KOEFISIEN RUGI-RUGI SUDDEN EXPANSION PADA ALIRAN FLUIDA CAIR

Transkripsi

1 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta KOEFISIEN RUGI-RUGI SUDDEN EXPANSION PADA ALIRAN FLUIDA CAIR I Gusti Gde Badrawada Jurusan Teknik Mesin, FTI, IST AKPRIND Yogyakarta gdebadrawada@yahoo.co.id ABSTRACT The aim of this research was to find minor loss coefficients that occurred in sudden expansion pipe with diameter ratio : 5. By knowing of this coefficient we could know pressure losses occurred in this pipe. Hence, we could calculate energy needed in order to the system work properly. To find out those coefficients, in this research, the working fluid was flowed to the test specimen with l/minute, 8 l/minute, 1 l/minute and 16 l/minute. The flowing rate would be read at Rotameter. The pressure occurred in inlet and outlet of the sudden expansion pipe would be read at column manometer. From those data we could calculate the minor loss coefficients of the sudden expansion pipe. From this research we could draw the conclusion that increased flow rate caused decreased minor loss coefficient. The smallest minor loss coefficient occurred on upper side of the sudden expansion pipe, but the biggest one occurred on under side of sudden expansion pipe for each flow rate. Keywords: sudden expansion, diameter ratio, minor loss coefficient INTISARI Penelitian ini dilakukan untuk mencari koefisien rugi-rugi yang terjadi pada pipa Sudden Enlargement/Expansion dengan perbandingan diameter pipa kecil dengan diameter pipa besar : 5. Dengan mengetahui koefisien rugi-rugi yang terdapat pada pipa ini, maka kita akan mengetahui seberapa besar rugi tekanan yang terjadi. Dengan demikian kita akan dapat menghitung seberapa besar energi yang harus disediakan agar sistem dapat berfungi sesuai dengan yang diinginkan. Untuk mencari nilai koefisien rugi-rugi pipa Sudden Expansion tersebut, maka fluida kerja dialirkan dengan variasi debit sebesar lt/menit, 8 lt/menit, 1 lt/menit dan 16 lt/menit ke specimen uji yaitu pipa Sudden Expansion tersebut. Besar debit fluida kerja yang mengalir akan terbaca pada alat ukur debit yaitu Flowmeter (Rotameter). Tekanan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar pipa Sudden Expansion akan diukur oleh manometer kolom. Kemudian dari perbedaan tekanan yang terjadi untuk masing-masing debit aliran dihitung nilai koefisien rugi-ruginya. Dari hasil penelitian ini didapatkan bahwa semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida. Harga koefisien rugi-rugi yang paling kecil terjadi pada posisi pengukuran sebelah atas, kemudian disusul pada posisi pengukuran di sebelah depan dan terbesar terjadi pada pengukuran sebelah bawah untuk di masing-masing debit aliran fluida. Kata kunci: sudden expansion, perbandingan diameter, koefisien rugi-rugi PENDAHULUAN Banyak dijumpai aliran-aliran fluida di dalam pipa. Baik yang dijumpai di rumah tangga maupun sampai ke industri-industri kecil maupun industri-industri besar. Untuk mengalirkan fluida tersebut dibuatlah instalasi perpipaan. Di dalam instalasi tersebut, banyak digunakan belokan pipa, percabangan pipa, pembesaran pipa, pengecilan pipa. Pada aliran fluida di dalam pipa terjadi bermacam-macam rugi-rugi. Rugi-rugi tersebut dapat disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara dinding pipa dan fluida yang mengalir (major losses). Dapat juga terjadi jika dalam alirannya tersebut terdapat belokan, pembesaran pipa dan sebagainya (minor losses). Dengan adanya rugi-rugi ini maka energi yang dibutuhkan tentu lebih besar pula. Salah satu minor losses yang turut menyumbang kerugian energi pada aliran fluida dalam pipa adalah minor losses yang terjadi pada Sudden Expansion. Dalam penelitian ini akan dicari seberapa besar perbedaan tekanan yang terjadi pada aliran fluida saat mengalir pada pipa yang berdiameter kecil dan pada saat fluida mengalir pada pipa yang berdiameter besar. Dengan demikian akan diketahui seberapa besar koefisien rugi-rugi yang dimiliki oleh Sudden Expansion 119

