh dengan garis uap jenuh adalah

daerah terjadinya campuran antara fase cair dan fase gas.

Gambar 2.3 Diagram perubahan fasa cair – gas pada zat

(a) Koordinat P-v (b) Koordinat T-v

Gambar 2.4. Diagram perubahan fasa suatu zat murni Sumber: (Sujito,dkk., 2004)

Garis putus-putus pada Gambar (2.4a) menunjukkan lintasan proses

penguapan zat murni pada tekanan konstan P1 dan P2 (dengan P2 > P1). Garis a-b

menunjukkan pemanasan pada fase liquid sampai mencapai titik cair jenuh di b.

Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada temperatur

konstan dan tekanan konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c adalah kondisi

campuran antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d

xxii

adalah 100% fase gas. Selanjutnya garis c-d menunjukkan pemanasan lanjutan dari

uap, sehingga kondisi uapnya disebut uap panas lanjut (superheated steam). Panas

yang dibutuhkan untuk pemanasan air pada garis a-b dan pemanasan uap pada garis

c-d disebut panas sensibel, sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan

pada garis b-c disebut panas laten. Terlihat pada Gambar (2.4) bahwa semakin tinggi

tekanan fluida (juga temperaturnya), semakin pendek garis penguapan (garis b-c

untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang dibutuhkan. Garis putus-

putus pada Gambar (2.4b) adalah garis isothermis diagram penguapan dengan

koordinat T-v (Sudjito,dkk., 2004).

2.2.2 Sistem Thermodinamika

Terdapat dua jenis sistem termodinamika, yaitu sistem tertutup dan sistem

terbuka. Pada sistem tertutup yang melewati garis batas (boundary layer) hanyalah

aliran kalor dan kerja saja, sedangkan pada sistem terbuka, fluida kerja melintasi

batas dari sistem. Dalam analisis termodinamika pada sistem tertutup biasanya

digunakan massa atur (control mass) dan pada sistem terbuka digunakan volume

atur (control volume). Perubahan keadaan pada substansi kerja menunjukan proses

termodinamika. Pada sistem tertutup proses termodinamika disebut proses tanpa

aliran (non-flow processes), untuk proses sistem terbuka disebut proses dengan

aliran (Mitrakusuma,2004).

Energi dapat melintasi batas dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk

yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work). Panas didefinisikan sebagai bentuk

energi yang dapat berpindah antara dua sistem (atau dari sistem ke lingkungan)

dengan sifat perbedaan temperatur. Dalam termodinamika panas diistilahkan dengan

transfer panas (heat transfer) (Sudjito,dkk.,2004). Kerja adalah suatu bentuk

interaksi antara sistem dan lingkungan. Kerja didefinisikan sebagai energi transfer

yang berhubungan dengan gaya yang menempuh sebuah jarak.

2. 3. FLUIDA

xxiii

Fluida didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir yaitu zat cair dan zat

gas (termasuk gas yang terionisasi atau plasma). Secara umum fluida dibedakan

menjadi 2 bagian yaitu fludia statis dan fluida dinamis.

2.3.1 Fluida Statis

Fluida statis salah satunya adalah membahas mengenai tekanan. Tekanan

didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida pada satu satuan unit luas area. Secara

matematik tekanan P dirumuskan :

PdAdF (2.1)

dengan

dF : gaya yang dialami oleh elemen luas (N)

dA : elemen luas dari permukaan fluida (m2)

P : tekanan fluida (N/m2)

Secara mikroskopik gaya ini merupakan pertambahan momentum per

satuan waktu yang disebabkan oleh tumbukan molekul-molekul fluida di permukaan

tersebut. Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1

N/m2. Dalam analisis termodinamika satuan tekanan umumnya digunakan kilopascal

(1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup

dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai

berikut : 1 bar = 105 Pa = 100kPa, 1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325

bar (Sudjito, dkk.,2004).

2.3.2 Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Fluida

dinamis membahas mengenai persamaan kontinuitas dan Bernoulli.

2.3.2.a Persamaan Kontinuitas dan Bernoulli

xxiv

Pada fluida dalam keadaan bergerak persamaan kontinuitas menyatakan

hubungan antara kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan

fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatakan (Halliday et.al,1993):

QAVAV 2211 (2.2)

dalam hal ini

Q : debit air yaitu jumlah volume cairan per satuan waktu (m3/s)

V1 : kecepatan fluida pada ujung 1 (m/s)


A1 : luas permukaan pada ujung 1 (m2)

A2 : luas permukaan pada ujung 2 (m2)

Persamaan kontinuitas tidak mempertimbangkan tekanan dan ketinggian

dari ujung-ujung pipa maka persamaan kontinuitas diperluas menjadi persamaan

Bernoulli (Tippler,1991).

22

2212

11 ..21..

21 hgVPhgVP (2.3)

dengan

P1 : tekanan pada ujung 1 (N/m2)

P2 : tekanan pada ujung 2 (N/m2)



h1 : tinggi ujung 1 (m)

h2 : tinggi ujung 2 (m)

: densitas atau massa jenis (kg/m3)

g : percepatan gravitasi (m/s2)

Sedangkan fluida yang mengalir pada pipa mendatar (h1=h2) sehingga

persamaan (2.3) dapat dituliskan menjadi :

xxv

)(21 2

12

221 VVPP (2.4)

atau Persamaan (2.4) dapat dituliskan dalam bentuk yang lain :

2

2

12

2 12 V

VVP (2.5)

Fluida yang mengalir pada pipa yang mengalami penyempitan penampang

atau dikenal dengan pipa Venturi seperti Gambar (2.5), kelajuan alirnya dihitung

dengan persamaan Bernoulli. Kelajuan alir ini dipengaruhi besarnya tekanan dan

luas penampang (Serway et. al.,2004)

.

Gambar 2.5. Aliran Fluida Melalui Pipa Venturi

Sumber: (Serway et. al.,2004)

2.3.2.b Fluida Yang Mengalir Melalui Orifice

Apabila fluida yang mengalir pada sebuah pipa mendatar yang telah diberi

lubang pemicu (orifice) seperti pada Gambar (2.6) pada prinsipnya adalah sama

degan fluida yang mengalir pada pipa Venturi. Orifice ini berpengaruh terhadap

penurunan tekanan akibat adanya perbedaan luas penampang.

Gambar 2.6. Aliran Fluida Melalui Small Cylindrical Orifice

Sumber : (LMNO Engineering,2002)

xxvi

2

1

2

212

1

)(2

AA

PPV

Maka laju aliran melalui orifice yang kecil seperti pada Gambar (2.6) di

atas adalah dengan cara mengukur tekanan differensial (P1–P2) yang melintasi

lempeng orifice. Kecepatan alir fluida melalui orifice dapat dihitung dengan

persamaan (LMNO Engineering,2002) :

(2.6)

Adapun jumlah massa yang mengalir melintasi sebuah orifice per satuan

waktu disebut mass flow rate (laju aliran massa) dan dinotasikan dengan Qm . Jika

fluida mengalir masuk dan keluar melalui pipa, massa yang masuk adalah

proporsional terhadap luas permukaan (A) dari pipa, densitas dan kecepatan dari

fluida. Laju aliran massa dapat dihitung dengan persamaan (2.7) (Allen,2006)

VAQm (2.7)

Untuk menghitung laju aliran massa melalui orifice silinder, kecepatan alir

yang digunakan adalah V2 (kecepatan alir pada orifice) dan luas penampang orifice

lebih kecil dari luas penampang pipa (A2 < A1), sehingga dengan substitusi

persamaan (2.6) pada persamaan (2.7) diperoleh persamaan kelajuan alir massa ideal

yang dapat dirumuskan (Allen,2006; Efunda,2009) :

2

1

2

2

1

2

AA

APQmideal (2.8)

dengan

Qmideal : laju aliran massa per satuan waktu (kg/s)

xxvii

P : perbedaan tekanan (N/m2)


A1 : luas permukaan pipa (m2)

A2 : luas permukaan orifice (m2)

Persamaan (2.8) ini merupakan persamaan laju aliran massa fluida

taktermampatkan tanpa adaya nilai viskositas yang hilang (Allen,2006). Persamaan

ini juga disebut persamaan laju aliran secara teoritis yang menyatakan hubungan

antara laju aliran massa dengan penurunan tekanan pada alat ukur secara tidak

langsung. Dengan kondisi penampang yang berbeda, maka karakteristik aliran juga

berbeda sehingga dibutuhkan faktor koreksi untuk angka Reynold dan perbandingan

diameter dari alat ukur, yakni koefisien discharge (Cd) (Mahandari,2009), sehingga

persamaan (2.8) dapat dimodifikasi menjadi :

2

1

2

2

1

2

AA

APCdQmactual (2.9)

Untuk mempermudah dalam pernyataan persamaan yang digunakan,

terdapat parameter yang menyatakan perbandingan besarnya diameter orifice (D2)

dengan diameter pipa (D1), rasio diameter dinotasikan denan β dan dituliskan:

1

2

DD

, sehingga 2

1

24

AA

(2.10)

Parameter lain yang digunakan untuk mempermudah pernyataan persamaan laju

aliran yaitu faktor pendekatan kelajuan alir (K) dapat dinyatakan :

41

CdK (2.11)

xxviii

Dengan substitusi persamaan (2.11) pada persamaan laju aliran ideal (2.9)

maka diperoleh persamaan :

PKAQm ctuala 21 (2.12)

Faktor pendekatan kelajuan alir (K), koefisien discharge (Cd) dan

perbandingan diameter () merupakan parameter yang tidak berdimensi yang

digunakan untuk mempermudah pernyataan mengenai laju aliran (Efunda,2009).

