PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II MODUL 5
BILANGAN REYNOLD
LABORATORIUM LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UPN”VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA
BILANGAN REYNOLD TUJUAN Menentukan Bilangan Reynold ( Nre) kritits untuk air yang mengalir secara vertical berdasarkan pengamatan langsung ( observasi visual) dan pengukuran laju alir
TEORI Perilaku zat cair yang mengalir sangat tergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada dibawah pengaruh bidang batas atau tidak. Daerah dimana pengaruh dinding itu kecil, t egangan geser mungkin dapat diabaikan dan perilaku fluida
itu mendekati
fluida ideal, yaitu tidak mampu mampat dan mempunyai
viskositas = 0 . Aliran fluida demikian itu disebut aliran potensial. Fluida didefinisikan sebagai zat yang tidak dapat
menahan perubahan
bentuk (distorsi) secara permanen. Bila kita coba mengubah bentuk massa fluida, maka didalam fluida itu terbentuk lapisan-lapisan dimana satu lapisan meluncur diatas lapisan yang lain, hingga mencapai bentuk baru. Tekanan sebagai gaya
dikenal sebagai sifat dasar dari fluida
statik, tekanan dikenal
permukaan yang diberikan oleh fluida terhadap dinding bejana.
Tekanan terdapat pada suatu titik didalam volume fluida. Tekanan pada setiap penampang yang sejajar dengan permukaan bumi Keturbulenan Fluida dapat mengalir di dalam pipa atau saluran menurut dua cara yang berlainan. Pada laju aliran rendah, penurunan tekanan didalam fluida itu bertambah
secara
langsung
menurut
kecepatan
fluida,
pada
laju
tinggi,
pertambahan itu jauh lebih cepat lagi. Perbedaan antara kedua jenis aliran pertama kali ditunjukkan dalam percobaan klasik Osborne Reynolds, tahun 1883. Sebuah tabung gelas dibenamkan didalam tangki berdinding gelas yang penuh dengan air. Aliran air yang terkendali kemudian dilarutkan dalam tabung itu dengan membuka suatu katup. Pintu masuk ke dalam tabung dilebarkan dan disediakan pula suatu fasilitas untuk memasukkan suatu filamen air berwarna dari suatu labu, yang ditempatkan diatas. Ke dalam arus pada lubang masuk tabung, pada laju aliran rendah, air berwarna mengalir tanpa gangguan bersama dengan aliran umum dan tidak terlihat adanya campur silang. Perilaku pita warna ini menunjukkan dengan jelas bahwa air itu mengalir menurut garis-garis lurus yang sejajar dan bahwa aliran itu laminar. Bila laju aliran ditingkatkan akan dicapai suatu kecepatan yang disebut kecepatan kritis dimana benang merah itu
menjadi bergelombang dan berangsur-angsur hilang karena zat warna itu tersebar dan berada didalam keseluruhan penampang alairan air. Perilaku air berwarna itu menunjukkan bahwa air itu tidak lagi mengalir menurut gerakan laminar, tetapi bergerak kemana-mana dalam bentuk aliran silang dan pusaran. Gerakan jenis ini dinamakan aliran t urbulen.
Angka Reynold dan Transisi Dari Aliran Laminer ke Aliran Turbulen Reynold 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 variable yaitu ; diameter tabung / pipa (D), viskositas fluida ( ), densitas fluida ( ) dan kecepatan linear fluida (V). Lebih jauh ia menemukan bahwa empat faktor itu dapat digabungkan menjadi satu gugus, dan bahwa perubahan macam aliran berlangsung pada suatu nilai tertentu gugus itu. Pengelompokan variabel menurut penemuannya itu adalah :
N Re
DV
(1)
dimana : D = Diameter tabung V = kecepatan linier fluida = Densitas zat cair = Viskositas zat cair
Gugus variabel tanpa dimensi itu dinamakan angka reynold (Reynolds Number) Nre. Gugus ini merupakan salah satu
gugus tidak berdimensi yang besarnya