2 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta Dalam melakukan penelitian ini agar permasalahan tidak melebar, maka dilakukan batasanbatasan masalah antara lain: 1. Aliran fluida yang diamati adalah aliran fluida dalam pipa. Fluida yang dipakai adalah air dengan variasi debit aliran lt/mnt, 8 lt/mnt, 1 lt/mnt, 16 lt/mnt. 3. Perbandingan diameter pipa besar dengan pipa kecil adalah 5: Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui besar konstanta rugi-rugi yang terjadi pada specimen uji Sudden Expansion. Dalam melaksanakan penelitian ini dibutuhkan alat-alat seperti bak penampung, fluida, pompa, katup pengatur debit fluida, Flowmeter (rotameter), test spesimen (Sudden Expansion), manometer kolom, dan instalasi pipa. Untuk instalasi alat-alat tersebut dapat dilihat pada gambar 1.1 di bawah. Cara kerjanya adalah: Jika pompa telah dihidupkan, maka fluida akan mengalir dari bak penampung menuju pompa. Setelah katup dibuka, maka fluida mengalir menuju flowmeter lanjut ke test specimen dan kembali ke bak penampung. Begitu seterusnya. Langkah-langkah pelaksanaan penelitian: 1. Hidupkan pompa. Atur kecepatan fluida yang mengalir dengan mengatur bukaan dari katup, dan melihat flowmeter 3. Catat kecepatan aliran fluida, jika aliran sudah stabil.. Catat perbedaan tekanan Manometer Test Spesimen Katup Flowmeter Pompa Bak Penampung Gambar 1: Instalasi pengujian 1

3 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta Gambar : Benda uji Jagannath, dkk (7) menyatakan dalam penelitiannya bahwa rugi-rugi tekanan yang paling kecil terjadi pada perbandingan L/D sama dengan 1. Dan hasil yang diberikan dengan memakai cara pendekatan logika Fuzzy adalah memadai dan dapat digunakan sebagai analisis qualitative dari aliran fluida. Dalam penelitian ini dipakai gas sebagai fluida kerja, dan perbandingan luasan antara pipa besar dan pipa kecil adalah 1; 6 dan, 89. Serta perbandingan antara panjang pipa dengan diameternya (L/D) yang dipakai adalah 1; ; dan 6. Sukarno (), dalam penelitiannya menggunakan saluran segiempat horisontal dengan perbandingan luasan saluran kecil dengan luasan saluran yang besar,6,,7 dan,8. Hasil penelitiannya menunjukkan terjadinya peningkatan tekanan pada saluran yang mengalami pembesaran mendadak dengan adanya kenaikan debit aliran. Rugi-rugi yang terjadi semakin besar dengan semakin besarnya harga perbandingan luasan saluran.. Gurbuz (), mendapatkan hasil rugi-rugi yang terjadi pada saluran pembesaran mendadak adalah antara,5 meter. Dan kesimpulan yang didapatkan adalah rugi-rugi lokal yang terjadi adalah berbanding lurus dengan kwadrat kecepatan fluida yang mengalir, berbanding lurus dengan diameter dalam pipa dan berbanding lurus dengan viskositas fluida. Serta menyarankan untuk memakai alat digital sebagai ganti alat anolog untuk pengukuran, karena kurang teliti. Dalam penelitian ini dipakai air sebagai fluida kerja dan perbandingan diameter pipa besar dan pipa kecil adalah : 18. Fluida adalah suatu zat yang dapat berubah secara terus menerus (kontinyu) bila dikenai tegangan geser berapapun besar tegangan geser itu. Sebagai konsekuensi dari pengertian tersebut adalah bahwa ketika fluida berada pada keadaan diam, maka tidak mungkin ada tegangan geser. dv τ = μ. (1) dy Fluida diklasifikasikan sebagai fluida Newton (Newtonian fluid) dan fluida bukan-newton (Non- Newtonian fluid). Gambar 3: Perubahan bentuk yang diakibatkan oleh penerapan gaya geser yang konstan Ketika menghitung perpindahan kalor atau tekanan dan head loss pada aliran fluida dalam pipa, maka harus diketahui dulu tipe dari aliran fluida tersebut. Pada umumnya ada tiga tipe aliran fluida dalam pipa, yaitu: 11

