ALIRAN FLUIDA LAPORAN PRAKTIKUM INSTRUKSIONAL II OLEH : Debby Indah Ind ah Permatasari (1215041009) Sakha Abdussalam
(1215041043)
Dita Synthauli Evaniya
(1215041058)
LABORATORIUM OPERASI TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BADAR LAMPUNG 2014
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk secara permanen. Fluida merupakan zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus menerus) bila terkena tegangan geser, berapapun kecilnya tegangan geser itu. Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada keadaan sebenarnya apakah fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Aliran dalam pipa telah banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses – proses industri. Dalam kehidupan sehari-hari hal tersebut dapat dilihat pada aliran di saluran pembuangan, aliran semen dan pasir di pipa dan lain-lain. Cara memindahkan zat – zat – zat zat tersebut dalam industri banyak macamnya. Pada aliran air dan udara yang mengalir dalam pipa, kecepatan dan kapasitasnya
dapat
berubah – ubah. ubah.
Dunia
industri
banyak
sekali
menggunakan pipa dalam pendistribusian fluida cair dalam melakukan proses produksi. Oleh karena itu efesiensi pendistribusian dalam industri harus diperhatikan. Dengan efesiensi yang baik, maka biaya produksi dapat ditekan sehingga harga jual produk atau barang tersebut lebih kompetitif. Dalam berbagai industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa – pipa saluran tertutup (closed conduit flow). Masalah utama yang muncul antara lain: Terjadinya gesekan pada dinding pipa, Terjadinya turbulensi karena gerakan relative dalam molekul fluida yang dipengaruhi
oleh
viskositas
fluida
itu
sendiri
dan
bentuk
pipa,Terjadinya kapasitas aliran yang semakin kecil pada daerah yang jauh dari sumber karena hambatan gesek pada aliran yang semakin membesar.Pengukuran laju aliran fluida adalah salah satu yang terpenting dalam proses flow control. Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui berapa kapasitas fluida yang dialirkan untuk mendapatkan harga.
1.2 Tujuan
Tujuan transportasi
praktikum
aliran
fluida
ini cair
ialah
untuk
melalui
mempelajari
sistem
fenomena
perpipaan
dengan
menggunakan air sebagai fluida kerja. Pada praktikum ini kami di minta untuk menentukan : 1. Karakteristik alat ukur laju air (venturi meter dan orifice meter) 2. Karakteristik pada sistem perpipaan (pipa dan gate valve) 3. Hilang tekanan akibat gesekan antara fluida dengan alat transportasi 4. Jenis aliran dalam pipa berdasarkan bilangan reynold 5. Koefisien gesekan
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Aliran Fluida
Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara permanen. Bila bentuk suatu massa fluida akan diubah, maka di dalam fluida akan terbentuk lapisan-lapisan hingga mencapai suatu bentuk baru. Pemahaman tentang fluida sangat penting untuk dapat menyelesaikan soalsoal pergerakan fluida melalui pipa, pompa dan peralatan proses atau alat ukur laju alir pada fluida. Selama fluida mengalir, harus selalu ada gaya geser yang bekerja terhadap fluida. Hal ini dilakukan dengan penambahan energi dari luar. Tanpa adanya penambahan energi dari luar, aliran fluida akan terhenti. Jumlah energi yang diperlukan untuk mempertahankan aliran ini dianggap sebagai energi yang hilang, karena tidak dapat diambil sebagai energi yang bermanfaat. Dalam aliran fluida di dalam saluran, energi yang hilang disebut Head loss . Pada dasarnya faktor-faktor yang mempengaruhi aliran fluida adalah yang menyangkut dengan sifat fisik dari fluida yang dapat didefinisikan pada tekanan, temperatur, densitas, dan viskositas (Foust, 1989). Fluida pada umumnya di alirkan atau ditransportasikan melalui pipa atau tabung yang penampangnya bundar dan terdapat dipasaran dalam berbagai ukuran, tebal dinding, dan bahan konstruksi yang berbeda-beda.Pada umunya pipa berdinding tebal, diameternya biasanya besar, dan tesedia dalam panjang atau sedang, yaitu antara 20 sampai 40 ft. Sedangkan tabung berdinding tipis dan tersedia dalam bentuk gulungan yang panjangnya sampai beberapa ratus kaki. Pipa logam terkadang sudah berulir ujungnya,dan pada tabung umumnya tidak. Dinding pipa umumnya agak kesat, sedangkan tabung berdinding licin. Potongan-potongan pipa disambungkan dengan menggunakan ulir, flens atau las. Dan akhirnya tabung umumnya dibuat dengan teknik ekstrusi atau tarik dingin, sedangkan pipa logam umumnya dibuat dengan teknik las, cor, atau menusuk tembus bahan tersebut didalam unit penusuk. Pipa dan tabung dibuat
dengan menggunakan berbagai bahan antara lain, logam paduan, kayu, keramik, gelas, dan berbagai jenis plastik. Polivinil klorida atau PVC banyak digunakan sebagai pipa air. Dalam industri pengolahan, bahan yang paling umum digunakan ialah baja karbon rendah, yang dibuat menjadi pipa yang dikenal dengan nama black iron pipe (Mc Cabe, 1985).