tidak tergantung pada satuan yang digunakan. Pada transisi laminer menjadi aliran turbulen dapat berlangsung pada suatu kisaran angka reynold yang cukup luas aliran laminar selalu ditemukan pada angka reynold dibawah 2.100, tetapi bisa terdapat pada angka reynold sampai beberapa ribu yaitu dalam kondisi khusus dimana lubang masuk tabung sangat baik kebundarannya dan zat cair didalam tangki sangat tenang. Pada k ondisi aliran biasa, aliran itu turbulen pada angka reynold diatas kira-kira 4.000. Antara 2.100 dan 4.000, terdapat suatu daerah transisi dimana jenis aliran itu m ungkin laminar atau turbulen. Aliran Laminer Dalam Pipa Hubungan umum aliran fluida ditunjukkan bahwa langkah yang menentukan dalam penurunan hubungan-hubungan itu adalah berkaitan antara kecepatan lokal u dengan posisi didalam tabung arus, persamaan yang dipakai :
u
w g c
r 2r
2
w
r 2
(2)
w
Sedangkan nilai maksimum yang berada di pusat pipa :
u max
w g c r w
2
(3)
Dari pers. (2) dan pers. (3) diperoleh hubungan :
u u max
2
r 1 r w
(4)
Bentuk persamaan (2-7) itu menunjukkan bahwa dalam aliran laminer, distribusi kecepatan terhadap jari-jari ialah berupa parabola dengan puncaknya terletak pada garis pusat pipa. Untuk kecepatan rata-rata menghasilkan persamaan :
V
w g c
r w
3
r r w
0
2
w
r 2 rdr
w g c r w
(5)
4
Perbandingan dengan u m ax menunjukkan bahwa :
V u max
0,5
(6)
Dengan menggunakan persamaan Hagen-Poiseuille ditransformasikan dengan mengeliminasi w dan menggantinya dengan menggunakan Ps, yaitu dengan bantuan persamaan (4) dan mengganti jari-jari pipa dengan menggunakan diameter pipa :
Penyelesaian untuk Ps menghasilkan
Ps
32 LV g c D 2
(7)
karena Ps = 4 w /D L w
8V g c D
(8)
Substitusi dari persamaan (12) ke persamaan (3) menjadi
f
16 DV
16 N Re
(9)
Aliran Turbulen Dalam Pipa Dalam
aliran
turbulen,
sebagaimana
dalam
aliran
laminer,
gradien
kecepatan adalah nol pada garis pusat. Pusaran pada inti turbulen itu biasanya besar, didalam zona transisi kecil, tetapi intensitasnya tinggi. Distribusi kecepatan didalam aliran turbulen biasanya tidak dinyatakan sebagai kecepatan vs jarak, tetapi malah dengan parameter tanpa dimensi yang didefinisikan pada persamaan berikut :
u* V
f 2
u
u
u max
y
w g c
(10)
yu *
(11)
y
w g c
dimana : u* = kecepatan gesek u + = koefisien kecepatan, tanpa dimensi y + = jarak, tanpa dimensi y = jarak dari dinding tabung Hubungan antara y, r dan r w , jari-jari tabung adalah : r w = r + y
(12)
Sedangkan hubungan antara angka reynold dengan hukum faktor gesek untuk tabung licin, persamaannya adalah :
y c
r wV v
f 2
DV 2v
f 2
N Re 2
f 2
N Re
f 8
(13)
maka persamaan dituliskan dalam bentuk yang lebih berguna, yang dikenal sebagai persamaan Von Karman
1 f
4,07 log N Re f 0,60
(14)
PROSEDUR Alat percobaan terdiri dari sebuah pipa gelas vertical yang dilengkapi dengan pipa jarum untuk aliran zat cair berwarna. Selain itu disediakan dua t angki penampung umpan masingmasing untuk air dan zat cair berwarna, dan satu tangki penampung aliran keluar dari pipa vertical. Laju alir air dan cairan berwarna diatur melalui masing-masing kran yang berada diatas kolom.
6
4 8 1
5 5
2
Keterangan : 1. Tangki penampung air 2. Tabung kaca 3. Tangki pembuangan 4. Tangki zat warna 5. Kran 6. Air masuk 7. Overflow 8. Pipa zat warna
7 5 3 5
5
Cara melakukan Percobaan. 1. Alirkan air kedalam tangki T2 pada laju tertentu dengan membuka kran V2 dan tunggu hingga aliran konstan, selanjutnya buka kran V1 dan atur laju zat warna hingga tidak mengganggu pola aliran air (laju aliran zat warna lebih rendah atau maksimal sama dengan laju aliran air). 2. Catat kecepatan volumetric air. 3. Amati pola aliran yang diindikasikan oleh pola aliran zat warna (laminar atau turbulensi). 4. Ulangi percobaan dengan variasi laju volumetric air. Tugas. 1. Hitung Bilangan Reynold (Nre) dan factor friksi untuk tiap run percobaan 2. Taksirlah harga Bilangan Reynold kritis dan bandingkan harga tersebut dengan literature.
DAFTAR PUSTAKA
Geankoplis, C, J, 1997, “transport Process And Unit Operation”, P rentice Hall of India, New Delhi. McCabe,W.L., Smith,J.C., and Harriot,P., 1993, “Unit Operation of Chemical Engineering” , p.42-59, 83-104, 5 t h Ed., McGraw Hill Co., Singapore.
