PENERAAN ALAT UKUR LAJU ALIR FLUIDA
I.
TUJUAN PERCOBAAN Tujuan
percobaan ini adalah membuat kurva baku hubungan antara
tinggi pelampung dalam rotameter cairan dengan laju alir air dan kurva baku hubungan antara tinggi pelampung dalam rotameter gas dengan laju alir udara.
II.
DASAR TEORI Dalam perancangan alat dan pemipaan dalam industri terdapat beberapa
besaran yang perlu diperhatikan. Selain sifat fluida itu sendiri seperti densitas dan viskositas, debit dan laju alir juga memegang peranan penting. Terdapat beberapa pilihan alat yang dapat digunakan untuk mengukur laju alir fluida, salah satunya adalah rotameter. Rotameter berbentuk tabung yang terbuat dari gelas, kaca atau plastik yang transparan. Tabung ini memiliki diameter atas yang sedikit lebih besar dibandingkan diameter bawahnya. Pada dinding rotameter terdapat garis-garis skala ukuran panjang untuk mengukur ketinggian float atau pelampung yang terdapat di dalam tabung. Bentuk float bermacam-macam, yaitu bisa berbentuk bola, kerucut, dan lain sebagainya. Hal tersebut tergantung dari jenis fluida yang akan diukur laju alirnya. Rotameter cairan memiliki float yang berbentuk bola sedangkan rotameter gas memiliki float berbentuk kerucut. Bahan pelampung dapat diganti-ganti sesuai dengan rapat massa dan laju maksimum zat cair yang diukur. Pelampung dapat bergerak naik turun secara bebas karena didorong oleh zat alir yang mengalir dari bagian bawah rotameter ke atas. Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya dimana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Rotameter bekerja dengan prinsip beda tekanan tetap. Semakin besar perbedaan tekanan, laju alir fluida menjadi semakin besar yang menyebabkan
ketinggian pelampung juga semakin besar karena gaya dorong
fluida yang
bertambah kuat. Pada pengukuran laju alir cairan, pengukuran dapat dilakukan langsung dengan mengukur debit cairan yang tertampung selama jangka waktu tertentu. Berbeda dengan pengukuran laju alir gas yang dilakukan secara tidak langsung, yaitu dengan mengukur debit air yang terdesak oleh aliran gas. Dalam hal ini diasumsikan volume air yang terdesak sama dengan volume gas yang mengalir.
Rotameter digunakan dalam percobaan ini karena memiliki beberapa kelebihan, yaitu: 1. Rotameter dianggap bebas dari pengaruh densitas, sejauh perubahan itu tidak lebih dari 15%. 2. Rotameter telah terbukti cocok untuk pengukuran laju alir fluida gas dan cairan. 3. Rotameter modern tidak dipengaruhi viskositas (kekentalan) sehingga tidak mengubah peneraan. 4. Pressure drop rendah. 5. Biaya pengadaan awal rendah. 6. Rangebility rendah.
(McCabe, Smith, and Harriot,1987)
A. Peneraan Alat Ukur Laju Alir Gas 1. Prinsip Kerja Float pada Rotameter Gas Float pada rotameter gas bekerja dengan prinsip beda tekanan tetap. Semakin besar perbedaan tekanan, laju alir fluida menjadi semakin besar yang menyebabkan ketinggian pelampung juga semakin besar karena gaya dorong dari fluida yang bertambah kuat. Pengukuran laju alir gas dilakukan secara tidak langsung, dengan mengukur debit air yang terdesak oleh aliran gas. Dalam hal ini diasumsikan volume air yang terdesak sama dengan volume gas yang mengalir. 2. Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Gas
Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya di mana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Pada rotameter gas (kerucut) W = FA -Fg
(1)
Gaya gesek diabaikan sehingga Fg = 0 sehingga, W = FA
dengan,
(2)
FA = gV
(3)
FA = gr2l
(4)
FA = gaya Archimedes (g cm/s2) massa jenis float (g/cm3) r = jari-jari float (cm) l = tinggi float (cm) g = gaya gravitasi (cm/s2)
Berikut adalah gambar gaya-gaya yang bekerja pada float rotameter gas :
Gambar 1. Gaya-Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Gas 3. Bentuk Float pada Rotameter Gas
Bentuk float pada rotameter gas adalah kerucut. Hal ini karena kerucut memiliki ujung yang runcing, luas penampang, volume dan massa yang kecil, sehingga mudah diangkat oleh gas yang mempunyai daya desak relatif kecil dibandingkan cairan. 4. Persamaan Bernoulli serta Pengaruh Perbedaan Ketinggian Pipa Discharge Pada saat pengukuran debit, tinggi permukaan ujung discharge harus sejajar dengan permukaan air di dalam penampung. Hal ini untuk menghilangkan pengaruh tekanan akibat perbedaaan ketinggian atau tekanan hidrostatis, sehingga aliran yang terjadi hanya dipengaruhi oleh beda tekanan di dalam dan di luar tabung. Jika tinggi discharge lebih rendah daripada tinggi permukaan air di dalam botol penampung maka debit menjadi lebih besar dari yang seharusnya karena adanya gaya hidrostatis yang timbul akibat perbedaan ketinggian permukaan air. Sedangkan jika tinggi discharge lebih tinggi daripada permukaan air di dalam botol penampung maka debit menjadi lebih kecil dari yang seharusnya karena ada gaya gravitasi yang harus dilawan. Penjelasan matematisnya adalah sebagai berikut : Hukum Bernoulli (dengan F=W=0) (5) (
)
(
)
(
)
(6)
karena diameter botol sangat besar, v1 diasumsikan nol (
)
(
)
(7)
karena h2=h1, maka persamaan menjadi: ( (
) )
(8) (9)
sehingga kecepatan aliran fluida hanya dipengaruhi oleh beda tekanan gas dan udara luar (P2-P1).