Kecepatan alir volume (kapasitas) tiap detik dari suatu fluida juga dapat

dihitung dengan mengembangkan persamaan laju aliran massa terhadap jenis fluida.

Sehingga yang mempengaruhi kecepatan alir volume tiap detik adalah densitas dari

fluida yang mengalir. Kecepatan alir volume tiap detiknya dapat dituliskan dengan

persamaan (2.13) :

2

1

2

2

1

2

AA

APCdQa (2.13)

dalam hal ini

Qa : kecepatan alir volume tiap detik (m3/s)

Cd : koefisien discharge


Untuk mengetahui sifat aliran fluida yang mengalir umumnya dinyatakan

dengan suatu parameter yang disebut Reynold number (angka Reynold). Reynolds

number (Re) ini merupakan parameter yang tidak berdimensi yang digunakan untuk

mengklasifikasikan jenis aliran fluida, Re dirumuskan (Allen,2006) :

DVRe (2.14)

xxix

Di mana merupakan nilai viskositas mutlak dari suatu fluida. Bila nilai Re

< 2000, maka aliran tersebut berupa aliran laminer, dan bila Re > 3000 aliran ini

bersifat turbulen, dan bila 2000 < Re < 3000 maka aliran ini bersifat transisi atau

tidak stabil (Djuhana,2006). Fluida bergerak melalui dengan laju aliran yang

meningkat mengakibatkan partikel bergerak dengan gerakan acak dan kompleks,

kecepatan gerakkan acak ini disebut kecepatan kritis. Gambar (2.7) di bawah ini

memperlihatkan jenis-jenis aliran fluida berdasarkan nilai Re.

(a) Aliran Laminer (b) Aliran Turbulen

Gambar 2.7. Jenis Aliran Fluida Berdasarkan Besarnya Reynolds Number

Sumber : (Djuhana,2006)

Aliran laminer terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak teratur

dengan membentuk garis lintasan kontinu dan tidak saling berpotongan, terjadi

apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan mempunyai

kekentalan besar. Pada aliran turbulen, partikel-partikel bergerak tidak teratur dan

garis lintasannya saling berpotongan, terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran

besar dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. Aliran transisi merupakan aliran

peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen (Ridwan,2008).

Nilai perbandingan diameter orifice terhadap diameter pipa (), dan angka

Reynold juga mempengaruhi besarnya koefisien discharge (Cd). Untuk menghitung

koefisien discharge (Cd) pada orifice pada posisi corner taps :

75.0

5.281.2

Re71.91184.00312.05959.0 Cd (2.15)

xxx

Dimana besarnya Cd menentukan besarnya laju aliran pada tiap-tiap bentuk

orifice. Cd juga merupakan ukuran bukaan (jet) suatu bentuk orifice. Koefisien

discharge ini juga merupakan rasio antara laju aliran aktual terhadap laju aliran ideal

(Septiadi, 2008).

Apabila sebuah aliran fluida yang telah diberi orifice, maka aliran tersebut

dapat menghasilkan sebuah pola tertentu, di mana pola ini dipengaruhi oleh jenis

atau bentuk serta ukurannya. Terdapat 3 jenis orifice yang umumnya digunakan

yaitu cylindrical orifice, cone orifice, dan juga streamline orifice. Pada orifice

sehingga pemasangan ini akan menimbulkan efek tertentu pada pola alirannya

(Begenir, et. al, 2003).

(a) (b) (c) (d)

Gambar 2.8. Jenis – jenis Orifice (a) Cone Up Orifice (b) Cone Down Orifice

(c) Cylindrical Orifice (d) Streamline Orifice

Sumber : (Wang, et. al,2007; Begenir, et. al,2003)

Dari berbagai macam jenis orifice yang digunakan seperti pada Gambar

(2.8) di atas maka akan dapat diketahui jenis aliran fluida yang mengalir padanya.

Untuk mengetahui termasuk dalam jenis aliran laminer, turbulen, atau transisi maka

dapat dihitung besarnya Re (Wang, et. al,2007).

Dari berbagai macam orifice yang telah dijelaskan sebelumnya maka

masing-masing orifice bila dilalui fluida dapat menghasilkan sudut semburan (spray

angle) yang berbeda-beda. Perbedaan spray angle ini dipengaruhi oleh besarnya luas

penampang dan juga jenis orifice. Dengan luas penampang orifice yang semakin

besar maka nilai Re juga semakin besar maka aliran fluida yang melaui orifice

menjadi bersifat turbulen. Sifat aliran ini mempengaruhi besarnya spray angle yang

dihasilkan dari orifice maupun nozzle (Tafreshi et. al,2003).

xxxi

2.4. KACA DAN ARSITEKTUR

Kaca merupakan material bangunan yang memungkinkan untuk melihat

objek yang berada dibaliknya, sehingga mata dapat melihat lebih jauh, meskipun

secara ruang terbatasi oleh kaca. Kaca dapat mengakomodir kebutuhan fungsional

seperti memasukkan cahaya, fungsi estetis, ekspresi bangunan dan lain-lain sehingga

penggunaannya menjadi sangat lazim dalam struktur bangunan modern

(Hindarto,2008).

2.4.1 Definisi Kaca

Dalam perspektif kajian material, kaca bersifat amorf, thermoplastic dan

dapat dibentuk pada temperatur di atas 2300 oF (1216 oC). Dalam keadaan cair, kaca

merupakan persenyawaan kimia, tetapi jika dibiarkan lama dalam keadaan cair,

maka beragam senyawa tersebut menghambur. Keadaan menghambur ini, disebut

dengan istilah membeku. Untuk mencegahnya, kaca harus melewati temperatur

kristalisasi secepat mungkin sehingga menjadi amorf, benda solid yang keras,

transparan, dan lembam kimiawi (Gusriharjo,1999).

Beberapa sifat-sifat kaca secara umum (Ladelta,2007)

a. Padatan amorf (short range order).

b. Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu)

c. Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 1012 Pa.s)

d. Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluorida. Karena

itulah kaca banyak dipakai untuk peralatan laboratorium.

e. Efektif sebagai isolator.

f. Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan.

2.4.2 Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah

Karena sifatnya yang unik penggunaan kaca bervariasi antara lain sebagai

atap, dinding, lantai, jendela dan pintu serta anak tangga. Kaca memiliki berbagai

spesifikasi yang bervariasi sehingga mempermudah dalam penggunaannya untuk

berbagai keperluan.

xxxii

Penggunaan kaca untuk dinding misalnya, dapat memberikan keleluasaan

pandangan baik dari dalam ke luar maupun sebaliknya. Pada desain yang tepat guna,

keleluasaan pandangan ini dinilai sangat bermanfaat, misalnya antara ruang keluarga

dan taman, sehingga taman dapat dinikmati secara penuh dari dalam rumah

(Hindarto,2008)

Dinding kaca memberikan efek serupa cermin. Fungsinya bukan untuk

memantulkan bayangan ruang, namun lebih pada "meniadakan" batas antar ruang.

Kaca-kaca transparan berukuran besar dapat membawa suasana alami ke dalam

ruang. Dengan dinding transparan, batas antara ruang luar dan dalam seolah hilang

(Anissa,2009).