2.2 Macam-Macam Aliran dalam Pipa
Aliran dalam fluida terdiri dari tiga tipe yaitu : 1. Aliran laminar Aliran Laminar dalah aliran fluida yang searah ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminar, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminar. Aliran laminar bersifat steady maksudnya alirannya tetap. “Tetap” menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu. Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminar kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubah menjadi aliran
turbulen.
Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu:
fluida bergerak mengikuti garis lurus
kecepatan fluidanya rendah
viskositasnya tinggi dan
lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain.
Gambar 2.1 Aliran Laminar 2. Aliran turbulen Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan Ciri dari lairan turbulen: tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya
pusaran-pusaran
dalam
aliran,
yang
menghasilkan
percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran.
Gambar 2.2 Aliran Turbulen
Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan reaksi tersebut.
Re = (4 v R)/ϑ Dimana: Re = Angka Reynold (tanpa satuan) V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s) R = Jari-jari hydraulik (ft atau m) ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s)
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi.
Jenis aliran : Laminar
= NRe < 2100
Transisi
= 2100 < NRe < 4000
Turbulen
= NRe > 4000
3. Aliran Transisi Merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Aliran berdasarkan bisa tidaknya dicompres :
Compressible flow, dimana aliran ini merupakan aliran yang mampu mampat.
Incompressible flow, aliran tidak mampu mampat.
Empat faktor penting dalam pengukuran aliran fluida dalam pipa, yaitu:
Kecepatan fluida
Friksi/gesekan fluida dengan pipa f = Δh.2g.ρ.A2/[4.(L/Df ).Q2] Dengan Df adalah diameter pipa bagian dalam dan L adalah panjang pipa catatan : Ukuran
Diameter Luar
Diameter dalam
(inchi)
(inchi)
1in ,sch 40
1,315
1,049
¾ in ,sch 40
1,050
0,824
½ in ,sch 40
0,840
0,622
¼ in ,sch 40
0,540
0,364
Viskositas/kekentalan fluida
Densitas/kerapatan fluida
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 1.1 Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain: 1. Air sebagai fluida kerja 2. Gelas ukur 500 ml 3. Stopwatch 4. Alat ukur ketinggian perbedaan tekanan (manometer) 5. Sistem perpipaan yang terdiri dari komponen-komponen berupa valve,tee, elbow dan alat ukur seperti venturimeter dan orificemeter. 1.2Prosedur Percobaan
Adapun prosedur yang dilakukan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut: Mengenali alat dengan memeriksa setiap bagian alat perco baan
Membuka kran tangki
Mengisi tangki dengan cara mengalirkan air dari kran sumber air melewati kran V11 hingga tangki terisi penuh
Mengatur valve yang harus dibuka dan ditutup
Menghitung bukaan sempurna (100%) dari valve serta menghitung bukaan setiap variasi persennya
Menghidupkan pompa
Membuka valve 3 sesuai dengan persen yang divariasikan setiap bukaannya
Membuka kran tangki air valve 11 hingga aliran air yang keluar dari valve tersebut konstant
Setelah itu membuka N09 dan N12 serta menutup selebihnya, hal ini untuk membaca Δh pada manometer
Setelah aliran air yang keluar konstant, ukur volume fluida yang keluar dari valve 11 dengan gelas ukur serta mulai mnghidupkan stopwatch