Gambar 2. Posisi Titik 1 dan 2 pada Alat Percobaan Laju Alir Gas
Jika gas dalam tabung pengaman habis sebelum percobaan selesai, maka pengambilan data harus diulangi dari awal, karena tujuan percobaan ini adalah membuat kurva baku hubungan antara ketinggian float dengan laju alir fluida. Jika kita mengisi tabung gas lagi, maka tekanan akan bertambah dan menyebabkan laju alir gas yang berbeda dengan pengambilan data sebelumnya.
B. Peneraan Alat Ukur Laju Alir Cair 1. Kondisi Overflow Fluida cair rapat massanya cenderung tetap, sehingga volumenya juga tetap untuk massa yang tetap. Oleh karena itu pengukuran debit fluida cair dapat dilakukan secara langsung dengan mengukur volume air yang tertampung dalam gelas ukur per satuan waktu. Kondisi overflow pada percobaan adalah cara untuk mengontrol debit air. Pada kondisi overflow, ketinggian air pada bak penampung konstan. Akibat itu, kecepatan aliran air juga konstan, sehingga diharapkan float stabil pada levelnya. Overflow membuat ketinggian permukaan air di dalam bak penampung tetap, sehingga tekanan hidrostatisnya juga konstan, karena tekanan hidrostatis berbanding lurus dengan ketinggian fluidanya.Kondisi overflow dapat dijelaskan secara
matematis
persamaan Bernoulli (dengan F=W=0)
sebagai
berikut:
(5)
Pada aliran overflow, maka kecepatan penurunan ketinggian air pada penampung bernilai nol (V1=0) dan h1 tetap. Diasumsikan letak pipa keluar berada pada dasar penampung sehingga h2=0. Penampung terbuka dan pipa aliran keluar juga terbuka maka tekanan udara adalah sama (P1=P2). Maka kecepatan aliran pada pipa keluar dapat diketahui dengan persamaan : √ Nilai
(10) sehingga dengan menjaga nilai ketinggian (h1) tetap,
maka kecepatan aliran pada pipa keluar (v2) adalah konstan.
Gambar 3. Posisi Titik 1 dan 2 pada Alat Percobaan Laju Alir Cairan 2. Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Cairan Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya di mana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Pada rotameter cairan (bola): W = FA -Fg gaya gesek diabaikan sehingga Fg = 0
(1)
sehingga, W = FA FA = gV
(2) (3) (11)
dengan,
W = gaya berat (g cm/s2) FA = gaya Archimedes (g cm/s2) Fg = gaya gesek (gcm/s2) massa jenis float 9g/cm3) r = jari-jari float (cm) g = gaya gravitasi (cm/s2)
Berikut ini adalah gambar gaya-gaya yang bekerja pada float rotameter cairan:
Gambar 4. Gaya-gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Cairan 3. Bentuk Float pada Rotameter Cairan Bentuk float pada rotameter cairan adalah bola. Alasan dipilih bentuk bola adalah bola memiliki luas penampang, volume dan massa yang besar (dibanding dengan float bentuk kerucut yang digunakan pada rotameter gas). Hal ini sesuai dengan sifat cairan yang memiliki daya desak lebih kuat dari pada gas, sehingga ketika cairan dialirkan float tidak langsung terlempar ke atas. 4. Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah suatu bilangan yang dipakai untuk menentukan jenis aliran fluida. Bilangan ini tidak berdimensi namun identik dengan aliran suatu fluida. Bilangan Reynolds diperoleh dari perkalian antara diameter dalam pipa dengan kecepatan fluida dan densitas
fluida
kemudian
dibagi
dengan
viskositas
fluida.
Persamaannya adalah sebagai berikut : (12)
dengan,
densitas fluida (gram/cm3) V = kecepatan aliran fluida (cm/s) D = diameter pipa (cm) viskositas fluida (cms/gr)
Ada tiga macam aliran fluida berdasarkan nilai bilangan Reynolds-nya: 1. Aliran laminer, nilai bilangan Reynolds lebih kecil dari 2100. 2. Aliran transisi, nilai bilangan Reynolds = 2100-4000. 3. Aliran turbulen, nilai bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 (Brown, 1950). Manfaat mengetahui bilangan Reynolds untuk aliran fluida di industri adalah: 1. Penentuan bilangan Reynolds berfungsi dalam penentuan jenis aliran fluida. Dengan mengetahui pola aliran fluida, maka kita dapat mengetahui ukuran dan jenis pipa yang akan digunakan. 2. Bilangan Reynolds juga dapat mempengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada pipa, misalnya gaya gesek (friksi) antara aliran air dan pipa.
C. Alat Ukur Fluida Gas selain Rotameter 1. Tabung Pitot Prinsip kerja tabung pitot adalah kecepatan aliran diukur berdasarkan beda tekanan pada manometer.
Laju alir fluida pada percobaan ini hanya dipengaruhi oleh ketinggian float (gaya gesek antara fluida dengan selang dan float diabaikan). Di mana semakin tinggi posisi float semakin besar debit aliran fluida (debit aliran fluida adalah volume alir fluida dibagi waktu alir fluida terukur).
