ALIRAN FLUIDA I.
MAKSUD DAN TUJUAN a. Menentukan hubungan preassure drop dengan kecepatan aliran menggunakan suatu orificemeter dan venturimeter. b. Menggunakan efek perubahan diameter orifice terhadap diameter pipa secara seri maupun parallel, elbow, tee, dan valves terhadap head loses ( ∆ H ). c. Mempelajari aliran fluida dan peralatan-peralatan yang berkaitan dengan transportai fluida. d. Menentukan karakteristik untuk : Karakteristik sight gage. Karakteristik venturimeter. Karakteristik orificemeter. Karakteristik elbow. Karakteristik tee. Karakteristik gate valave. Karakteristik pipa tungal. Karakteristik pipa parallel.
II.
TEORI PERCOBAAN Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk secara permanen. Adanya usaha mengubah bentuk suatu massa fluida, maka di dalam fluida itu akan terbentuk lapisan-lapisan yang satu meluncur di atas lainnya sehingga mencapai bentuk baru. Selama perubahan bentuk terdapat tegangan geser yang besarnya tergantung viscositas dan laju luncur fluida. Jika keseimbangan tercapai semua tegangan geser akan hilang. Fluida dapat mengalir di dalam pipa atau saluran menurut dua cara berlainan. Pada laju aliran rendah, penurunan tekanan di dalam fluida bertambah secara langsung berdasarkan kecepatan fluida tersebut, sedangan pada laju aliran tinggi maka pertambahan itu jauh lebih cepat, yaitu kira-kira menurut kuadrat kecepatan. Perbedaan kedua jenis aliran ini pertama kali dipelajari oleh Osborne Reynolds (1883). Reynolds mempelajari kondisi dimana satu jenis aliran berubah menjadi aliran jenis lain, dan menemukan bahwa kecepatan kritis, dimana aliran laminer berubah
menjadi aliran turbulen, bergantung pada empat buah besaran, yaitu : diameter tabung, viskositas, densiti dan kecepatan linier rata-rata zat cair. Pada pengamatan selanjutnya ditunjukkan bahwa transisi dari aliran laminer menjadi aliran turbulen dapat berlangsung pada kisaran angka Reynolds yang cukup luas. Aliran laminer selalu ditemukan pada angka reynolds di bawah 2100, tetapi bisa terdapat pada angka Reynolds sampai beberapa ribu, yaitu dalam kondisi khusus dimana lubang masuk tabung sangat baik kebundarannya, dan zat cair di dalam tangki sangat tenang. Pada kondisi aliran biasa, antara 2100 dan 4000, terdapat suatu daerah transisi, dimana jenis aliran itu mungkin laminer dan mungkin pula turbulen, tergantung pada kondisi di lubang masuk tabung dan jaraknya dari lubang masuk tersebut. Fluida biasa ditransportasikan di dalam pipa atau tabung yang penampangnya bundar dan terdapat di pasaran dalam berbagai ukuran, tebal dinding dan bahan konstruksi yang penggunaannya cepat dengan kebutuhan prosesnya. Untuk menyambung potongan-potongan pipa atau tabung bergantung antara lain pada sifat -sifat bahan yang digunakan, tetapi ditentukan juga oleh tebalnya pipa. Bagian-bagian tabung yang berdinding tebal biasanya dipersambungkan dengan penyambung ulir, flens atau las. Tabung-tabung berdinding tipis disambung dengan solder atau dengan sambungan jolak. Pipa yang terbuat dari bahan rapuh, seperti gelas atau besi cor dipersambungkan dengan sambungan flens. Bila menggunakan pipa sambung berulir bagian luar ujung pipa dibuat berulir dengan alat pembuat ulir. Untuk menjamin rapatnya sambungan itu pada ujung berulir pipa itu dibalutkan terlebih dahulu oleh pita politetraflouro etilen. Laju alir fluida merupakan fungsi dari waktu, disamping merupakan fungsi diameter lubang dan panjang fluida, persamaan-persamaan dasar fluida dan lain sebagainya. SIFAT-SIFAT FLUIDA Fluida itu dapat didefinisikan sebagai suatu benda yang tidak menahan distorsi (perubahan bentuk) secara permanen. Secara umum aliran fluida dapat dibedakan menjadi : 1.