Penampungan air di dalam gelas ukur dilakukan sampai waktu +3 detik, setelah itu mematikan stopwatch dan menghentikan pengukuran volume air
Menghitung banyaknya air yang telah tertampung di dalam gelas ukur
Mencatat jumlah air serta waktu yang telah didapatkan dalam bentuk tabel
Kemudian mengukur Δh yang telah terbaca pada manometer
untuk N09-N12, dan mencatatnya ke dalam tabel
Mengulangi langkah yang sama seperti diatas dengan 3 kali pengulangan untuk setiap variasi bukaan valve nya (100%, 80% dan 60 %)
BAB IV HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Pengamatan
Panjang Pipa= N9 - N12 =142 cm Tipe pipa
= ¾ inchi
Table 1. Bukaan valve 100% 3
3
3
No.
V (cm )
t (s)
Δh (cm)
Q (cm /s)
f (gram/cm )
1
430
3.38
3
127.2189
0.020839011
2
460
3.28
3.5
140.2439
0.020005961
3
440
3.12
2
141.0256
0.011305589
rata-rata
443.333333
3.26
2.83333333
136.1628
0.017180663 0.069331224
Table 2. Bukaan valve 80%
No.
V (cm )
t (s)
Δh (cm)
1 2 3
440 395 405 413.333333
3.28 3.18 3.34 3.26666667
3 4.5 3 3.5
rata-rata
Q (cm3/s) 134.1463 124.2138 121.2575 126.5392
f (gram/cm ) 0.018742303 0.032789283 0.02293842 0.02457407 0.099044075
Table 3. Bukaan valve 60%
No.
V (cm )
t (s)
Δh (cm)
Q (cm /s)
f
1 2 3 rata-rata
390 395 375 386.667
3.3 3.21 3.08 3.19667
3.5 5.5 5.5 4.83333333
118.1818 123.053 121.7532 120.996
0.02817254 0.0408355 0.04171199 0.03711624 0.14783629
4.2 Pembahasan
Kami telah melaksanakan praktikum aliran fluida pada hari Jum’at tanggal 21 November 2014. Dalam percobaan kali ini, kami diminta untuk menentukan faktor gesekan yang terjadi pada pipa N09-N12 dengan ukuran pipa ¾ inch. Langkah-langkah awal yang kami lakukan pertama kali yaitu mengisi tangki yaitu mengalirkan air dari kran sumber air melewati kran V11,yaitu tempat yang basanya di gunakan untuk menampung air yang keluar saat mengukur laju alir. Air dari kran terus dialirkan hingga tangki tersebut terisi penuh atau minimal setengahnya,dan kami mengisi hingga ¾ tangki. Kita dapat melihat tangki tersebut terisi penuh atau tidaknya melalui selang penunjuk yang berada diluar tangki. Setelah tangki tersebut terisi ¾ tangki, maka kran air dihentikan. Setelah tangki terisi, maka kami memulai melakukan percobaan. Pertama yang kami lakukan adalah menghidupkan pompa dengan cara menekan tombol ON, kemudian tunggu hingga aliran mengalir dengan stabil yaitu dengan cara melihat perbedaan ketinggian di manometer yang berada di belakang tangki. Dari lembar penugasan, kami ditugaskan untuk menentukan faktor gesekan yang terjadi pada pipa N09-N12 dan karakteristik pipa. Percobaan ini dilakukan dengan memvariasikan tiga laju alir dengan bukaan valve 100%, 80%, dan 60%. Percobaan dimulai dengan mengatur valve yang mana saja yang harus dibuka dan ditutup, dan mengontrol persen kran buka-an pada valve
tersebut. Pada
percobaan ini kami mengalirkan fluida melewati pipa ¾ inci, kran buka-an yang kami atur yaitu kran buka-an V2. Untuk menentukan persen buka-an, kami menghitung jumlah total putaran pada handwel valve tersebut. Untuk mendapatkan jjumlah putaran yang harus kami lakukan pada saat 80% dan 60% kami tinggal mengkali kan total jumlah putaran valve di kali dengan persen yang ingin kita dapatkan .Valve V11 digunakan untuk menampung air yang keluar, ketika ingin mengambil sampel volume berdasarkan waktu tertentu, pada percobaan ini kami mengkonstantkan waktunya selama 3 sekon.
