ANALISA ALIRAN FLUIDA PENGARUH ELBOW, FITTING, VALVE DAN PERUBAHAN LUAS PERMUKAAN DALAM SISTEM PERPIPAAN Lisa Yulian Fitriani, Ruly Faizal Teknik Kimia, Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Indonesia Email:
[email protected] Abstrak Aliran Fluida adalah suatu perpindahan fluida dari titik satu ke titik lainnya. Percobaan ini bertujuan untuk dapat memahami sifat suatu fluida dalam system perpipaan beserta kelengkapan-kelengkapannya seperti elbow, fitting, valve dan perubahan luas permukaan pipa. Pada industry, metode perhitungan aliran fluida sangat digunakan di dalam perancangan pemanasan pipa, penempatan pipa, panjang pipa, dan hal-hal lain yang diperlukan dalam penghantaran fluida. Prosedur percobaannya yaitu melakukan persiapan dengan menentukan densitas air, menentukan viskositas air dan mengecek kondisi pompa dan peralatan. Lalu melakukan percobaan dengan mengisi tangki dengan air sampai penuh, melakukan valve set, mengalirkan pompa keseluruhan perpipaan, melakukan kalibrasi pada flowrate yang berbeda-beda dengan bantuan valve. Kemudian, melakukan variasi seperti variasi panjangan, diameter, kelengkapan dan gabungan. Setelah itu, menentukan flow rate tiap bukaan dan melakukan pengukuran fluida yang telah ditentukan. Dari data yang diperoleh flow rate kalibrasi ; 2,758 menurun ke 2,499. Variasi panjang dari 8,1634 ke 8,1634. Pada variasi kelengkapan mengalami kenaikan dari 6,01613 ke 0,936782. Pada variasi kelengkapan mengalami kenaikan dari 6,01613 ke 6,55747. Dari semua variasi friksi yang diperoleh adalah friksi teori lebih besar dari friksi actual. Nilai Wp yang didapat teori pada bukaan 2 adalah 46,64717309, bukaan 4 yaitu 46, 67491979, bukaan 6 yaitu 47,01774393. Kata kunci: Aliran fluida, flow rate, Flow Control
Abstract Fluid flow is a transfer fluid from one point to another point. This purpose of experiment is to understand the nature of a fluid in the piping system completeness and accessories such as elbow, fittings, valves and changes in the surface area of the pipe. In industry, the method of calculation of fluid flow is very used in the design of the heating pipes, placement pipes, pipe length, and other things that are required in the delivery of fluid. Procedure experiments that made preparations to determine the density of water, determine the viscosity of the water and check the condition of pumps and equipment. Then experiment by filling the tank with water to the brim, perform valve set, drain the entire pump piping, perform calibration at different flowrate with the help of the valve. Then, doing variations such as prolongation of the variation, diameter, completeness and combined. After that, determine the flow rate of each of the openings and take measurements of the fluid that has been determined. From the data obtained flow rate calibration; 2.758 down to 2.499. Variation in the length of 8.1634 to 8.1634. In a variation completeness increased from 6.01613 to 0.936782. In a variation completeness increased from 6.01613 to 6.55747. Of all the variations of friction obtained is greater than the friction theory actual friction. Wp value obtained in the theory of the openings 2 is 46.64717309, openings 4 at 46, 67,491,979, openings 6 47.01774393. Keyword : Fluid flow, flow rate, Flow Control
I.
PENDAHULUAN
Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan menyesuaikan diri dengan tempatnya serta tidak mampu menahan pengaruh gaya geser. Fluida dapat berpindah berdasarkan perbedaan tekanan.[1] Aliran fluida adalah suatu perpindahan fluida dari titik satu ke titik yang lainnya. Dari segi mekanik, fluida dibagi menjadi dua macam yaitu statika fluida (fluida diam) dan dinamika fluida (fluida alir).