Gambar 5. Prinsip Kerja Tabung Pitot Dengan memakai persamaan Bernoulli dititik a dan b : (13) (14) sehingga dari kedua persamaan diperoleh : √ dengan,
(15) Pa = tekanan statik di dalam arus gas (atm) Pb = tekanan di titik b (atm) h = beda tinggi cairan (m) v = laju gas (m/s) rapat massa gas (kg/m3) ’ = rapat massa cairan dalam manometer (kg/m3)
D. Alat Ukur Fluida Cair selain Rotameter 1. Orificemeter Prinsip kerja orificemeter adalah perubahan penampung aliran fluida dari pipa menuju orifice yang menyebabkan kecepatan linier fluida semakin membesar sedangkan tinggi tekanannya semakin
menurun. Perbedaan tinggi ini dimanfaatkan untuk mengukur kecepatan debit aliran fluida. 1
2
Gambar 6. Sensor Aliran Orificemeter
Dari gambar sensor aliran fluida dengan orificemeter di atas maka jumlah fluida yang mengalir persatuan waktu (m3/detik) dapat dirumuskan sebagai berikut: √ dengan,
√
(16)
= massa jenis fluida (kg/m3) P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 (atm) Q = jumlah fluida yang mengalir (cm3/s) k = konstanta pipa A2 = luas penampang pipa sempit (m2) G = gravitasi bumi (m/s2)
2. Venturimeter Sscara sederhana venturimeter adalah pipa yang mempunyai nozzle. Prinsip kerjanya adalah kecepatan linier fluida yang mengalir pada venturimeter akan bertambah di sepanjang bagian mulut venturimeter ini, sedangkan tekanannya semakin berkurang. Kecepatan fluida akan berkurang pula ketika fluida memasuki bagian dalam nozzle.
Penurunan
tekanan
pengukuran debit aliran fluida.
aliran
fluida
dimanfaatkan
untuk
http://www1.uts.com/physics/flowmetering/flowmeter.htm
Gambar 7. Venturimeter Cairan mengalir pada arah mendatar maka h1=h2, sehingga : (
)(
)
(17)
Tekanan hidrostatis pada manometer adalah : P1 = ’gh
(18)
P2 = gh
(19)
sehingga (
)
(20)
substitusi persamaan (17) ke (20) : √ dengan,
( (
) )
P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 (atm) = massa jenis fluida (kg/m3) ’= massa jenis fluida dalam venturimeter (kg/m3) h = selisih tinggi fluida (m) A1 = luas penampang pipa besar (m2) A2 = luas penampang pipa sempit (m2) v = laju fluida (m/s)
(21)
g = gravitasi bumi (m/s2) D = diameter pipa (m)
III . METODOLOGI PENELITIAN A. Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Air Ledeng 2. Udara
B. Rangkaian Alat Percobaan Alat yang digunakan dalam percobaan ini ditunjukkan oleh gambar rangkaian alat berikut:
10
9
Gambar 8. Rangkaian Alat Percobaan Pengukuran Laju Alir Zat Alir Cairan Keterangan: 1. Pipa pengeluaran air 2. Statif 3. Rotameter 4. Float 5. Bak penampung air 6. Pipa pengatur aliran ke 7. Pipa overflow 8. Pipa pengatur aliran ke rotameter 9. Stopwatch 10. Gelas ukur PYREX 50 mL
14
13
Gambar 9. Rangkaian Alat Percobaan Laju Alir Zat Alir Gas
Keterangan: 1. Meteran tekanan 2. Kran overflow 3. Kompresor 4. Kran pengatur aliran 5. Rotameter 6. Float (penampung) 7. Pipa pengeluaran 8. Botol penampung air 9. Statif 10. Kran overflow 11. Kran pengatur aliran gas 12. Tabung pengaman 13. Gelas ukur PYREX 50 mL 14. Stopwatch
Cara Kerja 1. Peneraan Laju Alir Zat Cair Langkah pertama, kran pemasukan dibuka untuk mengisi bak penampungan air hingga penuh dan terjadi aliran overflow. Langkah kedua, aliran air dialirkan ke rotameter. Ketinggian float diatur pada ketinggian 6 cm. Debit cairan yang mengalir dalam rotameter diukur pada selang waktu
3 detik menggunakan stopwatch dan gelas ukur
50 mL. Volume air tertampung dan waktu di stopwatch dicatat. Dilakukan pengambilan data 5 kali berturutan untuk ketinggian float yang sama. Suhu air ledeng di gelas ukur diukur dengan termometer alkohol 110 o C pada pengambilan data kelima untuk ketinggian float yang sama. Gelas ukur dikeringkan sebelum digunakan untuk setiap ketinggian float yang berbeda. Debit diukur untuk ketinggian float yang lain 5,5 cm; 5 cm; 4,5 cm; 4 cm; 3,5 cm; 3 cm; 2,5 cm; 2 cm; 1,5 cm. 2. Peneraan Laju Alir Gas Suhu udara diukur dengan termometer ruangan atau dinding dan dicatat hasilnya setelah suhu yang ditunjukkan konstan. Rangkaian alat disiapkan. Semua kran pada rangkaian alat ditutup. Kran pengarah aliran gas dibuka. Selang pengeluaran akhir dipasang pada kran sumber dan botol penampung air diisi hingga tanda batas. Kran pengarah aliran gas dibuka. Selang pengeluaran akhir dipasang pada kran sumber dan botol penampung air diisi hingga tanda batas. Kran pengaruh aliran gas ditutup kemabali. Ketinggian cairan pada selang pengeluaran akhir denngan tinggi cairan
pada botol penampung diatur agar
sejajar. Kompresor dinyalakan dan diisi dengan udara hingga tekanan 5 kg/cm2. Kran penghubung tabung gas pengaman dan rotameter dibuka. Ketinggian float rotameter diatur 15 cm menggunakan kran pengatur aliran gas. Debit aliran yang keluar diukur pada selang waktu kurang lebih 3 detik dengan bantuan
stopwatch dan gelas ukur 100 mL. Volume air tertampung dan waktu di stopwatch dicatat. Pengambilan data dilakukan 5 kali untuk ketinggian float yang sama. Debit diukur untuk ketinggian float yang lain yaitu 13 cm; 11cm; 9 cm; 7 cm, dan 5 cm. Tekanan akhir udara tersisa di kompresor dicatat. Udara yang tersisa di dalam kompresor dan tabung pengaman dikeluarkan secara perlahan.