Fluida Incompressible (Fluida yang tidak dipengaruhi tekanan).
2.
Fluida Compressible ( Fluida yang dipengaruhi tekanan ).
Fluida yang peka terhadap perubahan variable (tekanan, suhu) Bila kita mencoba mengubah bentuk massa suatu fluida, maka di dalam fluida itu akan terbentuk lapisanlapisan dimana lapisan yang satu meluncur di atas yang lain, hingga mencapai suatu bentuk baru. Selama perubahan bentuk itu terdapat tegangan geser (shear stress), yang besarnya tergantung pada viskositas fluida dan laju luncur. Tetapi bila fluida itu sudah akan mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan geser itu akan hilang. Fluida yang dalam keseimbangan itu bebas segala tegangan geser. Pada suatu suhu dan tekanan tertentu setiap fluida mempunyai densitas tertentu, yang dalam praktek keteknikan biasa diukur dalam kilogram per-meter kubik. Walupun densitas fluida bergantung pada suhu dan tekanan, perubahan karena variabel itu mungkin besar dan mungkin kecil. Fluida biasanya diangkut di dalam pipa dan tabung dengan penampang lingkaran bundar dan tersedia dalam berbagai macam ukuran, ketebalan dinding dan bahannya. Tidak ada perbedaan antara pipa
dengan tabung. Pada umumnya, pipa mempunyai
panjang yang sedang dari 20 ft - 40 ft. Tabung pada umumnya berdinding tipis dan sering dijumpai sebagai lilitan (coils) dengan panjang beberapa ratus feet. Pipa logam dapat dibuat ulir, sementara tabung biasanya tidak. Dinding pipa biasanya besar, tabung mempunyai dinding
yang sangat halus. Pipa disambung dengan ulir, flange atau
sambungan las. Tabung disambung dengan sambungan tekan, fitting, flare fitting atau soldered fitting. Pipa dan tabung dapat dibuat dari berbagai macam bahan yang meliputi logam dan logam paduan, plastik, karet, kayu, keramik, beton, asbes. Pengukuran aliran fluida perlu dilakukan agar dapat melakukan pengendalian atas prosesproses industri. Berbagai jenis meteran digunakan untuk industri termasuk diantaranya : 1.
Meteran yang didasarkan atas penimbangan langsung atau pengukuran volume.
2.
Meteran dengan tinggi tekan variabel .
3.
Meteran penampang aliran.
4.
Meteran Arus.
5.
Meteran anjakan positip.
6.
Meteran magnetik.
7.
Meteran Ultrasonik.
Meteran yang menyangkut penimbangan langsung dan penggunaan volume sederhana sekali tidak akan dibahas. Meteran arus seperti anemometer mangkuk atau anemometer sudu, menggunakan elemen yang berputar pada kecepatan yang ditentukan oleh kecepatan aliran fluida dimana meteran itu ditempatkan. Meteran anjakan-positif meliputi berbagai jenis pompa pengukur, yang prinsipnya sama dengan pompa putar dan pompa bolak-balik. Meteran aliran magnetik bergantung pada timbulnya potensial listrik karena gerakan fluida yang bersifat menghantar melalui medan magnet yang seragam yang dibangkitkan dari luar. Menurut Faraday tentang induksi elektromagnetik, tegangan listrik (voltase) yang dibangkitkan berbanding lurus dengan kecepatan aliran fluida. Meteran aliran magnetik yang terdapat dalam perdagangan dapat dipergunakan untuk mengukur kecepatan pada hampir semua jenis fluida, kecuali hidrokarbon karena konduktivitas (kehantaran) listriknya terlalu kecil. Oleh karena itu tegangan hasil induksi itu hanya bergantung pada kecepatan saja, perubahan viskosiatas atau density tidak mempunyai pengaruh terhadap bacaan meteran itu. Meteran ultrasonik menggunakan pergeseran frekuensi Doppler daripada sinyal-sinyal (isyarat) listrik yang dipantulkan dari diskontinuitas seperti gelembung atau partikel zat padat di dalam arus zat cair. Alat ini tidak mempunyai bagian yang bergerak, tidak menyebabkan bertambahnya penurunan tekanan dan tidak pula mengganggu pola aliran fluida. Yang paling banyak digunakan untuk mengukur aliran fluida adalah beberapa jenis meteran tinggi tekan variabel dan meteran venturi, meteran orifice, tabung pitot, dalam kelompok meteran penampang aliran tercakup rotameter dengan berbagai rancangan. Pada prakteknya yaitu dilakukan untuk mengukur laju alir fluida dengan menggunakan orifice.