Pada indusri, metode perhitungan aliran fluida sangat digunakan di dalam perancangan pemanasan pipa, penempatan pipa, panjang pipa, dan hal-hal lain yang diperlukan dalam penghantaran fluida. Dan salah satu yang terpenting dalam proses flow control. Fluida air yang mengalir di dalam suatu pipa yang lintasannya berliku-liku dapat mengalir karena adanya pompa dalam pipa. Selain itu, untuk mengontrol laju alir fluida dapat dikontrol dengan valve. Fluida dapat dialirkan dengan lancar di dalam pipa dengan adanya kedua alat tersebut.
1
II. TEORI DASAR Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan menyesuaikan diri dengan tempatnya serta tidak mampu menahan pengaruh gaya geser. Fluida dapat berpindah satu tempat ke tempat lain berdasarkan perbedaan tekanan dimana fluida di tempat bertekanan tinggi akan berpindah ke tempat yang bertekanan lebih rendah. [1] Zat padat dianggap sebagai bahan yang menunjukkan reaksi deformasi yang terbatas ketika menerima atau mengalami suatu gaya geser . Sedangkan fluida memperlihatkan fenomena sebagai zat yang terus menerus berubah bentuk apabila mengalami tekanan geser dengan kata lain yang dikategorikan sebagai fluida adalah suatu zat yang tidak mampu menahan tekanan geser tanpa berubah bentuk.[1] Berdasarkan fasanya, fluida terbagi menjadi dua yaitu fluida cair dan fluida gas. Fluida dengan zat cair adalah fluida yang mempunyai volume tetap terhadap tekanan sedangkan fluida dengan zat gas dapat termampatkan seiring dengan tekanan yang diberikan sehingga fluida gas perlu perlakuan khusus terhadap tekanan dan volume. Karakteristik-karakteristik tertentu dari suatu fluida tidak tergantung kepada gerakan fluida.[4] Tetapi tergantung pada sifat alamiah fluida itu sendiri seperti densitas, tekanan, temperatur, compressibility, viskositas dan tegangan permukaan. Dalam mempelajari aliran fluida sering kali menggunakan suatu asumsi fluida ideal. Fluida seperti itu diasumsikan tidak mempunyai kekentalan. Meskipun hal ini merupakan situasi ideal yang tidak pernah ada. Pada aliran fluida nyata, kecepatan terdekat dinding akan nol, dan akan bertambah besar pada jarak pendek dari dinding sehingga menghasilkan profil kecepatan.[3] Kualitas aliran fluida per unit waktu yang mengalir menembus penampang yang dinamakan rate aliran (debit).[6] Dalam kasus fluida incompressible, debit volume sering digunakan. Sedangkan untuk fluida compressible lebih digunakan debit berat atau massa. Secara garis besar dapat dikelompokkan jenis aliran adalah sebagai berikut: 1. Aliran tunak (steady); suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak memiliki percepatan). 2. Aliran seragam (uniform); suatu aliran yang tidak terjadi perubahan kecepatan dan penampang lintasan.