C. Analisis Data Pengukuran laju alir zat cair dan gas 1. Menghitung debit rata-rata untuk tiap ketinggian float h dengan rumus: (22) Dengan, Qi = debit fluida (cm3/s) Vi = volume fluida (cm3) t1 = waktu (s)
(23) Dengan,Qavg = debit rata-rata fluida (cm3/s) 2. Menentukan hubungan debit fluida cair dan gas Q dengan ketinggian float (h) a. Dengan pendekatan logaritmik (24) melakukan linierisasi hingga diperoleh persamaan: (25) (26) dengan pemisalan diperoleh: (27)
Penyelesaian, dilakukan dengan regresi linier :
(
(28)
)
(29) keterangan: Q
= debit fluida (cm3/s)
h
= ketinggian float (cm)
a,b
= konstanta
n
= jumlah data Penyelesaian dilakukan dengan regresi linier hingga
didapatkan nilai konstanta a dan b untuk persamaan (24). b. Pendekatan Eksponensial (30) dengan,
Q
= debit fluida (cm3/s)
a,b
= konstanta
h
= ketinggian float (cm)
melakukan linierisasi hingga diperoleh persamaan: (31) dengan pemisalan diperoleh : (27) Penyelesaian dilakukan dengan regresi linier hingga didapatkan nilai konstanta a dan b untuk persamaan (29). 3. Menghitung kesalahan relatif dengan persamaan: (32) dengan, Er
= kesalahan relatif (%)
Kesalahan relatif rata-rata : (33) (34) dengan, Eravg
= kesalahan relatif rata-rata (%)
IV . HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan ini akan diukur laju alir gas dan cairan. Pengukuran laju alir zat cair menggunakan air ledeng, sedangkan pengukuran laju alir gas menggunakan udara. Laju alir fluida dapat diukur dengan suatu alat yang disebut rotameter. Data percobaan ditampilkan dengan persamaan yang didapat melalui pendekatan logaritmik dan eksponensial. A. Peneraan alat ukur laju fluida cair Bak penampungan air diisi air terlebih dahulu hingga overflow, jika sudah overflow, percobaan dan pengambilan data dapat dilakukan. Setelah data yang diperlukan berupa hubungan volume, waktu, dan ketinggian diperoleh, selanjutnya dilakukan perhitungan untuk membuat kurva baku hubungan debit aliran dengan ketinggian. Hal-hal yang perlu diperhatikan serta sangat mempengaruhi laju alir fluida (Q) dalam percobaan peneraan alat ukur laju lair fluida adalah volume fluida yang terukur, waktu yang digunakan dalam menampung air dalam gelas ukur atau waktu percobaan dan ketinggian float. Dari hasil perhitungan didapat hubungan debit dengan ketinggian float untuk pendekatan logaritmik adalah Q logaritmik = 3,7432h0,7950 ,dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 4,3101 %. Untuk pendekatan eksponensial diperoleh Q eksponensial = 4,1087e0,2366h, dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 2,4266 %. Dari hasil perhitungan tersebut, dapat disimpulkan bahwa metode yang lebih sesuai untuk perhitungan pada fluida cair adalah metode pendekatan eksponensial karena kesalahan relatif rata-rata lebih kecil. Grafik yang diperoleh:
18.0000 16.0000
Debit (cm3/s)
14.0000 12.0000 10.0000
Q Percobaan
8.0000
Q Logaritmik
6.0000
Q Eksponensial
4.0000 2.0000 0.0000 0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
Tinggi Float (cm)
Gambar 10. Grafik Hubungan Tinggi Float Dengan Debit Rata-Rata Untuk Fluida Cair Grafik menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik maupun eksponensial. Hal ini disebabkan aliran air yang mengalir tidak konstan akibat ketinggian air pada bak overflow yang tidak konstan, sehingga debit yang tertampung menunjukkan penyimpangan. Dari kurva terlihat bahwa, semakin tinggi float, semakin besar debit aliran. Jadi, debit aliran berbanding lurus dengan ketinggian float, hal ini telah sesuai teori. Asumsi-asumsi yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Kecepatan aliran fluida cair konstan pada saat ketinggian float mencapai titik tertentu. 2. Tekanan udara konstan 1 atm. 3. Tidak ada kebocoran air saat percobaan. 4. Gaya gesek antara fluida dengan selang dan float diabaikan.
B. Peneraan alat ukur laju fluida gas Percobaan ini dilakukan dengan mengisi udara bertekanan ke dalam tabung dengan kompresor terlebih dahulu. Setelah udara siap, percobaan dan pengambilan data mulai dilakukan.
