PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA A. Tujuan percobaan 1. Mahasiswa dapat memahami dan mengerti prinsip pengukuran aliran fluida. 2. Mahasiswa mengenal beberapa jenis alat ukur kecepatan alir fluida. 3. Mahasiswa dapat melakukan pengukuran kecepatan aliran fluida dengan menggunakan masing-masing alat ukur kecepatan alir fluida. 4. Mahasiswa data menentuan koefisien masing-masing alat ukur kecepatan alir fluida. B. Teori Didalam teknik kimia, aliran fluida adalah suatu masalah yang penting untuk dikuasai, karena hamper semua proses dalam pabrik kimia maupun pabrik pemrosesan yang lain selalu melibatkan fluida baik sebagai bahan baku, bahan setengah jadi, bahan jadi ataupun sebagai bahan pembantu yang lain (utilitas). Salah satu hal yang juga sangat penting dikuasai dalam aliran fluida ini adalah mengukur dan mengontrol/mengendalikan jumlah bahan yang masuk dan keluar dari masing-masing alat pada pabrik tersebut. Ada beberapa alat ukur fluida yang dikenal. Yang paling sederhana didalam pemakaiannya adalah “water-meter” yang banyak dipakai untuk mengukur kecepatan alir air PDAM dirumah tangga. Disamping itu ada pitot tube, Venturi-meter, Orifice-meter, Elbow-meter, dan lainnya. Dimana pada penggunaannya harus dikalibrasi terlebiih dahulu untuk mendapatkan “rate aktual’-nya. 1. Water-meter Water-meter adalah alat ukur kecepatan alir air seperti dipakai pada saluran PDAM. Biasanya alat ini hanya mencatat volume air yang telah lewat alat ini pada selang waktu tertentu. Namun ada juga yang dilengkapi dengan jarum penunjuk kecepatan alir air yang sedang lewat. Untuk mengitung kecepatan alir air yang sebenarnya (rate actual), maka perlu dilakukan pengukuran dan perhitungan denga rumus-rumus sbb : Qa = Cw x Qw (1) 3 Dimana : Qa : “rate actual” (m /sec) Qw : “water-meter” volumetric rate (m3/sec) Cw : koefisien/faktor koreksi untuk “water-meter” Rate actual dicari dengan mengukur volume fluida yang masuk tangki pengukur untuk selang waktu tertentu. Qa = (V2-V1) / t (2) 3 Dimana : V1 : volume awal pengukuran (m ) V2 : volume akhir pengukuran (m3) t : waktu pengukuran
2. Pitot Tube Pitot tube merupakan salah satu alat ukur kecepatan fluida yang mendasarkan pengukurannya pada beda tekanan yang terjadi pada dua titik yang dilewati fluida dalam tube (Differential Pressure Flow-meter).
Dari gambar diatas, fluida mengalir ke dalam titik 2, timbul tekanan yang kemudian menjadi stasioner pada titik tersebut sehingga disebut sabagai titik stagnan. Perbedaan tekanan stagnan pada titik 2 ini dengan “static pressure” yang timbul pada “static tube” menunjukkan peningkatan/kenaikan tekanan yang berhubungan dengan kecepatan alir fluida, dimana besarnya perbedaan tekanan ini diukur/ditunjukkan oleh beda ketinggian fluida pengukur pada manometer. Bila fluida yang diukur inkompressibel, maka dari persamaan Bernoulli dapat dihitung kecepatan fluidanya.
+
=0
(3)
dimana :
v1 : kecepatan pada titik 1 (m/det) v2 : kecepatan pada titik 2 (m/det) P1 : tekanan pada titik 1 (Pa) P2 : tekanan pada titik 2 (Pa) ρ : density fluida (kg/m³) bila v1 = v dan v2 = 0, maka :
v = [ 2 ( P2 - P1) /ρ]1/2
(4)
Pada kenyataannya harga v diatas tidak sama dengan hasil pengukuran yang sebenarnya (biasanya lebih besar), sehingga perlu diberi koefisien / factor koreksi yang disebut Koefisien Pitot Tube (Cp), sehingga: v = Cp [ 2 ( P2 - P1) /ρ]1/2 (5) Perbedaan tekanan (P2-P1) didapat dari pembacaan pada manometer, dimana:
( P2 - P1) = (h2-h1) (ρm – ρ ) g dimana :
(h2-h1) : beda ketinggian cairan manometer (m) ρm : density cairan manometer (kg/m³) g : percepatan gravitasi (9,8 m/det²)
(6)
Pada Pitot tube, pengukuran yang terbaca / terhitung menunjukkan kecepatan local (local velocity) dari aliran fluida dalam pipa. Untuk mendapatkan kecepatan rata-ratanya ada 2 cara / metode, yaitu : a. Dengan melakukan pengukuran kecepatan alir pada setiap titik/posisi dalam pipa, lalu dirata-ratakan. b. Dengan metode perhitungan, yakni dengan menghitung kecepatan maksimumnya (pada posisi tengah-tengah pipa), lalu dengan bantuan grafik NRe vs. vave/vmax akan dapat dihitung kecepatan rata-ratanya (vave). 3. Venturi-meter Venturi meter dipakai untuk mengukur kecepatan rata-rata aliran fluida dalam pipa. Prinsip pengukurannya hampir sama dengan pitot tube, bedanya v1 dan v2 pada Venturi-meter dapat diukur /dihitung berdasarkan diameter pipa dan leher Venturi-meter tersebut.