Ketika fluida telah mengalir stabil, salah seorang dari kami memegang gelas ukur untuk menampung air, pada saat yang bersamaan stopwatch mulai dinyalakan dan penampungan air dimulai, begitupun ketika dihentikan juga bersamaan. Kemudian dicatat waktu, volume, serta perbedaan tinggi air pada manometer. Percobaan ini diulangi untuk variasi bukaan valve berikutnya masingmasing 3 kali dan 3 detik pengambilan sampel untuk setiap variasi laju alirnya. Selanjutnya dari data pengamatan yang didapat dari percobaan tersebut maka dilanjutkan dengan melakukan perhitungan. Pengukuran laju alir dapat dihitung dengan persamaan berikut : Q = v/t Keterangan : Q = Laju alir (L/s) V = volume air yang tertampung (L) t
= waktu (s)
Pengukuran laju alir dilakukan tiga kali pengulangan setiap variasi laju alirnya. Dari perbandingan antara volume terhadap waktu didapatkan laju alir volumetrik (Q) dalam satuan L/s. Berdasarkan teori , laju alir volumetrik akan semakin meningkat nilainya dengan semakin besarnya kran buka-an valve. Pada percobaan ini berarti kran buka-an valve 100% > 80% > 60. Pada setiap pengulangan tersebut, laju alir volumetrik air yang diperoleh berbeda sehingga dapat diketahui bahwa aliran air tersebut adalah aliran turbulen. Dari perhitungan yang telah didapatkan tadi, dapat diketahui hubungan laju alir fluida dengan faktor gesekan. Semakin besarnya laju alir fluida maka faktor gesekan yang terjadi pada pipa semakin kecil. Hal ini sesuai dengan teori bahwa laju alir fluida berbanding terbalik dengan faktor gesekan. Faktor gesekan juga dapat dipengaruhi oleh diameter pipa dan panjang pipa. Semakin besar diameter pipa, maka nilai faktor gesekan nya akan semakin besar. Begitu juga dengan
panjang pipa, semakin panjang pipa tersebut, maka nilai faktor gesekannya akan semakin besar, karena adanya gaya gesek antara air dan dinding pipa. Hal ini dapat kita simpulkan bahwa diameter pipa dan panjang pipa berbanding lurus dengan nilai faktor gesekannya. Perbedaan ketinggian pada manometer terjadi karena adanya beda tekanan antara dua titik pada bidang aliran. Sesuai dengan teori, bahwa fluida dapat mengalir karena beda tekanan dan adanya gravitasi. Pada ketinggian, air dapat mengalir secara alami karena faktor gravitasi, sedangkan pada aliran air dalam pipa lebih banyak karena pengaruh beda tekanan jika pipa terpasang horizontal ataupun arah alirannya ketempat yang lebih tinggi. Fluida mengalir dari tekanan tinggi ke rendah, sehingga perbedaan tinggi manometer dapat digunakan untuk perhitungan yang berkaitan dengan fenomena aliran fluida antara lain seperti pressure drop. Secara menyeluruh, aliran pada pipa ini yaitu aliran tipe turbulen dilihat dari perhitungan bilangan Reynold yang jauh diatas batas minimum bilangan Reynold untuk aliran turbulen. Bilangan Reynold ini dipengaruhi oleh kecepatan fluida, semakin besar kecepatannya maka bilangan Reynoldnya akan semakin besar. Selain itu, bilangan reynold juga dipengaruhi oleh diameter pipa, densitas fluida, serta viskositas fluidanya. Diameter pipa pada percobaan ini sangat kecil jika dibandingkan dengan perpipaan industri, kemungkinan adanya