Setelah data berupa hubungan volume, waktu, dan ketinggian float didapat, data mulai diolah menjadi hubungan debit dan ketinggian float (h). Pendekatan logaritmik : Q logaritmik = 2,0247h0,3187, sedangkan pendekatan
eksponensial
diperoleh
hubungan
Qeksponensial
=
2,7492e0,0407h. Hasil kesalahan relatif rata-rata untuk pendekatan logaritmik diperoleh 14,3778% dan pendekatan eksponensial sebesar 13,0812%, sehingga pendekatan yang paling cocok adalah pendekatan eksponensial. Grafik yang diperoleh: 6.0000
Debit ()cm3/s
5.0000 4.0000 Q Percobaan
3.0000
Q Logaritmik 2.0000
Q Eksponensial
1.0000 0.0000 0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Tinggi Float (cm)
Gambar 11. Grafik Hubungan Float Dengan Debit Rata-Rata Untuk Fluida Gas Grafik di atas menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik dan eksponensial. Hal ini disebabkan adanya penurunan tekanan (pressure drop) yang menyebabkan ketinggian float pada rotameter menjadi tidak konstan, sehingga debit alir yang keluar dari selang discharge tidak konstan, karena tinggi float tidak konstan. Dengan adanya kurva tersebut, terlihat bahwa semakin tinggi float maka semakin besar debit udara (debit air yang terdorong udara). Jadi debit fluida berbanding lurus dengan ketinggian float, sesuai dengan teori.
Ketinggian selang discharge dan air keluar sama dengan tekanan air dalam botol, sehingga air hanya dipengaruhi oleh tekanan gas saja. Grafik hubungan tinggi float dengan debit rata-rata untuk fluida gas menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik dan eksponensial. Hal ini dapat disebabakn oleh beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut di antaranya, botol penampung air tidak terisolasi sempurna (sumbat di bagian atas mungkin tidak tertutup rapat) karena akan mempengaruhi tekanan yang ada dalam botol penampung air. Mungkin tekanan tersebut bisa bertambah besar atau malah kecil sehingga dapat mempengaruhi hasil percobaan. Ketinggian float pada rotameter berubah-ubah naik dan turun karena perubahan tekanan dalam kompresor. Dampaknya akan mempengaruhi hasil percobaan karena kedudukan float tidak stabil. Bila kedudukan float stabil, maka air yang keluar dapt diukur volumenya dalam waktu tertentu. Ketinggian selang pengeluaran akhir tidak sama dan tidak sejajar dengan tinggi permukaan cairan di dalam botol penampung air. Jika ketinggian selang pengeluaran akhir lebih tinggi daripada tinggi air di dalam botol penampung, maka debit menjadi lebih kecil karena gaya tekan udara harus melawan gaya
gravitasi. Jika
ketinggian selang pengeluaran lebih rendah daripada tinggi air yang ada di dalam botol penampung, maka debit air yang keluar akan menjadi lebih besar karena pengaruh tekanan hidrostatik cairan tersebut. Perlu diperhatikan bahwa ketinggian selang pengeluaran akhir harus sama dengan tinggi permukaan cairan dalam botol penampung air agar tekanan keluar air sama dengan tekanan air dalam botol penampung air. Grafik yang terbentuk dari hubungan antara debit dan tinggi float merupakan grafik yang linier walaupun tidak sepenuhnya berupa garis lurus, karena ada kesalahan relatif yang mengikuti. Kurva tersebut melenceng pada data percobaan nomor 3 dan nomor 4 dimana kesalahan relatifnya jumlahnya paling besar di antara keenam data lainnya, yaitu sebesar 19,8154% untuk data nomor 3 dan 16,4120 % untuk data nomor 4, kesalahan relatif ini untuk kesalahan relatif eksponensial, sedangkan
kesalahan relatif logaritmik sebesar 20,6620 % untuk data nomor 3 dan 18,7259% untuk data nomor 4. Dengan adanya kesalahan relatif yang cukup besar ini, grafik yang didapatkan menjadi melenceng dari yang seharusnya. Tekanan udara dalam tabung setelah percobaan ini selesai adalah 2 kg/cm2. Apabila gas dalam penampung habis sebelum selesai percobaan, maka percobaan harus diulang dari awal. Saat air dalam botol penampung habis sebelum percobaan selesai, maka kran yang menghubungkan kompresor gas dan rotameter harus ditutup dahulu, kemudian mengisi botol penampung dan membuka kran pengarah aliran atas. Botol penampung air diisi kembali hingga tanda batas tanpa perlu membunag gas dalam kompresor dahulu. Asumsi-asumsi yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Tekanan udara konstan 1 atm 2. Gaya gesek fluida dan float diabaikan 3. Kecepatan aliran gas tetap, saat ketinggian float tertentu.
V. KESIMPULAN Kesimpulan yang didapat dari percobaan ini : 1. Hasil percobaan : a. Peneraan Laju Alir Zat Cair Persamaan Logaritmik : Q = 3,7431h0,7950 Kesalahan relatif rata-rata : Er = 4,3101% Persamaan eksponensial : Q = 4,1087e0,2366h Kesalahan relatif rata-rata : Er = 2,4266% b. Peneraan Laju Alir Fluida Gas Persamaan Logaritmik : Q = 2,0247h0,3187 Kesalahan relatif rata-rata : Er = 14,3778% Persamaan eksponensial : Q = 2,7492e0,0407h Kesalahan relatif rata-rata : Er = 13,0812% 2. Penggunaan perhitungan dengan pendekatan eksponensial lebih sesuai diterapkan pada percobaan ini karena berdasarkan perhitungan, kesalahan relatifnya lebih kecil dibandingakan perhitungan dengan pendekatan logaritmik. 3. Ketinggian float pada rotameter baik untuk fluida cair maupun gas berbanding lurus dengan debit alir fluidanya.