2.4.3. Rancangan Jendela Berpenutup Ganda

Dalam bidang arsitektur, penelitian dengan menggunakan rancangan

jendela berpenutup ganda telah dan sedang dikembangkan. Rancangan ini

menggunakan dua buah kaca yang diatur jaraknya sehingga terdapat celah antara

dua kaca yang disatukan tersebut atau rancangan ini sering disebut dengan double

layer chamber. Salah satu penelitian yang dilakukan dengan rancangan ini adalah

penelitian oleh Carl Bookbinder. Adapun desain dari invensi Carl Bookbinder

(1983) adalah seperti terlihat pada Gambar (2.9)

Gambar 2.9. Rancangan Jendela oleh Carl Bookbinder

Sumber: (US Patent No. 4390240,1983)

xxxiii

Invensi oleh Carl Bookbinder telah dipatenkan dan dipublikasikan dalam

paten Amerika nomor 4390240 pada tahun 1983. Penelitiannya menggunakan

desain jendela yang difungsikan sebagai cermin, yaitu dengan menggunakan dua

kaca yang didesain dengan model double layer chamber yang dialiri fluida yang

dihasilkan dari peningkatan air raksa pada reservoir sehingga air raksa dapat

membuat kaca berfungsi menjadi cermin, invensinya ini juga untuk menghasilkan

jendela yang mampu merefleksikan dan menyerap energi matahari secara maksimal.

BAB III

METODELOGI PENELITIAN

3.1. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu metode

eksperimental. Adapun kegiatan dalam penelitian meliputi pengukuran tekanan

uap, konstruksi instrumen, pengambilan data, pengolahan data hasil pengamatan

dan pengukuran, pembuatan pola distribusi steam yang terbentuk.

Pengukuran tekanan uap dilakukan untuk mengetahui perbedaan

tekanan antara steam dengan tekanan air. Konstruksi instrumen meliputi

pembuatan saluran uap, pembuatan kontrol uap dan pembuatan rancangan

jendela berpenutup ganda. Pengukuran laju aliran uap melalui orifice silinder

dilakukan dengan penghitungan secara eksprimental dan perhitungan

menggunakan persamaan sesuai pada literatur yang terdapat pada pembahasan

sebelumnya.

xxxiv

Pengolahan data dilakukan dengan menggunakan software GOM Player

yang digunakan untuk memotong (capture) hasil rekaman video pola distribusi

steam pada tiap-tiap waktu. Pembuatan pola distribusi steam dilakukan dengan

menggabungkan beberapa gambar hasil pengolahan data pada tiap-tiap waktu

yang telah didapatkan sebelumnya dengan menggunakan software Adobe

Photoshop CS3 Portable.

3.2. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Bengkel Jurusan Fisika Fakultas

MIPA dan di Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret mulai dari bulan

Maret 2009 sampai dengan bulan Juni 2009.

3.3 Alat dan Bahan Yang Digunakan

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian antara lain: pemanas air

(heater) untuk menghasilkan steam, sampel kaca jendela sebagai media untuk

mengetahui pola distribusi steam, pipa aluminium untuk mengalirkan steam,

sponge (busa) dengan dua permukaan (halus dan kasar) untuk media penyaring

uap, kasa strimin untuk penyangga busa, kaleng bekas untuk menampung air

pada kontrol uap, karet polypropylene (PP) sebagai petutup heater dan kontrol

uap, kamera video SONY Cyber-shot tipe DSC – S730 dengan resolusi 7.2

megapixel untuk merekam video distribusi steam, perangkat komputer dengan

software GOM player dan Adobe Photoshop CS3 Portable, stopwatch, jangka

sorong, gelas ukur, pressure gauge dengan manometer untuk mengukur tekanan

xxxv

Mulai

Penyiapan alat dan bahan

Pengukuran tekanan uap

uap, thermometer, kayu tripleks untuk menyangga saluran uap, acrylic untuk

menyangga sampel kaca, klem paku, serta alat tulis

Sedangkan bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian antara lain : air,

polimer untuk lem acrylic, bahan perekat, sillikon gel untuk merekatkan orifice

silinder pada pipa saluran uap, tissue untuk mebersihkan sisa uap yang terdapat pada

kaca jendela.

Adapun set up alat penelitian disajikan pada Gambar (3.1).

Gambar 3.1 Set up Alat Penelitian

Keterangan :

A : rancangan jendela berpenutup ganda (model bilik)

B : kayu tripleks penyangga saluran uap

C : kontrol uap

D : saluran uap dari pipa aluminium

E : heater (pemanas air)

3.4. Prosedur Penelitian

3.4.1. Diagram Alir penelitian

Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti disajikan dalam

diagram alir pada Gambar (3.2).

A

B

C

D

E

xxxvi

Gambar 3.2. Diagram alir tahap-tahap penelitian

Keterangan dari diagram alir tahap-tahap penelitian adalah sebagai berikut:

3.4.1a Penyiapan Alat

Penyiapan alat dalam penelitian meliputi pencarian serta pengumpulan alat

dan bahan yang akan digunakan dalam pembuatan alat penelitian. Alat yang

xxxvii

digunakan adalah pemanas air sebagai penghasil steam, pipa aluminium sebagai

saluran uap, kaca sebagai media untuk melihat pola distribusi steam, orifice silinder

berbagai ukuran, kamera video sebagai penangkap pola distribusi steam dan

beberapa alat dan bahan penunjang yang lain.

3.4.1b Pengukuran Tekanan Uap

Pengukuran tekanan uap dilakukan untuk mengetahui berapa besar tekanan

steam yang digunakan dalam penelitian ini. Alat yang digunakan untuk mengukur

tekanan steam ini adalah pressure gauge. Pengukuran tekanan steam digunakan

untuk mengetahui besarnya tekanan steam bila dibandingkan dengan tekanan air.

Pengukuran tekanan uap dilakukan pada saat air mulai mendidih pada pemanas air

hingga temperaturnya maksimum.

3.4.1c Konstruksi Instrumen

Konstruksi instrumen pada penelitian ini adalah pembuatan saluran uap,

pembuatan kontrol uap yang digunakan untuk mengkontrol jumlah uap berlebih dan

pembuatan rancangan jendela berpenutup ganda. Set up alat didesain sedemikian

sehingga steam yang mengalir tidak mengandung titik-titik air, karena dapat

berpengaruh terhadap pola distribusi steam yang dihasilkan menjadi tidak

maksimum. Pada rancangan jendela berpenutup ganda, bilik antara dua kaca

difungsikan untuk meletakkan pipa saluran uap, di mana pada pipa ini diletakkan

suatu orifice silinder untuk memicu pola distribusi steam.

3.4.1d Pengambilan Data Rekaman Video Pola Distribusi Steam

Pengambilan data berupa rekaman video pola distribusi steam yang melalui

orifice silinder. Pengambilan video ini dilakukan dengan menggunakan kamera

video SONY Cyber-shot tipe DSC – S730. Rekaman video ini digunakan untuk

mempermudah dalam mengetahui pola yang dibentuk. Waktu pengambilan rekaman

video adalah saat steam mulai mengalir pada orifice silinder hingga permukaan kaca

menjadi buram karena tertutup oleh steam.

xxxviii

3.4.1e Pengukuran Laju Secara Eksperimen

Pengukuran laju aliran secara eksperimen dilakukan dengan mengukur debit

air, yaitu dengan pengukuran perbedaan volume air sebelum dan sesudah dipanaskan

terhadap waktu yang digunakan steam pada saat memancar dari orifice silinder

hingga steam memenuhi bilik pada rancangan jendela berpenutup ganda secara

maksaimal.

3.4.1f Pengolahan Hasil Rekaman Video Dengan Software GOM Player

Pada kegiatan sebelumnya didapatkan hasil rekaman video distribusi steam,

untuk mempermudah melihat pola distribusi yang dibentuk pada waktu yang

dikehendaki digunakan software GOM Player. Software ini digunakan karena dapat

memutar video dan dapat memotong atau mengambil gambar pada waktu yang

dikehendaki, sehingga format video semula (AVI) berubah menjadi format gambar

(JPG). Gambar yang diperoleh dari pemotongan video adalah gambar pada waktu

yang dikehendaki.

3.4.1g Penghitungan Laju Aliran Secara Teoritis

Laju aliran steam yang melalui orifice silinder dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan matematis yang telah dibahas pada pembahasan

sebelumnya. Laju aliran ini disebut laju aliran secara teori, dan laju secara

eksperimen didapatkan dari pengukuran sebelumnya.

3.4.1h Pengolahan Data Gambar dengan Software Photoshop CS3 Portable

Setelah diperoleh gambar distribusi steam pada interval waktu tertentu,

selanjutnya gambar tersebut diolah dengan software Adobe Photoshop CS3 Portable

untuk memberikan warna pada pola distribusi steam pada waktu tertentu.

Pemberian warna pada gambar distribusi steam adalah untuk mempermudah dalam

mengetahui dan membedakan bentuk pola distribusi steam yang terjadi pada waktu

tertentu.