3. Aliran tidak tunak (unstead); suatu aliran dimana terjadi perubahan kecepatan terhadap waktu. 4. Aliran tidak seragam (non-uniform); suatu aliran dalam kondisi berubah baik kecepatan maupun penampang lintasan. Pada umumnya arah aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga aliran, yaitu: 1. Aliran laminer; suatu aliran yang memiliki arah sejajar dengan pipa dan teratur. 2. Aliran turbulen; suatu aliran yang memiliki arah tidak beraturan. 3. Aliran transisi; aliran peralihan antara laminer menjadi turbulen, begitupun sebaliknya. Arah aliran fluida dapat ditentukan dengan persamaan bilangan Reynolds (Nre).[1]
Apabila Nre < 2100 maka arah aliran fluida laminar, jika Nre > 4200 maka arah aliran fluida turbulen dan apabila Nre berada diantara keduanya maka arah aliran fluida transisi. Berikut merupakan beberapa persamaan dasar yang terjadi pada mekanika fluida: 1. Persamaan Kontinuitas Tidak ada aliran yang melalui dinding pipa (laju massa masuk volume kendali sama dengan laju massa keluar), maka berlaku persamaan: V1.A1 =V2.A2 2. Persamaan Bernoulli Berdasarkan hukum kekekalan energi, pada sistem aliran fluida di pipa berlaku persamaan:
gz1 +
+
= gz2 +
+
+ Ws + Q + ∑Fs
Energi-energi di titik satu akan sama dengan di titik lain. Jika Ws dan Q sama dengan nol, maka akan menjadi persamaan Bernoulli:
gz1 +
+
= gz2 +
+
+ ∑Fs
Kehilangan-kehilangan gesekan yang terjadi dalam sistem perpipaan dikarenakan adanya bends (tekukan- tekukan), elbows (siku-siku), joints (sambungan- sambungan), valve dan lain-lain. Head loss dapat dikategorikan dalam dua bagian, yaitu: 2
1.
Head loss karena tahapan sepanjang pipa
Ff =
=4
Harga f dipengaruhi oleh besarnya ε/D dan bilangan Reynolds (Nre). 2. Friction loss Ff = Dimana hf adalah koefisien kehilangan masingmasing fitting. Untuk koefisien tersebut dapat dilihat pada: 1) Friction loss karena kerangan (Ffv) Ffv = Kf 2) Friction loss karena adanya belokan (Ff elb) Ffelb = Kfelb 3) Friction loss karena adanya kontraksi (Ffc) Ffc = Kfc Kfc = 0,55 [1 -
]
4) Friction loss karena adanya ekspansi (Ffex) Ffex = [
]
α = 1, jika turbulen α = 0,5, jika laminer Alat yang digunakan untuk mengukur aliran disebut flowmeter. Berdasarkan hasil pengukurannya, alat ukur aliran dibedakan menjadi dua, yaitu: 1. Kecepatan lokal; kecepatan fluida pada posisi tertentu. Misal tabung pitot. 2. Kecepatan total; kecepatan alir rata-rata seluruh penampang luas aliran. Misal orifice, venturi dan rotameter. III. METODE PERCOBAAN Percobaan ini terdiri atas tahap pelaksanaan percobaan, analisa data percobaan dan pembahasan serta penarikan kesimpulan. A. Pelaksanaan Percobaan Percobaan dilakukan selama kurang lebih 6 jam. Alat-alat yang digunakan adalah sistem perpipaan dan kelengkapannya, manometer raksa dan penggaris. Sedangkan bahan/fluida yang digunakan adalah air.
Sebelum dimulai percobaan, dilakukan kalibrasi alat ukur aliran venturimeter. Kalibrasi dilakukan dengan bukaan valve 1-7. Variasi yang dilakukan adalah panjang pipa (60, 80 140 cm), diameter pipa (0,5;0,75;1 inch), kelengkapan sistem perpipaan (globe valve, gate valve, elbow, tee) dan variasi gabungan. Sebelum memulai praktikum aliran fluida, terlebih dulu melakukan persiapan dengan mengecek kondisi pompa dan peralatan. Langkah pertama yang dilakukan saat percobaan adalah mengisi tangki dengan air sampai penuh. Kemudian melakukan valve set pada sistem perpipaan. Selanjutnya menghidupkan pompa dan mengalirkan keseluruhan sistem perpipaan. Kemudian mengkalibrasi