VI. DAFTAR PUSTAKA Brown, G.G.,1950, “Unit Operation”,John Wiley and Sons, Inc., New York. McCabe, W.L., Smith, C.J.,and Harriot,P.,alih bahasa Jisyi,E.,1987, “Operasi Teknik Kimia Jilid I, edisi ke 4, Penerbit Erlangga, Jakarta. http://www1.uts.com/physics/flowmetering/flowmeter.htm
VII. LAMPIRAN
A. Identifikasi Hazard Proses dan Bahan Kimia 1. Hazard Proses a. Pengisian bak penampung dan galon dengan air Hazard/bahaya yang dapat terjadi adalah melubernya air dan terjadi banjir akibat luberan air. Hal ini disebabkan kondisi sambungan pipa pada kran dan pipa menuju bak penampung dan galon yang kurang rapat. b. Pengisian kompresor dan tabung pengaman dengan udara Bahaya yang dapat terjadi adalah meledaknya tabung pengaman akibat tekanan terlalu besar dari udara yang disimpan. Oleh sebab itu, praktikan harus selalu mengawasi tekanan udara yang disedot oleh kompresor sebelum diteruskan ke tabung pengaman.
2. Hazard Bahan Kimia a. Air ledeng Sifat fisis dan kimia dari bahan kimia ini adalah : Bentuk
: cairan
Warna
: bening
Bau
: Tidak berbau
Massa molekul relatif : 18,02 gram/mol Titik didih
: 100oC
Bahan kimia ini tidak termasuk kategori berbahaya.
B. Penggunaan Alat Pelindung Diri 1. Jas Laboratorium
Jas laboratorium yang digunakan adalah jas dengan lengan panjang dan menutup hingga lutut. Penggunaan jas harus dengan seluruh kancing dikancingkan. Hal ini bertujuan untuk melindungi tubuh dari bahan-bahan kimia yang digunakan selama praktikum. Dalam praktikum ini, jas laboratorium berguna untuk melindungi diri dari tumpahan dan atau cipratan air.
2. Google Google digunakan untuk mencegah air masuk ke mata. Walau pun air tidak berbahaya, tetapi jika terkena mata, maka dapat menyebabkan rasa pedih.
3. Sarung Tangan Sarung tangan digunakan untuk mencegah kontak langsung antara tangan dengan bahan kimia. Walau pun dalam praktikum ini bahan kimia yang digunakan hanya air ledeng, tidak menutup kemungkinan praktikan dapat terkontak dengan bahan kimia dari praktikum lain. Oleh sebab itu penggunaan sarung tangan tetap dianjurkan.
4. Masker Masker digunakan untuk mencegah kemungkinan terhirupnya bahan kimia yang berbentuk uap agar tidak terjadi keracunan. Sama halnya seperti penggunaan sarung tangan, masker tetap dianjurkan untuk digunakan, sebab di dalam laboratorium, terjadi praktikum lain yang menggunakan bahan kimia yang lebih berbahaya.
5. Sepatu Tertutup
Tujuan penggunaan sepatu tertutup adalah untuk menghindari praktikan dari kemungkinan kontak langsung dengan bahan kimia yang tumpah ke lantai.
C. Manajemen Limbah Oleh karena yang digunakan dalam praktikum ini adalah air ledeng, maka tidak ada penanganan atau pun aturan pembuangan secara khusus. Air ledeng yang telah digunakan dibuang ke wastafel. Udara bertekanan dibuang ke atmosfer dengan membuka katup tabung pengaman secara perlahan, demikian juga dengan udara sisa pada kompresor.
D. Data Percobaan 1. Peneraan Laju Alir Zat Cair Daftar I. Hubungan antara Tinggi float dengan Debit (Q) untuk Zat Alir Cairan h,cm
6
5,5
T,°C
30
29
5 °C
V, mL
49
44
50
54
51
47
46
45
42
45
42
44
44
44
42
t, s
3
2,96
2,9
3,22
3,25
3,13
3,22
3,12
2,97
3,19
3,22
3,22
3,22
3,22
3,18
h,cm
4,5
4
3,5
T,°C
29
29
29
V, mL
37
38
41
39
38
36
36
t, s
3,18
3,19
3,25
3,22
3,16
3,1
3,25
37 3,25
30
32
31
29
27
32
31
2,94
3,03
2,97
3,22
3
3,1
3,28
h,cm
3
2,5
2
T,°C
29
29
29
V, mL
27
26
29
29
28
25
25
23
22
20
21
21
21
20
20
t, s
3,13
3
3,25
3,19
3,25
3,06
3,19
3,06
2,91
3,25
3,25
3,21
3,22
3
3,09
h,cm
1,5
T,°C
28
V, mL
16
16
17
17
15
t, s
3,15
3,1
3,18
3,06
2,97
2. Peneraan Laju Alir Gas P awal P akhir T udara
3,5 kg/cm2 2 kg/cm2 29
o
C
Daftar II.Hubungan antaraTinggi float dengan Debit (Q) untuk Zat Alir Cairan h, cm
15
V, cm3
17
18
t, s
3,1
3,19
h, cm V, cm3 t, s
t, s
20
17
18
10
17
3,22
3,09
3,15
3,09
3,25
11 10
10
2,93
3,12
h, cm V, cm3
13 21 3,21
17 2,,97
15 3,16
9 10
11
11
10
10
2,97
3,06
3
3,06
3,19
7
14
9
9
3,28
3,06
3,04
5
12
11
11
12
15
12
12
13
12
13
3,07
3,15
3,25
3,09
3,09
3,28
3,19
3,25
3,22
3,28
E. Perhitungan Pengukuran Laju Alir Zat Cair dan Fluida Gas Untuk menghitung debit rata-rata tiap ketinggian float (h), digunakan persamaan (1) dan persamaan (2). Contoh perhitungan dari data peneraan laju alir zat cair untuk ketinggian float 6,00 cm : ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
(
)
⁄
⁄
Dengan cara yang sama diperoleh data pada daftar III dan daftar IV.