3.4.1i Pola Distribusi Steam Melalui Orifice Silinder

xxxix

Pola distribusi steam melalui orifice silinder merupakan gabungan dari

beberapa pola distribusi pada interval waktu tertentu. Adapun cara penggabungan

gambar pola distribusi adalah dengan cara menumpang-tindihkan semua gambar

pola distribusi steam yang terjadi menjadi satu kesatuan pola distribusi steam secara

utuh. Sehingga hasil akhir dari penggabungan gambar adalah sebuah pola distribusi

dari awal steam mulai memancar dari orifice silinder hingga steam memenuhi bilik

pada rancangan jendela berpenutup ganda.

3.4.1j Laju Penutupan Permukaan Jendela Maksimal

Laju penutupan permukaan jendela secara maksimal dapat diketahui dengan

cara menghitung luasan area distribusi steam pada tiap-tiap waktu. Luasan area

distribusi diketahui dengan cara menambahkan skala (grid) pada pola distribusi yang

terjadi. Dengan diketahui besarnya laju penutupan jendela secara maksimal maka

dapat diketahui ukuran orifice silinder dan konfigurasi yang tepat digunakan untuk

menghasilkan pola distribusi steam secara maksimal.

BAB IV

HASIL PENELITIAN dan PEMBAHASAN

Penelitian ini dilakukan untuk dapat mengetahui dan menganalisa pola

distribusi steam berdasarkan konfigurasi dan variasi ukuran orifice silinder pada

rancangan jendela berpenutup ganda. Orifice silinder digunakan untuk mengetahui

pola geomerti yang dibentuk dari sebaran steam yang melaluinya. Kegiatan dalam

penelitian meliputi pengukuran tekanan steam, konstruksi instrumen, pengambilan

data, pengolahan data hasil pengamatan dan pengukuran, pembuatan pola distribusi

steam serta laju penutupan permukaan jendela berpenutup ganda.

Orifice silinder yang digunakan terdiri dari berbagai ukuran. Pada penelitian

ini konfigurasi orifice silinder juga divariasikan untuk menghasilkan suatu pola

xl

distribusi steam yang berbeda. Adanya perbedaan ukuran ini dapat digunakan untuk

mengetahui perbedaan bentuk geometri dari distribusi steam, sedangkan

konfigurasinya digunakan untuk mengetahui perubahan efek geometris dari

distribusi steam tersebut.

Hasil penelitian ini berupa pola geometris dari distribusi steam yang melalui

sebuah orifice silinder. Distribusi steam ditentukan dari besarnya kelajuan alirannya

dan distribusi ini dapat mempengaruhi besarnya laju penutupan permukaan jendela

berpenutup ganda. Dengan pola geometris yang terbentuk dapat diketahui ukuran

dan konfigurasi orifice silinder yang tepat digunakan untuk menghasilkan pola

distribusi secara maksimal.

4.1 Pengukuran Tekanan Uap Bertekanan (Steam)

Dalam penelitian dilakukan pengukuran tekanan air pada temperatur ruang

dan tekanan steam. Alat yang digunakan yaitu pressure gauge. Pengukuran tekanan

dilakukan dengan memanaskan air sebanyak 8,00 x 10-4 m3 pada cawan pemanas

dengan kondisi cawan pemanas terbuka, karena pressure gauge yang digunakan

pada bagian tabung harus tercelup ke dalam air agar skala tekanan pada manometer

dapat terbaca. Pengukuran tekanan dilakukan pada temperatur ruang yaitu 28 0C

hingga mencapai temperatur 98 0C. Hasil pengukuran disajikan dalam Gambar (4.1).

1.000

1.025

1.050

1.075

1.100

1.125

1.150

1.175

1.200

1.225

1.250

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

P (T

ekan

an) d

alam

Kgf

/ cm

2

T (Temperatur) dalam 0C

xli

Dari grafik di atas tampak bahwa tekanan pada temperatur ruang atau 280C

adalah sebesar 1,040 Kgf/cm2. Setelah itu air dipanaskan hingga mencapai titik

didihnya pada temperatur 98 0C. Pada keadaan ini dihasilkan uap maksimal dan

tekanan yang terukur adalah 1,220 Kgf/cm2. Hasil pengukuran tekanan secara

lengkap disajikan dalam Lampiran 1.

Berdasarkan tren grafik di atas diketahui bahwa peningkatan tekanan

sebanding dengan kenaikkan temperatur. Bila temperaturnya dinaikkan maka

tekanan yang terbaca pada manometer juga bertambah. Namun bila temperatur air

telah mencapai titik didihnya, peningkatan temperatur dan tekanan tidak

mengakibatkan perubahan fase. Uap yang dihasilkan merupakan jenis steam.

Steam yang dihasilkan dari pemanas air digunakan dalam penelitian, dengan

mengalirkannya melalui saluran uap hingga mencapai kontrol uap dan air yang

mengalir bersama steam sebagian terjebak di dalam kontrol uap dan sebagian steam

mengalir kembali menuju segmen saluran uap berikutnnya hingga menuju rancangan

jendela berpenutup ganda, kemudian tersembur melalui orifice silinder. Semburan

tersebut akan memenuhi bilik dan membuat kaca tampak lebih buram. Semburan ini

membentuk pola geometris tertentu yang dihasilkan dari distribusi tersebut.

Tekanan uap terukur adalah tekanan uap dalam cawan yang masuk menuju

saluran berbentuk pipa. Sementara tekanan steam yang keluar dari semburan oleh

orifice silinder pada penelitian ini tidak dilakukan, karena dibutuhkan alat khusus

yang difungsikan untuk mengukur tekanan pada orifice dengan ukuran kecil. Namun

pada penelitian ini perbedaan tekanan steam pada pipa dan orifice silinder dapat

ditentukan dari pengukuran laju aliran dengan menggunakan persamaan Bernoulli

dan kontinuitas yang telah dijelaskan pada literatur. Selain itu pengukuran tekanan

uap juga digunakan untuk menentukan besarnya Reynold number guna mengetahui

jenis aliran yang dihasilkan.

4.2 Konstruksi Instrumen

Dalam penelitian ini telah berhasil dibuat sebuah alat yang dapat

digunakan untuk melihat pola distribusi steam yang melalui sebuah orifice

Gambar 4.1. Grafik Perubahan Tekanan Terhadap Kenaikan Temperatur

xlii

D

C

3 1

2

A

4 5

B

silinder. Pembuatan alat ini meliputi pembuatan saluran uap, pembuatan kontrol

uap, dan pembuatan rancangan jendela berpenutup ganda.

4.2.1 Pembuatan Saluran Uap

Saluran uap dalam penelitian ini meliputi segmen penghubung cawan

pemanas dengan kontrol uap dan segmen kontrol uap menuju bilik serta segmen

untuk pembuangan titik-titik air berlebih. Ketiga segmen saluran tersebut terbuat

dari bahan pipa aluminium berdiameter 9,246 x 10-3 m. Pipa aluminium digunakan

karena sifatnya yang tidak cepat mengalami korosi (pengkaratan) karena pipa ini

digunakan secara terus-menerus dan di dalamnya dialirkan steam, apabila pipa

berkarat maka dapat mempengaruhi laju aliran steam tersebut. Khusus pada pipa

aluminium yang terletak pada bilik terdapat lubang di permukaannya untuk

meletakan orifice silinder. Rancang bangun saluran uap sangat penting untuk

diperhatikan guna memastikan tidak terdapat titik air berlebih di dalam saluran uap

maupun bilik.

Desain pembuatan saluran ini mengalami beberapa kali perubahan. Pada

awalnya set up alat didesain mendatar seperti pada Gambar (4.2).

Gambar 4.2 Skema Set Up Alat dengan Desain Mendatar

xliii

Dari bentuk desain mendatar seperti pada Gambar (4.2) di atas, steam

dan uap air yang dihasilkan lebih cepat naik dan menuju ke saluran uap menjadi

tidak tertampung oleh pengontrol uap karena jumlahnya yang berlebih. Hal ini

mengakibatkan air dalam kontrol uap kembali mengalir pada segmen saluran uap

yang menuju ke dalam bilik, sehingga orifice silinder tidak hanya memancarkan

steam tetapi juga mengalirkan titik-titik air yang terbawa bersamanya. Oleh

karena itu di dalam bilik terdapat titik-titik air yang lebih banyak dan menempel

di permukaan kaca pada rancangan jendela. Karena itu desain mendatar ini perlu

Keterangan :

1. Pemanas air

2. Saluran uap

3. Kontrol uap

4. Kayu tripleks penyangga saluran uap

5. Rancangan Jendela berpenutup ganda

A. Saluran inlet kontrol uap

B. Saluran outlet kontrol uap

C. Orifice Silinder

D. Saluran pembuangan uap berlebih

xliv

D

C A

3 3 1

2 4 5

B

diubah dengan desain saluran uap yang membentuk elivasi sebagaimana

ditunjukkan dalam Gambar (4.3).