venturimeter. Selanjutnya menentukan flow rate (Q) aliran untuk tiap bukaan valve. Kemudian melakukan pengukuran beda tekanan fluida terhadap variasi percobaan yang telah ditentukan menggunakan manometer raksa. Setelah didapatkan data beda tekanan (∆P) dari tiap variasi maka dapat dihitung friction losses dan daya pompanya. B. Analisis Data Analisa data dan pembahasan dilakukan terhadap data yang diperoleh dari hasil percobaan meliputi data debit air hasil kalibrasi dan beda tekanan (∆P). IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan ini untuk dapat memahami sifat fluida dalam system perpipaan beserta kelengkapan-kelengkapannya seperti elbow, tee, fitting, dan perubahan luas permukaan pipa. Hasil dari percobaan yang telah dilakukan, dengan berbagai variasi didapatkan nilai friction loss yang menyimpang dari perhitungan teoritis. Hal ini disebabkan karena flowmeter diletakkan sebelum valve. Juga karena manometer yang digunakan untuk mengukur beda tekanan sudah tidak akurat memberikan pembacaan karena dibagian atas raksa dalam manometer terdapat suatu endapan yang menyebabkan pengukuran manometer menjadi tidak akurat. Dan juga menyebabkan ketinggian raksa pada saat awal tidak pernah sama. Maka dari itu data beda tekanan yang didapatkan pun menyimpang. Saat melakukan kalibrasi venturimeter digunakan bukaan valve 1-7. Kemudian untuk percobaan selanjutnya dipilih bukaan valve 2, 4 dan 6 karena berdasarkan data kalibrasi yang didapat, saat bukaan valve 2, 4 dan 6 data yang dihasilkan linear.
3
4.1 Pengaruh Bukaan Valve Terhadap Debit
Gambar 1. Grafik Kalibrasi Laju Alir Pada Gambar 6, dapat dilihat bahwa dari kalibrasi didapatkan grafik hubungan antara bukaan valve (1-7) dan debit air (Q) yang berupa garis tidak linear. Namun secara teoritis grafik yang didapat seharusnya akan memberikan garis linear, yang menunjukkan bahwa laju alir berbanding lurus dengan bukaan valve. Penyebab penyimpangan ini terjadi kemungkinan akibat Flowmeter diletakkan sebelum valve. Sehingga, semakin besar bukaan valve maka laju alir semakin menurun. Hal ini dibuktikan berdasarkan persamaan kontinuitas. Q = V (m3) t (s) Semakin besar luas penampang disuatu titik maka kecepatan dititik tersebut semakin kecil dimana dititik lain kecepatan dan luas penampang konstan.
4.3 Pengaruh Diameter Pipa Terhadap Friction Loss
Gambar 3. Grafik hubungan diameter pipa (0,5 inch) terhadap friction loss Berdasarkan gambar 3 didapatkan hubungan friction loss terhadap diameter pipa pada percobaan (aktual) adalah berbanding lurus dimana semakin kecil diameter pipa maka semakin kecil pula friction loss-nya. Hal tersebut tidak sesuai dengan persamaan: Ff =
=4
Seharusnya nilai friction loss berbanding terbalik karena semakin kecil diameter pipa maka semakin besar gesekkan yang terjadi antara fluida dan pipa. Ketidaksesuaian tersebut terjadi karena kurang akuratnya manometer (terdapat endapan pada raksa) dan kurang cermatnya praktikan dalam pembacaan flowmeter dan stopwatch. 4.4 Pengaruh Variasi Kelengkapan Terhadap Friction Loss
4.2 Pengaruh Panjang Pipa Terhadap Friction Loss
Gambar 2. Grafik hubungan bukaan valve terhadap friction loss pada variasi panjang pipa (140 cm) Pada variasi panjang pipa, friction loss atau hilangnya energi pada pipa lurus berbanding lurus dengan panjang pipa. Semakin panjang pipa maka semakin besar nilai friction loss nya karena gesekan antara dinding pipa dengan fluida akan semakin lama dan semakin banyak terjadi, sehingga hilang energi pun semakin besar.