METERAN ORIFICE
Meteran Orifice mempunyai kelemahan tertentu dalam praktek pabrik pada umumnya. Alat ini cukup mahal, mengambil tempat cukup besar, dan diameter leher terhadap diameter pipa tidak dapat diubah-ubah. Untuk meteran tertentu dengan sistem manometer tertentu pula, laju aliran maksimum yang dapat diukur terbatas sehingga apabila laju aliran berubah, diameter leher mungkin menjadi terlalu besar untuk memberikan bacaan yang teliti, atau terlalu kecil untuk dapat menampung laju aliran maksimum yang baru. Meteran Orifice dapat mengatasi keberatankeberatan terhadap venturi, tetapi konsumsi dayanya lebih tinggi. Prinsip meteran orifice identik dengan prinsip venturi, Penurunan penampang arus aliran melalui orifice itu menyebabkan tinggi tekan kecepatan meningkat tetapi tinggi tekan menurun, dan penurunan tekanan antara kedua titik sadap diukur dengan manometer. Persamaan Bernoulli memberikan dasar untuk mengkorelasikan peningkatan tinggi tekan kecepatan dengan penurunan tinggi tekan tekanan. Ada satu kesulitan pokok yang terdapat pada meteran orifice yang tidak terdapat pada venturi. Oleh karena orifice itu tajam, arus fluida itu memisah disebelah hilir, disitu terbentuk vena kontrakta. Jet itu tidak dipengaruhi oleh dinding padat, seperti halnya pada venturi, dan luas penampang jet itu bervariasi antara besarnya lubang orifice dan vena kontrakta. Luas penampang pada setiap titik tertentu, umpamanya pada posisi sadap hilir tidak mudah ditentukan, sedangkan kecepatan jet pada lokasi sadap hilir tidak dapat dihubungkan dengan mudah dengan diameter orifice. Koefisien orifice lebih empirik sifatnya daripada venturi, dan pengolahan kuantitatif untuk meteran orifice harus dimodifikasikan berhubungan dengan itu. Persamaan untuk aliran orifice adalah sebagai berikut :
Co Uo = Dimana :
1 β4
2 gc Pa Pb
Uo
= kecepatan fluida melalui orifice.
= rasio diameter orifice terhadap diameter pipa.
Pa-Pb
= tekanan pada titik A dan titik B.
Co
= koefisien orifice.