Gambar 4.3 Skema Set Up Alat dengan Desain Membentuk Elivasi.

Rancang bangun yang telah diperbaiki dapat mengalirkan uap dengan

fraksi titik-titik air yang lebih sedikit dari pada rancangan semula. Namun

demikian menyertakan dampak waktu untuk mencapai bilik menjadi lebih lama.

Hal ini dikarenakan, uap membutuhkan gaya dan tekanan yang lebih besar untuk

dapat mengalir dan naik melalui saluran ini. Adanya titik-titik air di dalam bilik

menyebabkan pola distribusi steam menjadi tidak maksimal. Untuk mengatasi

permasalahan tersebut maka telah dikembangkan rancang bangun versi ketiga

xlv

D

B

A

2 4

3

1 5

C

sebagaimana tampak pada Gambar (4.4). Rancangan ini diberi nama rancangan

kombinasi.

Gambar 4.4 Skema Set Up Alat dengan Desain Kombinasi.

Rancang bangun kombinasi ini mampu mengurangi jumlah titik air

yang terbawa dan mengalir bersama steam. Kontrol uap juga dapat berfungsi

maksimal dalam mengkontrol steam yang mengalir. Sehingga rancang bangun

kombinasi digunakan dalam penelitian karena mampu membuat steam dan titik-

titik air yang memiliki tekanan dan gaya cukup yang mampu membuatnya naik

ke atas menuju saluran uap, kemudian gaya tersebut dilepaskan untuk masuk ke

dalam kontrol uap dan titik-titik air menjadi mudah turun dan masuk ke dalam

kontol uap. Di dalam kontrol uap, titik-titik air yang kembali naik terlebih dahulu

diserap oleh busa yang terdapat dalam konrtol uap dan sebagian titik air tersebut

dapat terkungkung di dasar kontrol uap sehingga hanya steam dengan tekanan

xlvi

2h h

2h

cukup yang mampu mengalir kembali pada saluran uap berikutnya. Oleh karena

itu rancang bangun versi ketiga ini mampu mendistribusikan steam secara

maksimal, dan pada permukaan kaca fraksi titik-titik air menjadi lebih sedikit

dibandingkan dengan kedua rancang bangun sebelumnya.

4.2.2. Pembuatan Kontrol Uap

Kontrol uap berfungsi sebagai tempat pengontrol jumlah uap berlebih yang

dihasilkan dari pemanas air, selain itu kontrol uap merupakan tempat yang

digunakan untuk menampung uap dan air yang mengalir dari segmen saluran uap

dari cawan pemanas dan mengalirkannya kembali menuju ke saluran uap berikutnya.

Kontrol uap terbuat dari kaleng bekas dan berdiameter 0,151 m yang telah dirancang

sedemikian sehingga mampu menampung air dan mengalirkan sebagian steam untuk

diteruskan menuju segmen saluran berikutnya. Pada kontrol uap ini terdiri dari dua

segmen saluran yaitu saluran masukkan (inlet) dan saluran keluaran (outlet). Salutan

inlet merupakan saluran yang menghubungkan cawan pemanas air menuju kontrol

uap, sedangkan saluran outlet menghubungkan kontrol uap dengan saluran uap yang

menuju bilik pada rancangan jendela berpenutup ganda.

Adapun rancang bangun kontrol uap mempengaruhi banyaknya air dan

steam yang mampu ditampung di dalamnya. Pada penelitian ini rancang bangun

kontrol uap mengalami beberapa perkembangan untuk mendapatkan kontrol uap

yang berfungsi secara maksimal. Rancang bangun kontrol uap tersebut dapat

disajikan seperti tampak pada Gambar (4.5).

xlvii

(a) (b) (c)

Gambar 4.5 Rancang Bangun Kontrol Uap

(a) Model Awal; (b) Model Kedua; (c) Model Akhir

Rancang bangun kontrol uap model awal seperti tampak pada Gambar

(4.5a), kontrol uap tersebut terbuat dari kaleng bekas yang mempunyai ukuran

ketinggian 0,10 m dan berdiameter 0,151 m dan pada bagian atas kaleng ditutup

menggunakan karet polypropylene yang berfungsi sebagai penutup kontrol uap

agar temperatur di sekitarnya tidak dapat mempengaruhi temperatur steam yang

berada di dalamnya. Pada kontrol uap terdapat dua saluran uap yang berfungsi

mengalirkan steam, posisi pipa inlet dan pipa outlet mempunyai kedalaman yang

sama di dalam kontrol uap. Di dalam kontrol uap terdapat kasa filter akuarium

yang dibuat berlapis, digunakan untuk menyerap air dan steam yang masuk ke

dalam kontrol uap. Model ini belum mampu menampung titik air dalam jumlah

banyak dan kasa filter tidak dapat menyerap titik air secara maksimal. Oleh

karena itu, model ini diganti dengan model kedua seperti terlihat pada Gambar

(4.5b).

Model kedua dari rancang bangun kontrol uap juga terbuat dari kaleng

bekas berdiameter 0,151 m dan tinggi kaleng yang digunakan tersebut dua kali

tinggi kaleng yang digunakan pada kontrol uap sebelumnya, sehingga ketinggian

kaleng bekas pada kontrol uap model kedua menjadi 0,20 m. Kotrol uap ini juga

xlviii

ditutup menggunakan karet polypropylene, di dalamnya tidak lagi menggunakan

kasa filter akuarium karena ketidakmampuannya menyerap air secara maksimal,

maka penggunaanya diganti dengan menggunakan busa (sponge) dengan

ketebalan 0,05 m. Busa ini terdiri dari dua lapisan permukaan yaitu lapisan

permukaan yang halus dan lapisan permukaan yang kasar. Fungsi busa adalah

untuk menyerap dan menyaring uap dan air yang masuk dan keluar. Agar

terdapat jarak antara busa dengan dasar kontrol uap digunakan penyangga berupa

kasa strimin. Jarak ini berfungsi sebagai tempat menampung air yang masuk.

Model ini juga belum berfungsi secara efektif dalam mengurangi jumlah air yang

keluar dari kontrol uap, hal ini disebabkan karena posisi saluran inlet dan outlet

mempunyai kedalaman yang sama.

Pengembangan dari model kedua dengan posisi saluran inlet dan outlet

yang berbeda ketinggiannya disajikan pada Gambar (4.5c), model ini dinamakan

model ketiga. Posisinya inlet dibuat lebih dalam dari pada posisi outlet-nya, hal

ini berfungsi untuk mengalirkan steam dan air secara langsung menuju bagian

dasar kontrol uap tanpa melalui dan terserap terlebih dahulu oleh sponge

penghalang. Sedangkan saluran outlet dibuat lebih dangkal dari bagian penutup

kontrol uap, agar air dari dasar kontrol uap tidak secara langsung naik akan tetapi

tersaring dan diserap oleh pori-pori pada busa tersebut, untuk kemudian dapat

mengalir menuju segmen saluran berikutnya. Hal ini terbukti bahwa jumlah air

setelah melalui kontrol uap model ketiga menjadi lebih sedikit, sehingga model

ini menjadi lebih efisien dibandingkan rancangan sebelumnya. Oleh karena itu

xlix

d

b

a

c

e

model ketiga dari rancang bangun kontrol uap yang digunakan dalam penelitian

ini.

4.2.3. Pembuatan Rancangan Jendela Berpenutup Ganda

Rancangan jendela berpenutup ganda sering disebut sebagai double layer

chamber, karena diantara dua kaca terdapat jarak yang merupakan bilik (chamber).

Kaca yang digunakan merupakan jenis kaca yang lazim digunakan sebagai kaca

jendela, kaca yang digunakan berbentuk persegi dengan ukuran sisi-sisinya yaitu

0,20 m x 0, 20 m dan ketebalan 5 x 10-3 m. Bilik yang terdapat pada rancangan ini

dihasilkan dari dua kaca yang direkatkan dengan menggunakan karet

polyprophyline. Bilik ini mampu membuat uap tidak dapat keluar dari rancangan

jendela, yang berakibat uap yang mengalir terkungkung di dalamnya.

