PENGARUH VARIASI SUDUT TERHADAP KOEFISIEN KERUGIAN PADA PENGGABUNGAN PIPA CABANG

Transkripsi

1 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : PENGARUH VARIASI SUDUT TERHADAP KOEFISIEN KERUGIAN PADA PENGGABUNGAN PIPA CABANG Kadir Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Haluoleo, Kendari Abstrak Penelitian ini bertujuan mengetahui seberapa besar kerugian akibat melewati suatu penggabungan aliran. Aliran fluida yang melalui system instalasi perpipaan banyak terjadi rugi tekanan yang disebut rugi tekanan major dan rugi tekanan minor ( kerugian akibat fluida melewati suatu penggabungan). Penggabungan aliran fluida pada penggabungan pipa adalah suatu proses irreversible, yangdidaam aplikasi teknik akan menurungkan unjuk kerja dari sistem. Dalam penelitian ini dilakukan dengan variasi ( ) pada penggabungan aliran ( ) 9,45 dan 3 dengan menggunakan pipa PVC. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa dengan variasi bilangan Reynols (Re) antara 1, x 1 4 hingga 3,1 x 1 4 untuk aliran cabang 1-3 mengakibatkan peningkatan nilai koefisien kerugian (K 1-3 ) antara,8 dan 1,33 serta (K 2-3 ) antara,5 dan 1,. Perbandingan laju aliran (Q 1 /Q 3 ) bervariasi antara,8 dan,93 dengan nilai koefisien total (K tot ) berkisar antara,76 sampai dengan 2,23. Variasi laju aliran cabang 2-3, pada Re dari 1361 sampai dengan 3184, koefisien kerugian (K1-3) berkisar antara,3 dan 1,25 serta (K 2-3 ) berkisar,46 dan 1,76 untuk Q 2 /Q 3 ) bervariasi antara,2 dan,73 dengan (K tot ),76 sampai 2,63). Perubahan laju aliran memengaruhi nilai koefisien kerugian untuk pipa cabang. Abstract The aim of the study was to the scover the due to passing a flow combination. The flow of fluid pasing trough piping instation system causes many losses of pressure called major and minor pressure losses. The combination of the flow of fluida at pipe combination is an irreversible in witch the irreversibility in technical application decreases the performancesystem. The results of the study indicate that variations at the flow combination ( ) 3,45 dan 9 by using PVC pipe. With the variation of Reynolds (Re) between 1, x 1 4 to 3,1 x 1 4 for branch flow 1-3 causing the increase of the coefficient of loss ( K 1-3 ) between,8 and 1,33 and (K 2-3 ) between,5 and 1,. The comparison of the flow rate (Q 1 /Q 3 ) varies between,8 and,93 with the total coefficient value (K tot ) ranging from,76 to 2,32. The variation of branch flow rate at Re from 1361 to 3184, coefficient of loss (K 1-3 ) ranges from,3 to 1,25 and (K 2-3 ) ranges from,48 to 1,37 for (Q 2 /Q 3 ) varies between,2 and,73 with (K tot ) between,76 and 2,63. The change of flow rate affects the coefficient of loss value for all angular pipes. Keywords: effek, variation, coefficient, loss flow, combination 1. Pendahuluan Penelitian aliran dalam pipa (internal flow) dimulai oleh seorang maha guru dari Jerman th 185, Julius Weisbach meneliti rugi pada hulu pipa, yang kemudian dilanjutkan oleh Insinyur Perancis, Henry Darcy pada tahun 1857 yang melakukan eksperimen aliran pipa dan pertama kalinya mengungkap efek kekasaran pada hambatan pipa yang dikenal dengan persamaan Darcy- Weisbach. Kemudian Osborne Reynold melakukan eksperimen melalui pipa klasiknya pada tahun 1883 yang memperlihatkan pentingnya bilangan reynolds dalam aliran fluida. 1