Daftar III.Hasil Perhitungan Debit (Q) dan Debit Rata-rata (Qavg) untuk Data dari Pengukuran Laju Alir Zat Cair. No.
1.
2.
3.
4.
5.
V, cm3
t, s
Q, cm3/s
Qavg, cm3/s
h, cm
No.
V, cm3
t, s
Qavg, cm3/s
Q, cm3/s
49
3
16,3333
31
2,97
10,4377
44
2,96
14,8648
29
3,22
9,0062
50
2,9
17,2414
27
3
9
54
3,22
16,7702
32
3,1
10,3226
51
3,25
15,6923
31
3,28
9,4512
47
3,13
15,016
27
3,13
11,8211
46
3,22
14,2857
26
3
8,6667
45
3,12
14,4231
29
3,25
8,9231
42
2,97
14,1414
29
3,19
9,091
45
3,19
14,1066
28
3,25
8,6154
42
3,22
13,0435
25
3,06
8,1699
44
3,22
13,6646
25
3,19
7,837
44
3,22
13,6646
23
3,06
7,5163
44
3,22
13,6646
22
2,91
7,5601
42
3,18
13,2075
20
3,25
6,1538
37
3,18
11,6352
21
3,25
6,4615
38
3,19
11,9122
21
3,21
6,5421
41
3,25
12,6154
21
3,22
6,5217
39
3,22
12,1118
20
3
6,6667
38
3,16
12,0253
20
3,09
6,4725
36
3,1
11,6129
16
3,15
5,0794
36
3,25
11,0769
16
3,1
5,1613
37
3,25
11,3846
17
3,18
5,3459
30
2,94
10,2041
17
3,06
5,5556
32
3,03
10,5611
15
2,97
5,051
16,1804
14,3946
13,449
12,06
11,1679
6
5,5
5
4,5
4
6.
7.
8.
9.
10.
h, cm
9,6435
3,5
9,4295
3
7,4474
2,5
6,5329
2
5,2386
1,5
Daftar IV. Hasil Perhitungan Debit (Q) dan Debit Rata-rata (Qavg) untuk Data dari Pengukuran Laju Alir Zat Gas. V, No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Qavg, 3
cm
3
t, s
Q, cm /s
17,00
3,10
5,4839
18,00
3,19
5,6426
20,00
3,22
6,2112
17,00
3,07
5,5016
18,00
3,15
5,7143
10,00
3,09
3,2362
17,00
3,25
5,2310
21,00
3,21
6,5421
17,00
2,97
5,7239
15,00
3,16
4,7468
10,00
2,93
3,4130
10,00
3,12
3,2051
10,00
2,97
3,3670
11,00
3,06
3,5948
11,00
3,00
3,6667
10,00
3,06
3,2680
10,00
3,19
3,1348
14,00
3,28
4,2683
9,00
3,06
2,9412
9,00
3,04
2,9605
12,00
3,07
3,9088
11,00
3,15
3,4921
11,00
3,25
3,3846
12,00
3,09
3,8835
15,00
3,09
4,8544
12,00
3,28
3,6585
12,00
3,19
3,7618
13,00
3,25
4,0000
12,00
3,22
3,7267
13,00
3,28
3,9634
cm3/s
h, cm
5,7107
15,00
5,0960
13,00
3,4493
11,00
3,3146
9,00
3,9047
7,00
3,8221
5,00
Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggian float (h), melalui pendekatan : a. Logaritmik Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggian float melalui pendekatan logaritmik diselesaikan dengan persamaan (3), persamaan (6), dan persamaan (27). Sebelumnya, dilakukan pemisalan : ln Q = y ; ln a = A ; ln B ; dan ln h = x. Berdasarkan data percobaan untuk laju alir fluida cair, maka nilai konstanta a dan konstanta b dapat dihitung dengan terlebih dahulu menghitung variabel-variabel terkait dan disajikan pada daftar III.
Nilai A dan B dihitung dengan menggunakan persamaan (28) dan persamaan (29), sebagai berikut : ∑(
)
∑ ∑
∑
∑
(∑ )
∑
Daftar V.Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Cair No.
Q, cm3/s
h, cm
ln Q (y)
ln h (x)
(x)2
x*y
1.
16,1804
6,00
2,7838
1,7918
3,2105
4,9880
2.
14,3946
5,50
2,6669
1,7047
2,9060
4,5463
3.
13,4490
5,00
2,5989
1,6094
2,5902
4,1827
4.
12,0600
4,50
2,4899
1,5041
2,2623
3,7451
5.
11,1679
4,00
2,4130
1,3863
1,9218
3,3451
6.
9,6435
3,50
2,2663
1,2528
1,5695
2,8392
7.
9,4295
3,00
2,2438
1,0986
1,2069
2,4650
8.
7,4474
2,50
2,0079
0,9163
0,8396
1,8398
9.
6,5329
2,00
1,8769
0,6931
0,4805
1,3009
10.
5,2385
1,50
1,6561
0,4055
0,1644
0,6715
23,0035
12,3628
17,1516
29,9236
∑
Sehingga untuk zat cair, konstanta A dan B diperoleh : (
) (
(
)
(
)( )
(
(
) )
)(
)
B= Dengan demikian, persamaan untuk fluida cair menjadi: (
)
(35)
Daftar VI.Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Gas No.
Q, cm3/s
h, cm
ln Q (y)
ln h (x)
(x)2
x*y
1.
5,7107
15,00
1,7423
2,7081
7,3338
4,7183
2.