Pada bagian bawah rancangan jendela diletakkan pipa saluran uap dengan

orifice silinder. Untuk menyangga rancangan jendela agar sampel kaca tetap tegak

digunakan acrylic di bagian depan, belakang dan bawah dari rancangan jendela

berpenutup ganda. Gambar (4.6) merupakan rancangan jendela berpenutup ganda.

Keterangan :

a : Kaca Transparan

b : Acrylic

c : Pipa Saluran Uap

d : Bilik

e : Orifice silinder

l

Gambar 4.6 Desain Double layer Sampel Kaca Jendela

4.3 Pengambilan dan Pengolahan Data

Pengambilan data penelitian meliputi dua jenis kegiatan antara lain

pengambilan data distribusi steam dan pengukuran kelajuan alirnya secara

eksperimen. Pengolahan data distribusi steam digunakan software GOM Player

dan diolah kembali menggunakan software Adobe Photoshop CS3 Portable

untuk menghasilkan suatu gambaran pola distribusi steam. Sedangkan data hasil

pengukuran yang diperoleh, dibandingkan dengan perhitungan sesuai dengan

literatur pada pembahasan sebelumnya.

4.3.1 Pengambilan Data

Data distribusi steam diperoleh dari rekaman video. Untuk mendapatkan

rekaman video distribusi steam digunakan kamera video SONY Cyber-shot tipe

DSC-S730. Penggunaan kamera video hanya untuk mempermudah melihat efek

dari pola distribusi steam yang dihasilkan setelah melalui orifice silinder.

Kamera ini diletakkan tepat di depan rancangan jendela berpenutup ganda untuk

dapat mengamati secara langsunng pola yang dibentuk dari distribusi steam.

Data rekaman video disesuaikan dengan waktu yang digunakan steam untuk

memenuhi bilik rancangan jendela penutup ganda ini. Dengan waktu rekaman

video ini dapat diamati pola distribusi yang terbentuk. Adapaun skema

pengambilan data rekaman video seperti yang tampak pada Gambar (4.7).

li

B A

Gambar 4.7 Skema Pengambilan Data dengan Kamera Video

Pengambilan data secara eksperimen dilakukan untuk mengetahui laju

alir volume tiap detiknya. Laju alir volume tiap detik ditentukan dengan cara

mengukur jumlah volume air sebelum dan sesudah dialirkan terhadap waktu

yang dibutuhkan steam untuk mengalir hingga memenuhi bilik.

Pada penelitian digunakan jenis orifice silinder yang bervariasi ukuran,

agar diketahui perbedaan kelajuan alir masing-masing orifice yang digunakan.

Orifice silinder yang digunakan terbuat dari bahan yang mudah didapatkan di

pasaran dan terbuat dari bahan plastik berbentuk pipa silinder. Ukuran orifice

silinder disajikan dalam Tabel (4.1).

Tabel 4.1 Tabel Ukuran Orifice Silinder yang Digunakan

Jenis Orifice Diameter Orifice (m)

Keterangan : A : Rancangan

jendela berpenutup ganda

B : Kamera video

lii

Orifice Silinder 1 1,60 x 10-3






4.3.2 Pengolahan Data Gambar

Data hasil penelitian berupa rekaman video distribusi dan pengukuran

parameter-parameter yang digunakan untuk menghitung kelajuan alir steam.

Rekaman video merupakan rekaman distribusi steam dari keadaan mulai

mengalir hingga mencapai bilik dan steam dapat memenuhi permukaan kaca.

Untuk mengetahui pola distribusi steam, hasil rekaman video diolah dan diubah

dalam format penyajiannya, yaitu dari bentuk format video (AVI) menjadi

format gambar (JPG). Pengubahan format dari video ke gambar digunakan

software GOM Player. Dengan software ini distribusi steam tiap waktu dapat

disajikan dengan cara memotong dan mengambil (capture) video saat

ditampilkan, pengambilan gambar pada waktu tertentu sesuai yang dikehendaki.

Video tersebut dapat menghasilkan beberapa gambar yang menyajikan pola

distribusi steam pada masing-masing waktu tergantung banyaknya gambar yang

dipotong dan diambil sesuai dari banyaknya video saat capture.

Gambar yang diperoleh dari hasil capture merupakan pola distribusi

pada waktu capture yang telah dikehendaki. Pada penelitian ini waktu capture

liii

adalah setiap 5 detik pada saat steam mulai memancar hingga steam memenuhi

bilik dan menjadikan buram pada permukaan kaca. Contoh gambar distribusi

steam yang diperoleh dari proses capture disajikan seperti Gambar (4.8a).

Kemudian gambar steam yang memancar dari orifice silinder diberikan warna

untuk membedakan pola distribusi steam pada tiap-tiap waktu seperti terlihat

pada Gambar (4.8b).

(a) Pola distribusi hasil proses capture (b) Pola distribusi dengan warna

Gambar 4.8. Contoh pola distribusi steam pada waktu tertentu

Setelah semua gambar yang diperoleh diberikan warna untuk pola

distribusi, selanjutnya gambar-gambar tersebut digabungkan menjadi satu

gambar, dengan cara menumpang tindih antara gambar pola distribusi satu

dengan yang lainnya seperti pada Gambar (4.9a) hingga semua gambar distribusi

steam menjadi satu kesatuan gambar distribusi steam yang utuh. Proses

liv

penumpukan gambar ini dilakukan untuk lebih mudah dalam mengetahui bentuk

pola distribusi steam melalui orifice silinder. Penggabungan gambar diolah

dengan menggunakan software Adobe Photoshop CS3 Portable. Software ini

juga digunakan untuk mengubah warna semburan uap sehingga untuk

membedakan pola yang dibentuk tiap waktunya digunakan indeks warna. Pola

distribusi steam melalui orifice silinder secara utuh disajikan dalam Gambar

(4.9b).

(a) Penggabungan pola distribusi (b) Pola distribusi steam lengkap

Gambar 4.9. Pengolahan pola distribusi steam

Pola distribusi steam yang dibentuk masing-masing orifice silinder

dapat disajikan dalam gambar yang terdapat pada lampiran 2a. Dari gambar

lv

diketahui bahwa pola distribusi steam dipengaruhi oleh besarnya diameter orifice

silinder. Semakin besar diameter orifice maka pola yang dibentuk akan semakin

luas, dan waktu yang digunakan untuk memenuhi bilik menjadi semakin cepat.

Misalkan gambar pola distribusi untuk orifice silinder yang berdiameter 1,60 x

10-3 m, pola yang dibentuk tiap waktunya lebih rapat bila dibandingkan dengan

pola distribusi yang dibentuk dari orifice silinder dengan diameter 5,71 x 10-3 m,

sehingga dengan orifice silinder yang berdiameter 5,71 x 10-3 m permukaan

jendela yang tertutup steam membutuhkan waktu yang lebih sedikit bila

dibandingkan dengan yang lainnya.

Dengan menggunakan orifice silinder, sudut semburan yang dibentuk

(spray angle) adalah tegak lurus (900), karena steam yang memancar keluar

melalui orifice terdistribusi dan menutup daerah yang berada di atasnya.

Kemudian steam bergerak menjauhi arah semburan dan memenuhi bagian atas

dari bilik selanjutnya bergerak turun untuk memenuhi bagian di tepi dari

rancangan jendela ini. Daerah yang berada di sisi orifice silinder merupakan

daerah yang sulit dijangkau oleh distribusi steam, karena tertutup oleh

permukaan orifice silinder yang terpasang, sehingga pada penelitian ini hasil

yang didapatkan dari proses distribusi tidak mampu menghasilkan 100 % area

permukaan kaca terpenuhi oleh steam.

Adapun konfigurasi orifice silinder berpengaruh terhadap pola distribusi

steam yang terbentuk. Pola distribusi dengan adanya konfigurasi dapat disajikan

pada gambar yang terdapat pada lampiran 2b. Pada gambar yang disajikan, saat

orifice silinder pada konfigurasi di tengah saluran uap semburan yang dibentuk

lvi

steam bergerak lurus ke atas, kemudian setelah penuh steam didistibusikan ke

arah kanan dan kiri dengan sudut semburan (spray angle) yang tegak lurus,

namun saat orifice silinder diletakkan pada konfigurasi pada bilik bagian kanan

dari rancangan jendela berpenutup ganda diperoleh pola distribusi yang berbeda.

Sudut semburan yang keluar dari orifice silinder menjadi lebih besar, karena

steam yang terdistribusi menjangkau bagian bilik sebelah kiri. Dari pola

distribusi yang dihasilkan membuktikan bahwa konfigurasi orifice silinder

berpengaruh terhadap pendistribusian steam. Selain itu konfigurasi orifice juga

berpengaruh terhadap kecepatan distribusi steam, semakin dekat letak orifice

silinder dengan sisi kaca maka waktu yang digunakan juga semakin cepat.