2 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : Pada saat ini teknologi semakin maju khususnya pada pengembangan bentuk bodi, para ahli dan ilmuwan selalu berusaha untuk mencari penemuan-penemuan baru pada bentuk bodi yang lebih aerodinamis untuk mengurangi separasi dan drag, misal pada industriindustri Otomotif, Aeroplane dan perkapalan. Demikian juga pada industri yang banyak menggunakan instalasi perpipaan yang berfungsi untuk mengalirkan fluida ke tempat tujuan. Pada instalasi ini, banyak dipakai sambungan yang berfungsi untuk membelokan, membagi aliran menjadi bercabang dan menggabungkan aliran. Penggabungan aliran fluida pada percabangan sendiri adalah suatu proses irreversibel dimana irreversibilitas ini di dalam aplikasi teknik akan menurunkan unjuk kerja dari sistem. Selama fluida mengalir melalui pipa banyak terjadi rugi tekanan yang disebut rugi tekanan Major (Major Head loss) dan rugi tekanan Minor (Minor Head loss) (ME-15, 23). Kerugian Major adalah rugi tekanan yang terjadi karena gesekan fluida dengan dinding sepanjang pipa dan kerugian Minor adalah kerugian akibat fluida melewati sambungan. Dalam Basset, MD (21) dengan judul Calculation of steady flow pressure loss coefficints for pipe junctions menunjukan bahwa pada susut cabang ( ) menghitung koefisien kerugian (K), Penelitian ini dilakukan pada aliran turbulen dengan bilangan Reynolds untuk aliran gabungan dengan pengukuran variasi laju aliran cabang (Q 1 ) dan variasi laju aliran langsung (Q 2 ) Tumbukan yang terjadi pada percabangan pipa mengakibatkan aliran menjadi turbulen, sehingga koefisien gesek menjadi tinggi dan menyebabkan penurunan tekanan yang akan berpengaruh pada energi yang dibutuhkan oleh Pompa. Didaerah mana terjadinya penurunan tekanan dan seberapa besar pengaruh variasi sudut cabang terhadap koefisien kerugian pada penggabungan pipa. Berdasarkan pemikiran dan uraian di atas maka untuk menjawab permasalahan tersebut maka dilakukan penelitian dengan judul Pengaruh Variasi Sudut Cabang Terhadap Koefisien Kerugian Pada Penggabungan Aliran 2. Metodologi Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin Universitas Haluoleo Kendari, dengan terlebih dahulu, mempersiapkan alat penelitian berikut bahan yang akan digunakan. Fluida yang akan digunakan adalah air. Instalasi pengujian seperti terlihat pada Gambar 1 dan alat uji seperti terlihat pada Gambar 2. Gambar 1. Instalasi Penelitian Keterangan Gambar : 1.Tangki bawah 7. Rotameter 2. Pompa 8. Sesi uji 3. Tangki atas 9. Tangki ukur 4. Plat koridor 1. Pipa over flow 5. Pipa sirkulasi 11. Katup 6. Pipa distribusi 12. Manometer papan 2 θ 1 Gambar 2. Alat Penelitian Dari data hasil pengujian tabel A1 lampiran A diolah dan menghitung : debit pada cabang 1 (Q 1 ) dan cabang 2 (Q 2 ), kemudian menghitung debit Q 3 = Q 1 + Q 3 Kecepatan pada masing-masing cabang (U 1, U 2 dan U 3 ) dimana : Q1 U1, Q2 U 2 dan Q3 U 3 A1 A2 A3 Bilangan Reynolds (Re 1, Re 2, dan Re 3 ) dimana Re dicari dengan persamaan (12) 2

3 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : Membaca tinggi tekanan statis pada setiap cabang (h 1, h 2, dan h 3 ) Koefisien kerugian (K 1-3 ) dan (K 2-3 ) Koefisien Total dengan cara menjumlahkan koefisien (K 1-3 ) dan (K 2-3 ). Membuat grafik hubungan antara bilangan Reynolds (Re) tiap sudut cabang Vs koefisien kerugian (K 1-3 dan K 2-3 ). Membuat grafik hubungan antara bilangan Reynolds (Re) tiap sudut cabang Vs koefisien kerugian total (K tot ). Membuat grafik hubungan antara Rasio laju aliran (Q 1 /Q 3 ) Vs Koefisien Kerugian (K 1-3 dan K 2-3 ). Membuat grafik hubungan antara Rasio laju aliran (Q 1 /Q 3 ) Vs Koefisien Kerugian total (K tot ). Membut grafik kecenderungan hasil eksperimen dengan hasil penelitian sebelumnya. 3. Hasil dan Pembahasan Berdasarkan hasil pengujian dan pengukuran laju aliran pada pipa cabang (Q 1 ) dan pipa (Q 2 ) yang diukur dengan menggunakan Rotameter (Flow Meter) serta pipa keluaran (Q 3 ), maka untuk memperoleh grafik hasil pengujian masing-masing sudut cabang harus dihitung kemudian hasilnya ditabelkan seperti pada lampiran B. Adapun dalam analisis akan diberikan satu contoh perhitungan untuk sudut cabang 9 dengan diameter pipa,25,4 x,25,4 m yang dianalisis secara eksperimen. Dari data hasil pengukuran laju aliran yang melintasi pipa cabang 1 (Q 1 ) dan aliran pada pipa cabang 2 (Q 2 ) maksimum dengan mengambil contoh data hasil pengukuran Tabel 1 dan dan hasil analisis Tabel 2. dan dianalisa sebagai berikut : Variasi Laju Aliran Cabang 1 ( Q 1 ) Koefisien Kerugian (K 1-3 ) Sebagai Fungsi dari Bilangan Reynolds K Re θ = 9 θ = 75 θ = 6 θ = 45 θ = 3 L Gambar 3. Grafik Koefisien Kerugian (K 1-3 ) Terhadap Re Cabang 1-3 Koefisien Kerugian (K 2-3 ) Sebagai Fungsi dari Bilangan Reynolds K Re θ = 9 θ = 75 θ = 6 θ = 45 θ = 3 Gambar 4. Grafik Koefisien Kerugian (K 2-3 ) Terhadap untuk Re Cabang 1-3 Koefisien Kerugian Total (K tot ) Sebagai Fungsi dari Bilangan Reynolds K tot Re θ = 9 θ = 75 θ = 6 θ = 45 θ = 3 Gambar 5. Grafik Koefisien Kerugian total (K tot ) terhadap Re Cabang 1-3 3