penyumbatan dapat diminimalisir dengan adanya aliran turbulen yang kecepatan alirannya besar, akan tetapi tidak seefisien yang dibayangkan karena penyumbatan pada pipa dapat terjadi karena kondisi alat yang terlalu lama tidak digunakan sehingga akan terjadi pengkerakan dan penyumbatan pada pipa. Pada bidang dimana fluida cair bersentuhan dengan dinding pipa bagian dalam akan terjadi peristiwa gesekan, adanya peristiwa gesekan ini berlaku pula peristiwa fenomena transfer momentum. Kecepatan aliran fluida untuk fluida yang bersentuhan langsung dengan pipa sangat kecil dibandingkan pada titik pertengahan diameter pipa. Gaya gesekan ini dipengaruhi juga oleh kondisi
kekasaran permukaan pipa. Semakin kasar permukaan pipa, maka gaya gesekan akan semakin besar. Jika laju alir suatu sistem perpipaan telah menurun kinerjanya, mungkin salah satu penyebabnya karena besarnya gaya gesekan didalam fluida sehingga menjadi hambatan aliran fluida sepanjang pipa.
BAB V KESIMPULAN
Dari hasil pengamatan yang didapat, analisa data yang sudah diperhitungkan serta pembahasan yang sudah dikaji diatas, dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Laju alir volumetrik akan semakin meningkat nilainya dengan semakin besarnya bukaan valve. Dari perhitungan didapatkan debit rata-rata untuk bukaan valve 100 % adalah 135,990 mL/s, sedangkan untuk bukaan valve 80 % didapatkan debit rata-rata sebesar 126,55 mL/s, dan untuk bukaan valve 60% didapatkan debit rata-rata sebesar 120,982 mL/s. 2. Semakin besarnya laju alir fluida maka faktor gesekan yang terjadi pada pipa semakin kecil. Hal ini sesuai dengan teori bahwa laju alir fluida berbanding terbalik dengan faktor gesekan. 3. Dari perhitungan didapatkan, faktor gesekan untuk bukaan valve 100 % adalah 0,0933124 dan untuk bukaan valve 80 % didapatkan faktor gesekan adalah 0,099044075, serta untuk bukaan valve 60 % didapatkan faktor gesekan sebesar 0,14783629. 4. Faktor gesekan juga dapat dipengaruhi oleh diameter pipa dan panjang
pipa. Semakin besar diameter pipa, maka nilai faktor gesekan nya akan semakin besar. Begitu juga dengan panjang pipa, semakin panjang pipa tersebut, maka nilai faktor gesekannya akan semakin besar, karena adanya gaya gesek antara air dan dinding pipa.
DAFTAR PUSTAKA
Aya.Aliran Fluida.2012.http://aya-snura.blogspot.com/2012/01/aliran-fluidadalam-pipa.html.di akses pada 22 November 2014
ITB.Tugas Akhir.2010.http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-75002107100514-Bab1.pdf.di akses pada 22 November 2014
Undip.Fluida.2009.http://eprints.undip.ac.id/41655/16/BAB_II.pdf.di akses pada 22 November 2014
Wikipedia.Fluida.id.wikipedia.org/wiki/Fluida.di akses pada 22 November 2014
LAMPIRAN
DOKUMENTASI ALAT
KETERANGAN
Tangki tempat penyimpanan fluida air yang di alirkan dari kran
Wadah tempat penyimpanan fluida,pada saat menghitung laju alir air
Pipa aliran yang di gunakan yaitu v9-v12
Kran air v2 yang di gunakan untuk mengatur laju alir fluida
Nomor-nomor pada orffice meter
Orifice meter untuk mengukur ∆h ,cara
menghitungnya dapat di hitung dengan perubahan yang ada di tunjukan oleh kotak atau blok yang memiliki angka