Dengan adanya konfigurasi orifice silinder ini dapat diprediksikan bentuk pola

distribusi steam yang akan dihasilkan, sehingga konfigurasi ini sangat

bermanfaat untuk menentukan penempatan orifice untuk menghasilkan pola

distribusi sesuai dengan pola yang dikehendaki.

4.3.3 Pengolahan Data Pengukuran

Data hasil penelitian diperoleh antara lain : besarnya tekanan yang

masuk ke dalam pipa saluran uap, diameter orifice silinder dan pipa saluran,

volume air sebelum dan sesudah dipanaskan dan waktu yang dibutuhkan steam

untuk mengalir dari cawan pemanas hingga memenuhi bilik.

Besarnya volume dan waktu digunakan untuk menghitung nilai

kelajuan alir secara eksperimen yang digunakan untuk mengetahui perbedaan

tekanan uap. Secara matematis bila nilai perbedaan tekanan diperoleh, maka

kelajuan alir massa tiap detik dapat dihitung menggunakan persamaan yang telah

lvii

dijelaskan pada pembahasan sebelumnya. Besarnya kelajuan alir juga

dipengaruhi oleh besarnya diameter orifice silinder seperti disajikan dalam Tabel

(4.2).

Tabel 4.2 Tabel Nilai Kelajuan Alir Volume Tiap Detik

Diameter Orifice

(m)

Kelajuan Alir Volume

(Qv)

(m3/s)

1,60 x 10-3 1,869 x 10-07

2,02 x 10-3 2,614 x 10-07

2,95 x 10-3 4,598 x 10-07

3,47 x 10-3 6,579 x 10-07

4,76 x 10-3 1,250 x 10-06

5,71 x 10-3 1,622 x 10-06

Dari tabel di atas diketahui bahwa besarnya diameter adalah sebanding

dengan nilai kelajuan alir volume tiap detik. Dengan kata lain, steam yang keluar

dari orifice silinder berdiameter besar, lebih cepat memenuhi permukaan jendela.

Secara lengkap perhitungan kelajuan alir dapat dilihat dalam Tabel yang

terdapat pada lampiran 3.

lviii

Nilai kelajuan alir yang disajikan diatas, digunakan untuk mengetahui

besarnya kecepatan alir baik pada pipa maupun kecepatan alir yang melalui

orifice silinder. Besarnya kecepatan alir pada masing-masing orifice silinder

tampak pada Tabel (4.3).

Tabel 4.3 Tabel Nilai Kecepatan Alir pada Pipa dan Orifice Silinder

Diameter Orifice

(m)

Kecepatan Alir

pada Pipa (V1)

(m/s)

Kecepatan Alir pada

Orifice Silinder (V2)

(m/s)

1,60 x 10-3 2,785 x 10-3 9,30115 x 10-2

2,02 x 10-3 3,896 x 10-3 8,16199 x 10-2

2,95 x 10-3 6,850 x 10-3 6,73019 x 10-2

3,47 x 10-3 9,803 x 10-3 6,96030 x 10-2

4,76 x 10-3 1,863 x 10-2 7,0279 x 10-2

5,71 x 10-3 2,416 x 10-2 6,33589 x 10-2

Tabel di atas menunjukkan bahwa orifice silinder dapat mengakibatkan

kecepatan alir steam menjadi semakin cepat, oleh karena itu orifice silinder

berfungsi sebagai pemicu untuk menaikkan kecepatan alir. Semakin kecil ukuran

diameter orifice silinder yang digunakan maka semakin cepat orifice tersebut

lix

memicu steam yang mengalir melaluinya, karena tekanan yang dihasilkan dari

orifice silinder semakin besar.

Dari data yang diperoleh dapat dihitung nilai dari Reynold number (Re)

dan koefisien discharge (Cd). Kedua parameter berpengaruh terhadap distribusi

steam. Besarnya nilai Reynold number (Re) dan juga besarnya koefisien

discharge (Cd) disajikan pada Tabel (4.4). Nilai Reynold Number (Re) dan

koefisien discharge (Cd) merupakan suatu parameter yang tidak berdimensi,

namun besarnya nilainya berpengaruh terhadap distribus dan kelajuan alir steam.

Nilai Cd dipengaruhi oleh besarnya nilai Re. Sedangkan Re menunjukkan sifat

dari aliran distribusi steam. Dari tabel yang disajikan, dapat disimpulkan bahwa

jenis aliran steam pada penelitian ini termasuk jenis aliran turbulen, karena nilai

Re > 3000, atau aliran yang diakibatkan partikel-partikel yang bergerak bebas.

Tabel 4.4 Tabel Nilai Reynold Number (Re) dan Koefisien Discharge (Cd)

Diameter Orifice Reynold Number

(Re)

Koefisien Discharge

(Cd)

1,60 x 10-3 meter 5,300 x 105 5,96742 x 10-1

2,02 x 10-3 meter 5,872 x 105 5,97275 x 10-1

2,95 x 10-3 meter 7,071 x 105 5,98934 x 10-1

3,47 x 10-3 meter 8,601 x 105 6,00109 x 10-1

4,76 x 10-3 meter 1,191 x 106 6,03431 x 10-1

lx

5,71 x 10-3 meter 1,288 x 106 6,04996 x 10-1

4.4 Laju Penutupan Permukaan Jendela

Setelah diketahui gambar pola distribusi steam, maka dapat dihitung

besarnya laju penutupan permukaan jendela yaitu dengan cara menghitung

luasan daerah (area) bilik yang dipenuhi steam pada waktu tertentu. Untuk

menghitung luasan daerah digunakan bantuan skala (grid) untuk mempermudah

dalam menentukan berapa persen (%) steam yang terdistribusi. Grid atau skala

yang digunakan mempunyai ukuran 10 kolom x 10 baris sehingga total kotak

yang digunakan berjunlah 100, hal ini dilakukan untuk mempermudah dalam

pernyataan luasan area yang dibentuk. Sehingga bila pola distribusi steam yang

memenuhi kotak berjumlah 10, maka area yang dibentuk dari pola tersebut

adalah 10 %. Penghitungan luas daerah yang terdistribusi dilakukaan secara

sederhana, dengan menghitung jumlah luasan warna pola distribusi yang

menempati daerah pada kotak–kotak skala dan dihitung secara manual. Bila

warna pola distribusi yang menempati satu kotak tersebut mencapai setengah

bagian atau lebih maka area tersebut dihitung memenuhi satu kotak, sedangkan

bila kurang dari itu warna yang mengisi kotak tersebut dianggap tidak ada.

Sehingga pernyataan luasan area dinyatakan dalam persen. Gambar (4.10)

memperlihatkan bentuk pola distribusi steam yang telah diberikan kotak-kotak

skala untuk mempermudah pernyataan luas area yang dipenuhi oleh pola

distribusi.

lxi

Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela

5101520253035404550556065707580859095

100

Luas

Per

muk

aan

Jend

ela

(%)

d=1,60mm

d=2,02mm

d=2,95mm

d=3,47mm

d=4,76mm

d=5,71mm

Gambar 4.10. Pola distribusi steam dengan kotak-kotak skala

Adapun laju penutupan permukaan jendela untuk masing-masing orifice silinder

dapat disajikan pada Gambar (4.11).

lxii

Gambar 4.11 Grafik Laju Penutupan Permukaan Jendela

Grafik di atas menunjukkan bahwa semakin besar diameter orifice

silinder maka pada waktu yang sama memiliki laju penutupan yang lebih besar.

Sehingga semakin cepat lajun penutupannya maka waktu yang dibutuhkan steam

untuk memenuhi bilik menjadi semakin cepat.

Dari pengamatan mengenai laju penutupan dan pola distribusi dapat

diketahui jenis orifice yang tepat untuk digunakan secara efisien dalam

menghasilkan pola distribusi yang maksimal. Selain faktor kelajuan, juga harus

diperhitungkan faktor kualitas steam, tidak hanya kuantitas dari penyebarannya.

Kualitas yang dimaksud adalah kualitas steam yang tidak mengandung titik air

yang mengakibatkan distribusi steam menjadi tidak maksimal. Semakin besar

lxiii

diameter orifice silinder titik air yang keluar bersama steam menjadi lebih

mudah. Apabila air yang keluar dari orifice cukup banyak maka pada jendela

terdapat titik air yang menyebabkan kaca tidak menjadi buram.

Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pola distribusi steam

dipengaruhi oleh bentuk, ukuran dan konfigurasi dari orifice yang digunakan.