4 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta a. Aliran laminer Aliran laminer merupakan aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan satu lapisan luncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan dengan saling tukar momentum secara molekular saja. b. Aliran turbulen Aliran turbulen merupakan aliran yang mempunyai gerakan partikel-partikel fluida yang sangat tidak menentu, dengan saling tukar momentum dalam arah melintang yang dahsyat. c. Aliran transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan saat mengalami perubahan dari aliran laminer menjadi aliran turbulen. Aliran transisi adalah gabungan antara laminer dan turbulen, dengan turbulensi di tengah pipa dan aliran laminer dekat dengan tepi. Tipe aliran fluida ditentukan dengan angka Reynold yang besarnya adalah: ρ V D Re = () μ a. Laminer (Laminar) jika Re < 3 b. Transisi (Transient) jika 3 < Re < c. Turbulen (Turbulent) jika Re > Dengan adanya perbedaan jenis aliran, maka karakterisitik aliran fluida juga akan berbeda. Gambar : Pola aliran fluida Aliran fluida dalam pipa akan mengalami rugi-rugi/losses, yaitu major losses (h l ) akibat terjadinya gesekan antara fluida dengan dinding pipa, dan juga mengalami minor losses (h lm ) akibat adanya belokan, pembesaran mendadak, pengecilan mendadak, dan yang sejenisnya. Sehingga rugi total yang dialami fluida jika mengalir dalam pipa adalah: p 1 V1 p V h = + = lt hl hlm α1 g z1 α g z (3) ρ ρ Dari persamaan tersebut di atas didapat besar perbedaan tekanan yang terjadi pada aliran fluida dalam pipa horizontal dengan jenis aliran laminar: L μ V Δp = 3 () D D atau 6 L V h l =. (5) Re D Untuk aliran turbulen: L V h l = f (6) D Sedangkan minor losses yang terjadi adalah: V h lm = K... (7) 1

5 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta HASIL DAN PEMBAHASAN Debit aliran fluida dikonversi satuannya dari masing-masing debit yang telah ditentukan menggunakan persamaan sebagai berikut: n = 6 1 Sehingga didapatkan debit air dengan satuan m 3 /s untuk masing-masing debit yang telah ditetapkan, yaitu: 5 1 = = 6, = = 1, = 1 = = 16 =, Dari masing-masing debit aliran fluida tersebut di atas dapat kita hitung kecepatan yang dipunyai dari fluida tersebut, dengan menggunakan persamaan kontinyuitas yaitu: V = n 1 π d Penghitungan kecepatan ini dilakukan pada sisi masuk & keluar pipa Sudden Expansion. Sehingga didapat kecepatan sisi masuk & keluar seperti Tabel 1.1. Tabel 1: Kecepatan fluida di sisi masuk & keluar pada masing-masing debit Debit,, (m 3 Kecepatan (m/s) /s) Masuk Keluar 6,67 x 1-5,15,3 1,33 x 1 -,9,68 x 1 -,,1,67 x 1 -,591,136 GRAFIK KECEPATAN FLUIDA.6.5 KECEPATAN V1 V 1 3 n Gambar 5: Grafik kecepatan fluida pada masing-masing debit di sisi masuk & keluar Pada grafik di atas terlihat bahwa semakin besar debit fluida yang mengalir pada sisi masuk & keluar pipa, maka semakin besar pula kecepatan fluida yang terjadi pada masing-masing sisi pipa. Tetapi kecepatan fluida pada masing-masing debit pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan fluida pada sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan kontinyuitas. Rumus angka Reynold dapat dirubah menjadi: 13

6 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta d V Re = υ Tabel : Angka Reynold di sisi masuk & keluar pada masing-masing debit Debit,, (m 3 Angka Reynold /s) Masuk Keluar 6,67 x , ,55 1,33 x 1-71,38 336,98 x 1-151,9 56,1,67 x 1-173,6 6755,6 ANGKA REYNOLD ANGKA REYNOLD Re1 Re n Gambar 6: Grafik angka Reynold pada masing-masing debit di sisi masuk dan keluar Dengan semakin besarnya kecepatan fluida, maka angka Reynold akan semakin besar pula. Sehingga angka Reynold akan semakin besar dengan semakin besarnya debit yang mengalir. Tetapi angka Reynold pada masing-masing debit pada sisi masuk lebih besar daripada sisi keluar dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dibanding dengan kecepatan fluida pada sisi keluar pada masing masing debit aliran, walaupun diameter pipa pada sisi keluar lebih besar dibanding diameter pipa pada sisi masuk. Untuk mendapatkan tekanan yang terjadi pada pipa Sudden Expansion, maka data yang kita dapatkan dari pengukuran yang dilakukan oleh manometer kolom yang masih berupa perbedaan ketinggian fluida yang terdapat pada kolom pada saat sebelum dan sesudah proses perlu dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini: P = ρ g h Debit (m 3 /s) Tabel 3: Tekanan di sisi masuk dan keluar pada masing-masing debit pada masing-masing posisi pengukuran Tekanan (Pa) Atas Depan Bawah Masuk Keluar Masuk Keluar Masuk Keluar 6,67 x ,33 x x ,67 x