Gambar 2 : Diagram Venturi-meter
Dari persamaan (3), bila : V1 : kecepatan rata-rata pada titik 1 (pipa) yang berdiameter D1 V2 : kecepatan rata-rata pada titik 2 (leher) yang berdiameter D2 Maka persamaan kontinuitasnya pada tekanan konstan adalah :
¼ π D12 v1 = ¼ π D12 v2
(7)
v1 = (D22/ D12) v2
(8)
Atau: Substistusi pers, (8) ke pers. (3), didapat :
v2 =
(9)
Bila koefisien Venturi-meter (Cv) dimasukkan, maka:
v2 =
(10)
4. Orifice-meter Serupa dengan Venturi-meter, tapi diameter orifice-nya, bisa diatur / diganti sesuai keinginan.
Gambar 3 : Diagram Orifice-meter
v0 = Dimana :
(11)
Co : koefisien Orifice meter Do : diameter Orifice (m) D1 : diameter pipa (m) 5. Rotameter (Area-meter) Pada Rotameter, kecepatan alir fluida (yolumetric rate) yang terukur / terbaca pada alat tersebut biasanya sudah menunjukkan kecepatan alir yang sebenarnya (actual rate). Akan tetapi dalam pemakaiannya perlu dikalibrasi kembali untuk melihat ketelitian (accuracy) dari rotameter tsb. Qa = Cr x Qr (12) Dimana: Qa : volumetric rate yang sebenarnya (m³/det) Qr : volumetric rate yang terbaca (m³/det) Cr : koefisien Rotameter 6. Bendungan atau DAM Pada beberapa bagian peralatan proses dan saluran untuk keperluan pertanian, cairan/air mengalir melalui saluran terbuka. Untuk mengukur kecepatan alirnya digunakan bendungan atau dam. Ada dua jenis bendungan yangs sering dipakai, yaitu bendungan segi empat dan bendungan segi tiga (gambar 4)
Gambar 4 : Bendungan atau dam : a. segi empat, b. Segi tiga
Untuk menghitung kecepatan alir cairan / air yang melewati bendungan ini, diukur head (tinggi cairan diatas bendungan) dari dasar bendungan. Lalu dengan menggunakan modified Francis weir formula yang diturunkan dari persamaan Bernoulli, maka kecepatan alir cairan dapat dihitung. Persamaan kecepatan alir pada bendungan bentuk segi empat :
q = 0,415 (L – 0,2ho)ho1,5 √
(13)
Dimana :
q : kecepatan alir (m³/det) L : lebar bendungan (m) ha : head cairan (m) g : percepatan gravitasi (m/det²) sedangkan persamaan kecepatan alir untuk bendungan segitiga :
q=
√
(14)
dimana : Ø : sudut kemiringan segitiga (°) C. Alat dan Bahan 1. Alat : - Fluid Flow Measurement Bench - Pitot Tube - Venturi meter: D1 = 39 mm dan D2 = 18 mm - Orifice meter : D1 = 39 mm dan Do = 22 mm - Rotameter - Stopwatch 2. Bahan : - Air bersih D. Prosedur percobaan 1. Kalibrasi “Water-meter” : a. Isi storage tank dengan air bersih sampai hampir penuh. b. Pasang salah satu alat ukur aliran fluida pada tempatnya. c. Hubungkan listrik ke stop kontak. d. Hidupkan pompa. e. Atur valve pada kedudukan tertentu, catat kecepatan alir (volumetric rate) yang terbaca pada meter air dan yang diukur dengan stopwatch (actual rate). f. Ulangi langkah e untuk kedudukan valve yang lain sehingga mewakili pengukuran terkecil sampai yang terbesar. g. Buat grafik/ kurva kalibrasi dari water-meter yang dipakai. 2. Pilot Tube a. Pasang pilot tube pada tempatnya,hubungkan pipa penghubung manometer pada tempatnya. b. Hubungkan pompa, buka valve pada kedudukan tertentu. c. Catat beda ketinggian pada manometer. d. Catat volumetric rate pada water-meter. e. Ulangi langkah b s/d untuk kedudukan valve yang lain. 3. Venturi-meter (sama dengan Pitot Tube)
E. F. G.
H.
4. Orifice-meter (sama dengan Pitot Tube) 5. Rotameter : a. Pasang Rotameter pada tempatnya. b. Hidupkan pompa, buka valve pada kedudukan tertentu. c. Catat volumetric rate pada water-meter. d. Catat volumetric rate yang terukur pada rotameter. e. Ulangi langkah b s/d d untuk kedudukan valve yang lain. 6. Bendungan atau dam a. Pasang bendungan pada tempatnya. b. Pasang mistar pengukur diatas bendungan dan set pada titik nol. c. Hidupkan pompa, buka valve pada kedudukan tertentu. d. Catat volumetric rate pada water meter. e. Naikkan mistar pengukur sampai ujung jarum mistar tepat menyentuh permukaan cairan, catat head cairan. f. Ulangi langkah c s/d e untuk kedudukan valve yang lain. Keselamatan Kerja Lihat pada lampiran. Gambar Alat Lihat pada lampiran. Tugas 1. Pelajari teori tentang manometer dan Rotameter. 2. Buat kurva kalibrasi dan tentukan koefisien / faktor koreksi dari masing-masing alat ukur kecepatan alir yang digunakan. Pustaka Badger & Banchero, Introduction to Chemical Engineering , International Student Edition, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1985. Coulson & Richardson, Chemical Engineering, Vol. 1,3rd edition, Pergamon Press, Oxford, 1980. Geankoplis, Christie, Transport Processes and Unit Operations, 3rd edition, Prentice_Hall Inc., New Jersey. 1993.