Gambar 4. Grafik hubungan antara kelengkapan pipa terhadap friction loss untuk bukaan 2 Friction loss pada globe, tee dan gate valve lebih besar dibandingkan elbow karena perbedaan tekan elbow lebih kecil dibandingkan dengan lainnya. Hal tersebut dilihat dari alat yang beroperasi. Arah aliran fluida yang menuju keatas berjalan satu arah melewati elbow sehingga tidak ada pengaruh tekanan dari fluida yang mengalir dari dua arah seperti tee, atau terbentur oleh bagian dalam valve seperti pada gate dan globe valve. Oleh karena itu friction loss pada elbow baik teori
4
maupun actual lebih kecil dibandingkan dengan kelengkapan globe,tee dan gate. 4.5 Pengaruh Variasi Gabungan Terhadap Friction Loss
V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa faktor-faktor yang mempengaruhi hilang energi (friction loss) aliran fluida pada sistem perpipaan adalah panjang pipa, diameter pipa, kelengkapan pipa (elbow, tee, valve). Saran Saran yang dapat diberikan untuk praktikum selanjutnya adalah untuk variasi penggabungan dicoba dengan adanya rekayasa atau perubahan arah aliran menjadi kearah alat aliran fluida. Saran lainnya adalah dengan memberikan variasi untuk dua fluida yang berbeda.
Gambar 5. Grafik hubungan antara bukaan valve terhadap friction loss pada variasi gabungan (26-27) Pada Gambar 10, dikarenakan pada data teori terdapat elbow yang berekspansi yang membuat friction loss pada elbow dan tee yang juga mempengaruhi. Pada data sebelumnya friction loss pada elbow kecil dibandingkan dengan globe,gate dan tee. Namun, factor pipa yang berkorosi dan adanya ekspansi dari pipa 0,5 inch ke pipa yang lebih besar. Selain itu, pipa dengan diameter kecil membuat friction loss yang dihasilkan besar. 4.6 Perbandingan Daya Fluida Teori dan Aktual
Gambar 6. Grafik hubungan antara bukaan valve dengan daya pompa
DAFTAR PUSTAKA [1] Ridwan. 2000. “Mekanika Fluida Dasar.” Jakarta Pusat : GUNADARMA. [2] Soedrajat s,a. 1999. “Mekanika – Fulida dan Hidrolika.” Bandung : NOVA. [3] Orianto dan Prakto. 1989. “Mekanika Fluida.” Yogyakarta : BPFE. [4] Widayana, G dan T Yowono. 2010. “Studi Eksperimental dan Numerik Aliran Dua Fase (Air – Udara) melewati Elbow 30° dari Pipa Vertikal Menuju Pipa Dengan Sudut 60°.” Jurnal Teknik Mesin. Institut Teknologi Sepuluh November. Surabaya. [5] Wiryanta, I. K. E. H dan T. Yuwono. 2010. “Studi Eksperimental dan Numerik Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 75° dari Pipa Vertikal Menuju Pipa Dengan Sudut 15°.” Jurnal Teknik Mesin. Institut Teknologi Sepuluh November. Surabaya. [6] Ansori, Latif dan Priyo Heru Adiwibowo. 2013. “Eksperimental Karakteristik Pressure Drop Pada Sambungan T (Tee) Untuk Posisi Frontal Dengan Variasi Kemiringan Untuk Sistem Perpipaan.” JTM vol.01 no.03. 1 - 6. [7] Rachman, Fakhar. 2016. “Perbandingan Kinerja Pompa Rekondisi Tipe Vertikal API 610 OH-4 Model 3900L.” PT. Y dengan CAE. Vol.01 no.01. [8] Brown, G.G. 1978. “Unit Operations.” New York : John Willey and Sons.
Pada gambar 11, untuk perbandingan daya fluida data teori mengalami kenaikan. Karena semakin besar bukaan valve maka semakin besar pula daya pompa. Namun, saat praktikum terjadi fluktuatif karena kurang akurat praktikan dalam pembacaan flowmeter, stopwatch dan manometer yang masuk sehingga berpengaruh dalam perhitungan daya pompa. Seharusnya bukaan valve berbanding lurus dengan daya pompa.
5
6