Pada persamaan di atas Co adalah koefisien orifice, tanpa termasuk kecepatan datang. Koefisien ini memberikan koreksi atas kontraksi jet fluida antara orifice dan vena kontrakta , Juga terhadap gesekan dan terhadap Pa dan Pb. Nilai Co selalu ditentukan d5ari percobaan. Nilainya cukup bervariasi sesuai dengan b dan Bilangan Reynolds pada orifice, persamaan Bilangan Reynolds sebagai berikut :
NRe = Dimana :
Do U 4m μ π Doμ
Nre = Bilangan Reynold
= Viskositas
Do = Diameter Orifice m = Laju alir massa U
= Kecepatan fluida melalui orifice
= Densitas
Perbedaan Orificemeter dengan Venturimeter :
Gambar: Orifice Meter
Gambar: Venturi Meter
Perbedaannya:
Orifice: plat tipis yang diflens antara dua buah flens pipa. Bentuknya sederhana, sehingga harganya murah dan mudah untuk dipasang. Kekurangan orifice adalah kerugian headnya tinggi dan kapasitas pengukuran rendah. Venturi : dibuat langsung dengan pengecoran dan dihaluskan untuk memperoleh ketentuan sesuai standar. Harganya mahal karena berat dan kapasitas pengukurannya juga tinggi, serta kerugian headnya rendah. III.
ALAT DAN BAHAN PERCOBAAN Alat percobaan : a. Satu set system perpipaan b. Stopwatch c. Gelas ukur Bahan percobaan : air sebagai fluida
IV.
PROSEDUR PERCOBAAN 1) Sambungkan aliran listrik, isikan air pada tabung sampai penuh kemudian tamping air ke dalam beaker glass 1000 ml untuk menentukan debit air pada waktu tertentu. 2) Lakukan kalibrasi pada orificemeter dengan membuka valve 21 dan 22, kemudian pada venturimeter dengan membuka valve 19 dan 20, lalu kalibrasi pada elbow dengan membuka valve 17 dan 18, pada tee dengan membuka valve 16 dan 17, pada pipa seri dengan membuka valve 13 dan 14, dan pada pipa parallel dengan membuka valve 10 dan 14. Catat ketinggian yg terlihat pada manometer dan catat juga volume yang didapat pada waktu yang ditentukan.
V.
DATA PENGAMATAN Q = debit fluida volume (m3) Q= Rumus : waktu (s)
No.
Variable
Waktu (s)
Volume (m3)
2 4 6 Rata-rata
0,25 x 10-3 0,7 x 10-3 0,95 x 10-3 0,63 x 10-3
t (s)
No.
∆H
(m3)
valve 1.
21 22 21 22 21 22
2 Orifice Meter
4 6
2.
2 Venture Meter
4 6
3.
2 Elbow
4 6
4.
2
Volume
0,265 0,285 0,245 0,269 0,218 0,240
3
Q=
volume (m ) waktu (s)
1,25 x 10-4 1,75 x 10-4 1,58 x 10-4 1,57 x 10-4
Q=
volume (m3) waktu (s)
3 x 10-4
1,5 x 10-4
6,75 x 10-4
1,7 x 10-4
9,8 x 10-4
1,6 x 10-4
19 20 19 20 19 20
0,089 0,122 0,049 0,062 0,033 0,049
4 x 10-4
2 x 10-4
6,75 x 10-4
1,7 x 10-4
9,60 x 10-4
1,6 x 10-4
18 17 18 17 18 17
0,071 0,045 0,008 0,039 0,054 0,02
0,25 x 10-4
1,625 x 10-4
6,75 x 10-4
3,375 x 10-4
4,4 x 10-4
1,56 x 10-4
16 17
0,01 0,064
3,50 x 10-4
1,75 x 10-4
√∆ H 0,515 0,334 0,494 0,518 0,467 0,490 0,298 0,349 0,221 0,248 0,195 0,221 0,266 0,212 0,260 0,197 0,232 0,141 0,1 0,253
Rata-rata
0,425 0,507 0,478 0,324 0,235 0,416 0,239 0,229 0,136 0,176
Tee
4 6
5.
2 Seri
4 6
6.