4 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : Berdasarkan hasil pengamatan dan perhitungan serta gambar grafik dari hasil penelitian yang dilakukan dapat dianalisis berupa evaluasi data pengukuran dan perhitungan dengan mempelajari kecenderungan yang terjadi sesuai dengan tujuan yang dicapai: a. Enam variasi laju aliran cabang 1-3 dan untuk setiap bilangan Reynolds (Re) bervariasi antara 1361 dan 3184 pada 9 pengujian menghasilkan nilai koefisien kerugian (K 1-3 ) antara,8 dan 1,33,demikian pula nilai koefisien kerugian (K 2-3 ) antara,5 dan 1, dengan hasil ditabelkan pada lampiran B dan diringkas dalam gambar 4.1, 4.2 dan 4.3 grafik Koefisien kerugian (K) terhadap bilangan Reynolds dan rasio laju aliran (Q 1 /Q 3 ) dituangkan dalam gambar 4.4, hal ini terjadi karena arah aliran dari cabang 1-3 dibelokan akibat adanya tumbukan dari aliran langsung (cabang 2) yang tidak mengalami perubahan arah. b. Variasi laju aliran cabang 2-3, dengan meningkatnya bilangan Reynolds (Re) dari 1361 sampai 3184 mengakibatkan nilai koefisien kerugian (K 1-3 ) berkisar,3 dan 1,25 demikian pulah nilai Koefisien kerugian (K 2-3 ) berkisar,46 dan 1,37 hal ini lebih besar bila dibandingkan dengan koefisien kerugian (K 1-3 ), karena aliran cabang 2-3 mengalami hambatan akibat tumbukan aliran dari cabang Kesimpulan dan Saran Variasi laju aliran cabang 1 : Hasil penelitian yang diperoleh untuk koefisien kerugian tiap cabang adalah: o K 1-3(9 ) = (,44-1,33), K 2-3(9 ) = (,18 1,) o K 1-3(75 ) = (,35 1,24), K 2-3(75 ) = (,12,86) o K 1-3(6 ) = (,28-1,17), K 2-3(6 ) = (,1 -,8) o K 1-3(45 ) = (,21 1,3), K 2-3(45 ) = (,8 -,7) o K 1-3(3 ) = (,8,85), K 2-3(3 ) = (,5 -,61) o o ΔH tot (45 ) = (,16,86) m ΔH tot(3 ) = (,7,73) m Variasi debit aliran cabang 2 : Hasil penelitian yang diperoleh untuk Koefisien kerugian tiap cabang adalah: o K 1-3(9 ) = (,55 1,25), K 2-3(9 ) = (,72 1,37) o K 1-3(75 ) = (,5 1,18), K 2-3(75 ) = (,66 1,29) o K 1-3(6 ) = (,41 1,5), K 2-3(6 ) = (,61 1,2) o K 1-3(45 ) = (,35,55 ), K 2-3(45 ) = (,55 1,11) o K 1-3(3 ) = (,3,83), K 2-3(3 ) = (,46 1,2) Koefisien kerugian total adalah: o K tot(9 ) = (1,27-2,63) o K tot(75 ) = (1,16 2,48) o K tot(6 ) = (1,1-2,24) o K tot(54 ) = (,91 2,4) o K tot(3 ) = (,76 1,84) Kerugian head totan (ΔH tot ) untuk setiap: o ΔH tot (9 ) = (,7 -,139) m o ΔH tot (75 ) = (,6 -,123,) m o ΔH tot (6 ) = (,21-,98) m o ΔH tot (45 ) = (5,11) m o ΔH tot(3 ) = (,4,92) m Saran 1. Untuk penelitian lebih lanjut dapat dilakukan dengan memvariasikan diameter pipa utama agar dapat membandingkan kenaikan koefisien keruagian dan drop energi yang terjadi pada sambungan pipa dengan penggabungan aliran. 2. Dalam instalasi perpipaan sebaiknya dihindari penggabungan aliran yang arah aliranya berlawanan denagan sudut cabang. Dapat dikembangkan untuk penelitian tentang besarnya tumbukan aliran balik setelah penggabungan aliran Koefisien kerugian total (K tot ) adalah: o K tot(9 ) = (,62 2,32) o K tot(75 ) = (,47 2,1) o K tot(6 ) = (,38 1,97) o K tot(45 ) = (,29 1,73) o K tot(3 ) = (,13 1,46) Kerugian head totan (ΔH tot ) untuk setiap: o ΔH tot (9 ) = (,3,115) m o ΔH tot (75 ) = (,3,14) m o ΔH tot (6 ) = (,21,98) m 4