Apabila steam dialirkan terus menerus ke dalam bilik, steam jumlahnya menjadi

berlebih yang berakibat steam mudah mengalami perubahan fase menjadi fase

cair, sehingga perubahan fase ini mengakibatkan di dalam bilik dipenuhi titik-

titik air dan dapat berpengaruh terhadap pola distribusi steam menjadi tidak

maksimal.

lxiv

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian mengenai distribusi uap bertekanan yang

dialirkan pada rancangan jendela berpenutup ganda dengan melalui sebuah

penghalang berupa orifice silinder dapat disimpulkan beberapa hal, antara lain :

1. Pola distribusi uap bertekanan bergantung pada bentuk, ukuran, serta

konfigurasi penempatan orifice silinder yang digunakan. Semakin besar

ukuran orifice yang digunakan, uap bertekanan yang keluar melaluinya juga

semakin banyak yang menyebabkan waktu yang digunakan untuk memenuhi

permukaan juga semakin cepat.

2. Besarnya nilai kelajuan alir volume (Qv) dan kecepatan alir pada orifice

silinder dipengaruhi ukuran serta konfigurasi dari orifice silinder. Semakin

besar dimeter orifice maka kelajuan alir volumenya juga semakin besar.

Karena semakin besar ukuran diameter, volume yang mengalir tiap detik

menjadi semakin banyak.

3. Koefisien discharge (Cd) dan Reynold number (Re) merupakan koefisien

tidak berdimensi. Nilai koefisien discharge (Cd) berpengaruh terhadap laju

aliran dan besarnya Reynold number dapat menentukan jenis aliran dari

fluida yang mengalir.

4. Pada penelitian diperoleh nilai koefisien discharge yaitu sebesar < 1. Cd

merupakan faktor koreksi untuk Reynold number perbandingan diameter dari

alat ukur, dan menyatakaan ukuran bukaan (jet) dari suatu orifice.

5. Reynold number dari aliran uap bertekanan adalah > 1 x 105. Dari nilai

tersebut dapat disimpulkan bahwa jenis aliran dari uap bertekanan melalui

orifice silinder tersebut adalah bersifat turbulen.

6. Laju penutupan permukanan jendela ditentukan dengan cara menghitung

luasan daerah (area) yang dipenuhi oleh uap bertekanan pada waktu tertentu.

Semakin besar diameter orifice silinder yang digunakan maka laju penutupan

permukaan jendela juga semakin cepat.

lxv

5.2 Saran

Untuk penelitian lebih lanjut mengenai pola distribusi uap bertekanan,

penulis menyarankan beberapa saran terkait penelitian ini :

1. Perlu adanya penelitian lanjutan mengenai bentuk konfigurasi yang tepat agar

tercipta distribusi uap bertekanan yang maksimum, misalnya dengan

mengkombinasikan jenis orifice silinder dengan jenis orifice yang lain dan

mengkonfigurasikannya.

2. Untuk mengetahui pengaruh adanya orifice terhadap distribusi tekanan pada

saluran uap, maka perlu adanya sensor tekanan yang diletakkan pada saluran

uap sebelum dan sesudah masuk ke dalam kontrol uap serta sensor tekanan

pada orifice yang digunakan.

3. Penelitian lebih lanjut disarankan untuk mengukur kelajuan alir dari steam

dengan suatu alat yaitu orifice flowmeter, untuk mendapatkan hasil

pengukuran kelajuan lebih akurat.

Daftar Pustaka

Allen, J.S., 2006, Determining the mass flow rate of steam through an orifice, Diakses 14 Mei 2009, dari http://www.me.mtu.edu/~jstallen/courses/ MEEM3210 orifice_plate.pdf

Alljabbar, 2008, Kalor, Dunia Fisika wordpress.com, Diakses 18 Februari 2009, dari http://alljabbarwordpress.com/2008/03/23/kalor.htm

lxvi

Annisa, 2009, Aplikasi Kaca Pada Dinding Rumah, Kompas edisi 14 Januari 2009, Diakses pada 4 Februari 2009 dari http://www.kompas.com/ read/xml/2009/01/14/14284272/aplikasi.kaca.pada.dinding.rumah

Begenir, A., Tafreshi, H.V. and Pourdeyhimi, B. 2003. Effect of Nozzle Geometry on Hydroentangling Water Jets: Experimental Observations, Textile Research Journal, 74: 178–184

Bookbinder,Carl. 1983. Window Mirror. Philadelphia : United State Patent No. 4390240. Di akses dari http://www.freepatentsonline.com/window tanggal 11 Sepetember 2008

Caihua Wang, Xiangyu Jin and Shanyuan Wang. 2007. Effect of Nozzle Geometry on the Flow Dynamics of Hydroentangling Jet: Journal of Industrial Textiles 2007, 37: 79–89

Coki Prapti Mahandari, 2009, Pengukuran Aliran, Universitas Gunadarma, Diakses 10 Februari 2009, dari http://www.coki.staff.gunadarma.ac.id/ download/files/1223/Mekflu4.doc

Dede Djuhana, 2006, Fluida Statistik dan Dinamik, Kuliah Fisika Dasar Universitas Indonesia, Universitas Indonesia, Diakses 20 Mei 2009 dari http://elisa.ugm.ac.id/file/Ijoel_mipa/q9P7IhDj/kuliah-fluida.pdf

Efuda.2009. Orifice Flowmeter Calculator. Engineering Fundamental. Diakses dari http://www.efunda.com/formulae/fluids/orifice_floemeter.cfm pada tanggal 2 Februari 2009

Halliday,D., Resnick,R., Walker,J. 1993, Fundamental of Physics, John Wiley & Sons, Inc.

LMNO Engineering. 2002. Small Diameter Orifice Flow Meter Calculation for Liquid Flow. LMNO Engineering. Diakses pada 2 Februari 2009 dari http://www.lmnoeng.com/small_orifice.htm

Probo Hindarto, 2008, Penggunaan Kaca Untuk Rumah. Astudio.id Diakses tanggal 1 Februari 2009. http://www.astudio.id.or.id/artikel67-kaca-rumah-house-glass.htm

lxvii

Rahmat Gusriharjo, 1999, Kaca dan Arsitektur, Tinjauan Bangunan Masa Gothik dan Modern, Makalah AR – 406 Bahan Arsitektur, Jurusan Teknik Arsitektur, Institut Teknologi Bandung

Ridwan, 2008, Karakteristik Aliran Fluida, Kuliah Mekanika Fluida, Diakses 20 April 2009 dari http://www.ridwan.staff.gunadarma.ac.id/download/ file/karakteristik.aliran.doc

Searway, R.A., Jewett, J.W., 2004, Physics for Scientists and Engineers 6th Edition, Thomson Brooks Cole

Spiraxsarco, 2006, Chapter - Steam Distribution and Utilization ( Terjemahan), United Nations Environment Programme (UNEP), Diakses 11 September 2008, http://www.spiraxsarco.com/steam_distribution/steam.pdf

Sudjito, Saefudin Baedoewie, dan Agung Sugeng, 2003, Property Zat Murni Dan Karakteristik Gas Ideal, Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya, Diakses 22 Maret 2009, dari http://www.mesin.brawijaya.ac.id/ diktat_ajar/data/02_c_bab1n2_termo1.pdf

Tafreshi, H.V., Pourdeyhimi, B., Holmes, R. and Shiffler, D, 2003, Simulating and Characterizing Water Flows Inside Hydroentangling Orifices, Textile Research Journal, 73(3): 256–262

Tipler, A. Paul, 1999, Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 1 Edisi ketiga (Terjemahan), Penerbit Erlangga, Jakarta

Viko Ladelta, 2007, Beberapa Fakta Seputar Kaca, Disadur dari Chemistry.org, Diakses 3 April 2009 dari http://www.ChemIsTry.Org/Situs_Kimia/ beberapa.fakta.seputar.kaca.htm

Wayan Nata Septiadi, 2008, Studi Eksperimental Orifice Flowmeter Dengan Variasi Tebal dan Posisi Pengukuran Beda Tekanan Aliran Melintasi Orifice Plate, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM, Vol.2 No.1, Juni 2008 : 01-08

lxviii

Windi Hermawan Mitrakusuma, 2004, Dasar Thermodinamika dan Perpindahan Panas, Diakses 21 Maret 2009, dari http://www.geocities.com/windyhm/ kuliah/Dasar Refrigerasi/B2 termodinamika_dan_perpindahan_panas.pdf

Documents

Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan .../Analisis...Analisis Pola Distribusi Uap Bertekanan Berdasarkan Konfigurasi dan Variasi Ukuran Orifice Silinder Pada Rancangan