5,0960
13,00
1,6285
2,5649
6,5787
4,1769
3.
3,4493
11,00
1,2382
2,3979
5,7499
2,9691
4.
3,3146
9,00
1,1983
2,1972
4,8277
2,6329
5.
3,9047
7,00
1,3622
1,9459
3,7865
2,6507
6.
3,8221
5,00
1,3408
1,6094
2,5902
2,1579
8,5103
13,4234
30,8668
19,3058
)(
)
∑
Sehingga untuk fluida gas adalah : (
) (
( )
(
)
(
)(
)
B = 0,3194 Dengan demikian, persamaan untuk fluida gas menjadi: (
)
(36)
b. Eksponensial Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggan float melalui pendekatan eksponensial diselesaikan dengan persamaan (30), ( 31), dan (27). Data perhitungan variabel-variabel terkait untuk persamaan eksponensial pada peneraan laju alir fluida cair dan gas adalah sebagai berikut :
Daftar VII. Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Cair untuk Perhitungan dengan Metode Pendekatan Eksponensial No.
Q, cm3/s
h, cm (x)
ln Q (y)
(x)2
x*y
1.
16,1804
6,00
2,7838
36,0000
16,7028
2.
14,3946
5,50
2,6669
30,2500
14,6680
3.
13,4490
5,00
2,5989
25,0000
12,9945
4.
12,0600
4,50
2,4899
20,2500
11,2046
5.
11,1679
4,00
2,4130
16,0000
9,6520
6.
9,6435
3,50
2,2663
12,2500
7,9321
7.
9,4295
3,00
2,2438
9,0000
6,7314
8.
7,4474
2,50
2,0079
6,2500
5,0198
9.
6,5329
2,00
1,8769
4,0000
3,7538
10.
5,2385
1,50
1,6561
2,2500
2,4842
37,5000
22,0035
161,2500
91,1432
∑
Sehingga konstanta A dan B dapat dihitung sebagai berikut : (
)
(
( (
)( )
(
)
)
(
)
)(
)
Dengan demikian, persamaan untuk fluida cair menjadi: (
)
(37)
Daftar VII. Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Gas untuk Perhitungan dengan Metode Pendekatan Eksponensial
No.
Q, cm3/s
h, cm (x)
(x)2
ln Q (y)
x*y
1.
5,7107
15,00
1,7423
225,0000
26,1345
2.
5,0960
13,00
1,6285
169,0000
21,1705
3.
3,4493
11,00
1,2382
121,0000
13,6202
4.
3,3146
9,00
1,1983
81,0000
10,7847
5.
3,9047
7,00
1,3622
49,0000
9,5354
6.
3,8221
5,00
1,3408
25,0000
6,7040
60,0000
8,5103
670,0000
87,9493
∑
(
) (
(
)( )
(
) )
(
)
(
)(
)
Dengan demikian, persamaan untuk fluida gas menjadi: (
)
(38)
c. Kesalahan relatif Untuk fluida cair (
) (
)
Contoh perhitungan diambil dari data nomor 1 daftar III: Ketinggian float 6,00 cm Q percobaan
= 16,1804 cm3/s
Q logaritmik
=(
Q logaritmik
= 15,5173 cm3/s
Q eksponensial = (
) )
Q eksponensial = 16,9914 cm3/s
|
|
|
|
Dengan cara yang sama diperoleh data berikut:
Daftar IX.Data Perhitungan Kesalahan Relatif (Er) untuk Fluida Cair No.
Q, cm3/s
Qlogaritmik, cm3/s
Qeksponensial, cm3/s
Er logaritmik, %
Er eksponensial, %
1.
16,1804
15,5173
16,9914
4,2733
4,7730
2.
14,3946
14,4802
15,0957
0,5912
4,0773
3.
13,4490
13,4235
13,4114
0,1900
0,2804
4.
12,0600
12,3450
11,9151
2,3086
1,2161
5.
11,1679
11,2415
10,5857
0,6547
5,4999
6.
9,6435
10,1093
9,4047
4,6076
2,5392
7.
9,4295
8,9433
8,3554
5,4365
12,8552
8.
7,4474
7,7366
7,4232
3,7381
0,3260
9.
6,5329
6,4790
6,5950
0,8319
0,9416
10.
5,2385
5,1544
5,8592
1,6336
10,5919
24,2655
43,1006
∑
Kesalahan relatif rata-rata: (
)
(
)
Untuk fluida gas : (
)
(
)
Contoh perhitungan diambil dari data nomor 1 daftar IV: Ketinggian float 15,00 cm:
Q percobaan
= 5,7107 cm3/s
Q logaritmik
= (2,0247).(15,00)0,3187
Q logaritmik
= 4,7993 cm3/s
Q eksponensial = (2,7492).e0,0407.15,00 Q eksponensial = 5,0622 cm3/s
|
|
|
|
|
|
|
|
Dengan cara yang sama diperoleh data berikut: Daftar X. Data Perhitungan Kesalahan Relatif (Er) untuk Fluida Gas
No.
Q, cm3/s
Qlogaritmik, cm3/s
Qeksponensial, cm3/s
Er logaritmik, %
Er eksponensial, %
1.
5,7107
4,7993
5,0622
18,9903
12,8106
2.
5,0960
4,5854
4,6665
11,1353
9,2039
3.
3,4493
4,3476
4,3017
20,6620
19,8154
4.
3,3146
4,0783
3,9654
18,7259
16,4120
5.
3,9047
3,7644
3,6554
3,7270
6,8200
6.
3,8221
3,3816
3,3697
13,0264
13,4255
86,2669
78,4874
∑
Kesalahan relatif rata-rata: (
)
(
)