5 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : TABEL 1. HASIL PERHITUNGAN KECEPATAN ALIRAN, Re, K DAN ΔH PADA SUDUT 9 1. Variasi debit aliran cabang ( Leg 1) Q 1 Q 2 Q 3 V 1 V 2 V 3 (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 Q 1 /Q 3 Q 2 /Q 3 /s) (m/s) (m/s) (m/s) Re 1 Re 2 Re 3 f 1 f 2 f 3 hf 1 hf 2 hf hf act1 hf act2 hf act3 K 1-3 K 2-3 K tot ΔH 1-3 ΔH 2-3 ΔH tot Variasi debit aliran langsung ( Leg 2) Q 1 Q 2 Q 3 V 1 V 2 V 3 (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 Q 1 /Q 3 Q 2 /Q 3 /s) (m/s) (m/s) (m/s)

6 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : Re 1 Re 2 Re 3 f 1 f 2 f 3 hf 1 hf 2 hf hf act1 hf act2 hf act3 K 1-3 K 2-3 K tot ΔH 1-3 ΔH 2-3 ΔH tot TABEL 2 HASIL PERHITUNGAN KECEPATAN ALIRAN, Re, K DAN ΔH PADA SUDUT Variasi debit aliran cabang ( Leg 1) Q 1 Q 2 Q 3 V 1 V 2 V 3 (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 Q 1 /Q 3 Q 2 /Q 3 /s) (m/s) (m/s) (m/s) Re 1 Re 2 Re 3 f 1 f 2 f 3 hf 1 hf 2 hf

7 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : hf act1 hf act2 hf act3 K 1-3 K 2-3 K tot ΔH 1-3 ΔH 2-3 ΔH tot Variasi debit aliran langsung ( Leg 2) Q 1 Q 2 Q 3 V 1 V 2 V 3 (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 Q 1 /Q 3 Q 2 /Q 3 /s) (m/s) (m/s) (m/s) Re 1 Re 2 Re 3 f 1 f 2 f 3 hf 1 hf 2 hf hf act1 hf act2 hf act3 K 1-3 K 2-3 K tot ΔH 1-3 ΔH 2-3 ΔH tot Daftar Acuan [1] Abubaker A. Salem, Saib A. Yousif & Yasser F. Nassar, 23, Study of the Separated and Total losses in Bends, Proceedings of the International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion, Bali, Indonesia. [2] Arip Dwiyantoro, B., 24, Studi Ekperimental Tentang pengaruh Protituding (Tonjolan) pada Pipa Lurus Bercabang 45 dan 6 terhadap 7

8 Vol. 1, 1, November 29 ISSN : Distribusi Kecepatan dan Tekanan Aliran, ITS, Surabaya. [3] Bird R. B., Stewart W. E. & lighfoat E. N., 1994, Transport Phenomena, John Willey & Sons, Singapore, Toronto. [4] Costa N.P., Mania.R, 26. Edge Effects on the Flow Characteristics in a 9 deg Tee Junction, Journal of Fluids Engineering, Vol. 128, pp. 124:1217, Publishing Company,inc. [5] Miller S. Donald., Internal Flow Sistem, Vol-5, In the BHRA Fluid Engineering Series. [6] Saleh M. Jamal. 22. Fluid Flow Handbook, McGraw-Hll, New York. [7] Schlichting Hermann, Boundary-layer Theory, MC Graw-Hill Book company, New York. [8] White Frank M, Fluid Mechanics, Third Edition, Mc Graw-Hill Book Company, New York. 8