7 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta DISTRIBUSI TEKANAN PADA 1 = 6,67 x 1-5 (m 3 /s) TEKANAN (Pa) SISI MASUK/KELUAR Gambar 7: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada 1 DISTRIBUSI TEKANAN PADA = 1,33 x 1 - (m 3 /s) TEKANAN (Pa) SISI MASUK/KELUAR Gambar 8: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada DISTRIBUSI TEKANAN PADA 3 = x 1 - (m 3 /s) 5 TEKANAN (Pa) SISI MASUK/KELUAR Gambar 9: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada 3 15

8 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta DISTRIBUSI TEKANAN PADA =,67 x 1 - (m 3 /s) 5 TEKANAN (Pa) SISI MASUK/KELUAR Gambar 1: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada Dari gambar 6 sampai dengan gambar 9 dapat disimpulkan bahwa tekanan yang terjadi pada sisi masuk akan lebih kecil daripada tekanan pada sisi keluar di masing-masing posisi pengukuran. Ini dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan Bernoulli yang dapat dijelaskan bahwa semakin besar kecepatan fluida, maka tekanan yang terjadi akan semakin kecil. Karena persamaan Bernoulli menggunakan prinsip kekekalan energi. Secara umum tekanan yang terjadi pada posisi pengukuran sebelah depan pipa memiliki tekanan yang paling besar dibanding dengan posisi pengukuran yang lain baik pada bagian sisi masuknya maupun pada sisi keluarnya. Disusul selanjutnya pada posisi pengukuran sebelah atas, dan yang terakhir pada posisi pengukuran sebelah bawah. Minor losses yang terjadi pada pipa Sudden Expansion dapat dihitung dengan cara menggunakan persamaan sebagai berikut: V 1 h lm = K Maka harga koefisien rugi-rugi pada pipa Sudden Expansion: hlm K = V1 Tabel : Koefisien rugi-rugi di masing-masing debit pada masing-masing posisi pengukuran Debit,, (m 3 Koefisien Rugi-rugi, K. /s) Atas Depan Bawah 6,67 x 1-5 3,,6 5,97 1,33 x 1-1,16 1,16 1,97 x 1 - -,33,61,8,67 x 1 - -,3,,9 16

9 Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 8 IST AKPRIND Yogyakarta KOEFISIEN RUGI-RUGI 6 KOEFISIEN RUGI-RUGI n Gambar 11: Grafik koefisien rugi-rugi pada masing-masing debit aliran Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida. Harga koefisien rugi-rugi yang paling kecil terjadi pada posisi pengukuran sebelah atas, kemudian disusul pada posisi pengukuran di sebelah depan dan terbesar terjadi pada pengukuran sebelah bawah untuk di masing-masing debit aliran fluida. KESIMPULAN Semakin besar debit fluida yang mengalir pada sisi masuk & keluar pipa, maka semakin besar pula kecepatan fluida yang terjadi pada masing-masing sisi pipa. Hal ini sesuai dengan persamaan kontinyuitas. Dengan semakin besarnya kecepatan fluida, maka angka Reynold akan semakin besar pula. Sehingga angka Reynold akan semakin besar dengan semakin besarnya debit yang mengalir. Tekanan yang terjadi pada sisi masuk akan lebih kecil daripada tekanan pada sisi keluar di masing-masing posisi pengukuran. Ini dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan Bernoulli yang dapat dijelaskan bahwa semakin besar kecepatan fluida, maka tekanan yang terjadi akan semakin kecil. Semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida. Untuk peneliti selanjutnya yang tertarik dengan topik ini disarankan untuk menggunakan alat ukur yang lebih teliti, sehingga didapatkan data yang lebih akurat. Pada seksi uji tidak hanya di buat arah horisontal saja, tetapi bisa dibuat pada arah vertikal juga. Serta jenis fluida yang digunakan dapat divariasikan bahkan dengan fluida lebih dari satu fase. DAFTAR PUSTAKA Fox, R. W. dan McDonald, A. T., 1978, Introduction to Fluid Mechanics, edisi, John Wiley & Sons, Kanada. Gurbuz, R.,, The Measurement Local Losses and K factor of Valve and Fitting by Computer, Proceeding of ASEE. Jagannath, R., Naresh, N. G. dan Pandey, K. M., 7, Studies on Pressure Loss in Sudden Expansion in Flow Through Nozzles: A Fuzzy Logic Approach, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Volume, no, pp 5-61 Munson, B. R., Young, D. F. dan Okiishi T. H., 3, Mekanika Fluida, edisi, Erlangga, Jakarta. Streeter, V. L., Wylie, B. dan Prijono, A., 1999, Mekanika Fluida, edisi 8, Erlangga, Jakarta. Sukarno, R.,, Studi Distribusi Tekanan Aliran Melalui Pembesaran Secara Mendadak dengan Penampang Segiempat Posisi Horisontal, Skripsi Fakultas Teknik UMS. 17