2 Parallel
4 6
16 17 16 17
0,024 0,098 0,037 0,108
6,60 x 10-4
1,65 x 10-4
9,25 x 10-4
1,5 x 10-4
13 14 13 14 13 14 10 14 10 14 10 14
0,05 0,08 0,018 0,019 0,029 0,032 0,027 0,033 0,01 0,02 0,018 0,025
3,5 x 10-4
1,75 x 10-4
6,5 x 10-4
1,63 x 10-4
9 x 10-4
1,5 x 10-4
3,5 x 10-4
1,75 x 10-4
6 x 10-4
1,5 x 10-4
9 x 10-4
1,5 x 10-4
Perhitungan Orifiemeter dan Venturimeter. A=
1 2 π Do = 4
B=
Do Dp
=
1 2 x 3,14 x (1,725) = 2,336 m2 4
1,725 2,865
= 0,602
gc = 9,81 m/s2
√
√
Co=
4 Ko 1−β 4 0,013 1−(0,602) = =¿ 1,1704 x 10-3 A 2 gc 2,337 2 x 9,81
Vo=
Co 2 gc ∆ H 4 ρ √ 1−β
√
1.
t = 2s,
V21
V22
2.
t = 4s,
V21
=
√
1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,265 x 4 1 √1−( 0,602)
= 2,863 x 10-3 1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,285 x 4 = 1 √1−( 0,602)
√
= 2,969 x 10-3 1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,245 x 4 = 1 √1−( 0,602)
√
0,155 0,313 0,192 0,329
0,229
0,224 0,183 0,134 0,138 0,170 0,720 0,164 0,182 0,1 0,141 0,134 0,138
0,104
0,136
0,136 0,175 0,73 0,121 0,146
= 2,753 x 10-3 1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,269 x 4 = 1 √1−( 0,602)
√
V22
3.
t = 6s,
= 2,885 x 10-3 1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,218 x 4 = 1 √1−(0,602)
√
V21
= 2,597 x 10-3 1,1704 x 10−3 2 x 9,81 x 0,240 x 4 = 1 √1−(0,602)
√
V22
= 2,725 x 10-3 Perhitungan Venturimeter
√
√
4
4 Kv 1−ρ 0,001 1−( 0,5323) Cv= = =¿ 1,186 x 10-4 A 2 gc 1,825 2 x 9,81
Vv=
√
Cv 2 gc ∆ H 4 ρ √1− ρ
1.
t = 2s,
t = 3s = 3,95 x 10-5
V19
=
√
3,5051 x 10−5 2 x 9,81 x 0,089 x 4 1 √1−(0,5323)
= 4,83 x 10-5 V20
2.
t = 4s,
V19
V20
=
3,5051 x 10−5
√1−(0,5323)
4
x
√
2 x 9,81 x 0,122 1
= 5,65 x 10-5 3,5051 x 10−5 2 x 9,81 x 0,049 x 4 = 1 √1−(0,5323)
√
= 3,58 x 10-5 3,5051 x 10−5 2 x 9,81 x 0,062 x 4 = 1 √1−(0,5323)
√
= 4,03 x 10-5 3.
t = 6s,
V19
=
√
3,5051 x 10−5 2 x 9,81 x 0,038 x 4 1 √1−(0,5323)
V20
= 3,15 x 10-5 3,5051 x 10−5 2 x 9,81 x 0,049 x 4 = 1 √1−(0,5323)
√
= 3,58 x 10-5 Menghitung Karakteristik Pipa θo
=
Ko √ ∆ H
= 0,2095 Maka
θo = θp θo = Ko √ ∆ H Kp =
θo √∆ H
1. Pipa Elbow Kp
Kp
Kp
2 =
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,239
= 0,4287
4
=
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,229
= 0,4379
6
=
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,186
= 0,486
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,176
= 0,499
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,234
= 0,433
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,186
= 0,486
2. Pipa Tee Kp
Kp
Kp
2
=
4 =
6
=
3. Pipa Paralel
Kp
Kp
Kp
2
=
4 =
6 =
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,173
= 0,304
θo √∆ H
=
0,2095 √0,121
= 0,603
θo √∆ H
=
0,2095 0,146
= 0,548
4. Pipa Seri Kp
Kp
Kp
2
=
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,146
= 0,416
4
=
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,136
= 0,568
=
θo √∆ H
=
0,2095 √ 0,175
= 0,501
6
